[解读科学]电影《阿凡达》“空中浮岛”，隐藏着超导体的秘密

Published 30 Jan.2023 08:31(KST)

Updated 17 Apr.2023 16:08(KST)

open/close

电阻为“0”的室温超导体研究正火热
“最大化能源效率，奠定未来技术创新基础”

电影《阿凡达2：水之道》近日在韩国观众中突破1000万观影人次，在全球范围内也掀起热潮。这部电影以多种科学知识为背景，但要理解其基本故事发展，学习超导体相关知识几乎是必修课。故事的时代背景设定在遥远的未来，人类已经把地球上包括铀在内的可利用能源资源消耗殆尽。人类为了开采具有常温超导特性的极其稀有而昂贵的资源“Unobtainium”，入侵了外星行星潘多拉。影片中那些漂浮在空中的“岛屿”就是Unobtainium的实体。由于超导的主要性质之一——迈斯纳效应，这些物体会把其他物体排斥在外，从而悬浮在空中。Unobtainium是科幻电影、小说中经常出现的一个新造词，含义是“无法获得的资源”，也意味着其价值极其巨大。它最大的特点正是具备常温（或高温）超导性。如果说核聚变技术是为了人类可持续未来而生产清洁、无污染能源的手段，那么常温超导技术则是将资源所蕴含的能量发挥到100%以上，使目前看来不可能的未来技术得以商业化的基础。

什么是超导体？

假如人类的末日即将来临，而我们只能给后代传递一条知识，该选哪一条？据传，20世纪80年代世界物理学界顶尖学者之一、美国普林斯顿大学教授Richard Feynman选择了这样一句话：“世界上的一切都是由原子构成的。”这句话蕴含着这样一种预见：只有理解原子世界，才能拯救人类。在众多典型的原子技术中，常温超导体技术就是其中之一。虽然目前也在使用超导体技术，但必须利用液氦、液氮等将温度至少降到零下100摄氏度以下，需要极其庞大的设备和成本。如果能够在常温下利用超导现象，许多应用领域都将迎来大规模的技术革新。自从人类在1911年发现，在极低温（绝对温度0度，即摄氏-273.15度）附近的临界点，电阻会降为零的超导现象之后，至今仍在挑战开发这种常温超导体（Superconductor）。

▲悬浮在空中奔跑的超导体

首先来了解一下超导体的概念和原理。世界上的物质可分为电流易于通过的导体和电流无法通过的绝缘体，也有像硅这样时导时不导的半导体。如果在绝缘体中掺入杂质或施加电场，电流也可以通过。与此相比，超导体的电阻则完全为零，在传输过程中没有损耗，也不会产生热量。同时还会出现排斥磁场的现象（迈斯纳—奥克森费尔德效应，Meissner–Ochsenfeld），为了阻止磁场进入物体内部，物体表面会形成方向相反的磁场，相互排斥，这就是磁悬浮列车的原理。超导体与其他物质接触时，还会出现使对方获得超导性的约瑟夫森效应。这些超导现象产生的原因在于：根据温度和压力的不同，电子会以两个为一对形成所谓的库珀对（Cooper pair）。一旦出现库珀对现象，内部电阻就会变为零。这有点类似于把严重堵塞的道路改为单行道后，交通拥堵消失的原理。1911年，荷兰科学家Kamerlingh Onnes在利用液氦进行极低温实验的过程中偶然发现了这一现象。

常温超导体，未来的基石

问题在于，要引发超导现象，需要付出极其巨大的设备和成本。目前已开发出的量子计算机动辄占据整栋楼就是典型案例。为了让量子自由跃迁，必须利用超导现象，而要将温度降至临界值（绝对温度4.2K），除了利用液氦、液氮的大型冷却装置外，还离不开真空、失重装置。为克服这一局限，科学家们正努力开发在常温下也能保持超导现象的物质，即高温超导体。如果能开发出无需额外设备、资源和成本就能保持超导现象的物质，会发生什么？我们就有可能在地球上再现电影《阿凡达》中那种Unobtainium。发电、储电、输电的效率将被最大化。“巴掌大小”的量子计算机、超低功耗半导体、电影《星际迷航》中那种轻盈而高速的宇宙飞船，以及因资金和资源投入巨大而进展缓慢的磁悬浮列车商业化，都有望真正实现。届时将出现电力损耗为零的输配电与储能装置（电池）。通过把风力、潮汐能、核能等各种能源中的低效环节降到最低的超小型发电机，可以生产出海量电力，医院的核磁共振成像装置（MRI）成本也会大幅下降。

阐明原理迫在眉睫

早在1986年，人们就已经发现了一种在绝对温度35K下利用铜氧化物产生超导现象的物质。2008年，又在以铁氧化物为基础的物质中，在绝对温度21K时实现了超导现象。尤其在2020年，美国罗切斯特大学研究团队宣布，他们发现了一种在摄氏15度以下即可出现超导现象的物质，引发物理学界巨大震动。当时研究团队在两块钻石之间夹入碳、氢和硫，再用激光施加约为常压260万倍的巨大压力，从而取得实验成功。然而一年多后的2021年11月，由于被质疑存在数据造假等问题，该论文被撤稿，围绕其实验结果的争议持续发酵。关键在于，必须弄清高温超导现象的机理。迄今为止，科学家们只知道把粒子排成晶格结构可以诱导高温超导现象，却仍未能准确阐明其成因。这与量子力学的大部分内容类似，依然停留在“只知道现象本身”，却无法回答“为什么、如何发生”的层面。

Pohang University of Science and Technology物理学系教授 Lee Gilho 表示：“正因为我们还不清楚高温超导现象产生的确切原因，所以完全摸不到如何制造出具有更高临界温度物质的门路，这就是问题所在。”他还补充称：“目前已知的高温超导体临界温度大致在零下250至零下100摄氏度之间，要把它提升到零上温度，必须先弄清这种高温超导现象发生的原因，再在此基础上设计出可能具有更高临界温度的物质，而这正是理论上的极限所在。”

▲在铁-镍氮超导体上沉积碱金属前后，费米面嵌套条件的变化。IBS提供

韩国国内研究也很活跃

2021年被评为“本月科学技术人才”的首尔大学物理天文学部教授 Han Seungyong 开发出一项可以将超导磁体微型化的技术。为改善发电机等设备中使用的超导磁体在高负载下被烧毁的问题，他取消了绝缘层，制造出“无绝缘高温超导磁体”。这是一项可以把现有超导磁体体积缩小到原来百分之一的新技术。目前，韩国政府为对这类技术进行高度化和商业化，自2023年起在5年内投入464亿韩元，推进高温超导磁体研究开发项目。Han 教授表示：“所谓无绝缘技术，就是在电子发生碰撞并发热之前，让它们转入旁边空着的通道。”他还称：“目前正在国际热核聚变实验堆（ITER）建设中使用的超导磁体长度超过20米，如果采用这一技术，可以把长度缩短到3至4米。在生物、医疗、国防、城市空中交通等众多领域都可以加以应用。”

为理解高温超导现象机理而展开的研究也十分活跃。Korea Electronics and Telecommunications Research Institute研究专家委员 Kim Hyuntak 在2021年提出了一条可以解释超导现象的临界温度计算公式，受到国际关注。这一理论可以同时解释低温、高温和常温超导现象。首尔大学物理天文学部教授 Kim Changyoung 也在2017年证明，高温超导体现象可以在电子掺杂体系和空穴掺杂体系物质中同时实现。

必读新闻

100万亿恐打水漂…“三星罢工成史上级利好” 价格暴涨20%市况大乱 [台湾芯片通信]

KAIST（Korea Advanced Institute of Science and Technology）物理学系教授 Kim Yonggwan 指出：“只有弄清库珀对——也就是电子之间相互作用的媒介究竟是什么，高温超导体的开发之路才会真正打开。由于这是基础学科，必须整体提升固体物理学的研究水平，才能掌握一切。以韩国目前的情况来看，虽难以在该领域居于主导地位，但应通过夯实基础设施，与国际科学界一道开展合作研究。”

한글 기사 보기

本报道由人工智能(AI)翻译技术生成。