《高温超导的又一重要突破》

  • 来源专题:重大科技基础设施领域知识集成服务平台
  • 编译者: 魏韧
  • 发布时间:2019-11-08
  • 超导体是一种无损耗传导电能的材料,如果研究人员发现环境温度下超导性的关键因素,可以节省大量电力。来自美因茨马克斯·普朗克化学研究所(MPIC)的一个团队已经向这个目标迈进了一步。Mikhail Eremets团队的研究人员合成了氢化镧,这种材料在高压下,零下23℃的高压下显示为零电阻。之前高温超导电性的记录是零下70℃。

    “我们的研究是实现室温超导道路上的一个重要步骤和里程碑”,MPIC研究小组负责人Eremets说。为了进行实验,科学家们合成了少量的氢化镧(LaH10)。在一个只有几百立方微米大小的特殊室中,他们将样品暴露在1.7兆巴的压力下,这是大气压力的170万倍,然后冷却。达到零下23℃(250 K)的临界温度后,样品的电阻降至零。由于单靠电阻测量无法清楚地证明超导电性,研究人员又在外磁场中进行了测量。磁场干扰了超导电性,导致转移到较低温度的转换。

    这一突破建立在几年前Eremets和同事们取得的重大成果之上:他们发现在2.5兆巴压力下零下70℃硫化氢中的常规超导性,其温度比以往观测到的任何时候都高。显然,如果富氢化合物能进入金属状态的话,便能够在特别高的温度下具有超导性质。在这种情况下,压力导致金属镧和氢气形成氢化物。这正是高压所起到的作用。

    通过进一步的实验,美因茨马克斯·普朗克的研究人员证明了氢化镧是一种传统的超导体。他们用较重的氢同位素氘代替了氢化镧中的氢。正如Bardeen-Cooper-Schrieffer(BCS)理论预测的那样,氘化镧的超导临界温度剧烈下降至零下93℃(180K)。目前,科学家们正在研究氢化钇的超导性,期望在更高的环境温度下获得超导电性。

  • 原文来源:https://www.mpg.de/13512517/superconductivity-superconductor-room-temperature?c=2249
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    • 编译者:冯瑞华
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    • 刚刚过去的国庆黄金周,中国科学技术大学超导研究团队除了收看国庆70周年庆典外,每天依然到实验室里工作。 “下一个可以用来划分时代的材料,可能就是室温超导体。”在中国科学技术大学教授吴涛眼里,他们所从事的超导研究充满魅力。“如果发现室温超导体,我们出门可以坐上悬浮的超导车,甚至手机、手提电脑充一次电,就能用上好几个月。”正是带着这样的梦想,中国科学技术大学超导研究团队在这一领域里已经坚守了20余年。 突破超导研究的禁区 超导,是指某些材料在温度降低到某一临界温度,或超导转变温度以下时,电阻突然消失的现象。在超导研究的历史上,已经有10人获得了5次诺贝尔奖,其科学重要性不言而喻。 1911年,荷兰科学家发现水银在极低温条件下的超导性,开辟了科学研究的新领域。1986年,德国科学家与瑞士科学家发现了临界转变温度为35K的铜氧化物超导体。 令科学家困扰的是,超导体的转变温度不能超过40K(约零下233摄氏度),这个温度也被称为麦克米兰极限温度。 40K的极限温度能否被突破?在两名欧洲科学家发现以铜为关键超导元素的铜氧化物超导体后不久,包括中国科学家在内的研究团队将铜氧化物超导体的临界转变温度提高到液氮温区以上,突破了麦克米兰极限温度,使其成为高温超导体。 “铜氧化物高温超导体家族有两个主要缺陷,作为金属陶瓷材料加工工艺严苛,综合成本高,影响广泛应用。此外,铜基超导并没有解决高温超导电性机理丰富的物理内涵。”吴涛告诉科技日报记者,要揭开高温超导的原理,广泛应用,寻找到临界温度更高的超导体势在必行。 铁基化合物由于其磁性因素,曾一度几乎被国际物理学界断言为探索高温超导体的禁区。 2008年3月,中科大陈仙辉研究组和中国科学院物理所王楠林研究组同时在铁基中观测到了43K和41K的超导转变温度,突破了麦克米兰极限,证明了铁基超导体是高温超导体。紧接着,中国科学家团队不仅率先使转变温度突破了50K,并发现了一系列50K以上的超导体,也创造了55K的铁基超导体转变温度纪录,被国际物理学界公认为第二个高温超导家族。 寻找更高转变温度的超导材料 突破了麦克米兰极限之后,全世界科学家对超导材料的探索又一次陷入了迷茫,在高影响因子的期刊上发表高温超导论文变得愈发困难。 中科大的超导团队却一直坚守着这块阵地,无数次地制备、观察、放弃、重新开始……为了拨开超导研究的迷雾,他们提出了“新型二维层状非常规超导材料”这个新的研究方向。 吴涛告诉记者,由于铜氧和铁基超导体均为层状结构,承载超导电性的关键结构单元分别是CuO2面和FeAs/Se层,被称作“超导基元”,目前确认的非常规超导体大都表现出此种结构特点。 “这些材料与通常的超导体在超导机理上有所不同,传统超导体的机理主要是基于电—声子相互作用的BCS理论,二维层状非常规超导材料的超导机理一般被认为不能用BCS理论解释。”吴涛认为,对铜氧化合物超导体及铁基超导体的微观机理的了解,会极大推动凝聚态物理学的新发展;同时,一旦发现更适于应用或具有更高临界温度的超导体,便可能像集成电路那样成为带动世界经济社会发展的新增长点。 目前,比较公认的超导研究核心重点有两个:第一个是新型(高转变温度)非常规超导材料,第二个是高温超导(以及非常规超导)的机理问题。 “我们依据二维结构单元与超导电性之间的普适关联性,以构筑二维层状超导单元为基础,通过块层、异质结设计等研究思路来探索非常规超导电性。”吴涛告诉记者,作为国家重大专项,在实施两年多的时间里,已经利用电化学插层法成功合成出两种新的铁硒基高温超导材料,并且发现这些新的超导材料具有与铜基高温超导体相似的超导预配对现象,还发现了二维结构对铁硒基超导体中高温超导的形成具有重要的影响。“这些新的发现将为建立普适的高温超导机理提供关键的实验证据。”吴涛表示,在新的研究方向上,可能有助于发现新的具有超高临界场和临界电流密度的实用型超导体。 探索更适于应用的超导体 其实,超导已经开始走进我们的生活。如高温超导滤波器已被应用于手机和卫星通讯,并明显改善了通信质量;超导量子干涉器件(SQUID)装备在医疗设备上使用,则大大加强了对人体心脑探测检查的精确度和灵敏度;世界上首个超导示范变电站也已在我国投入电网使用…… 在吴涛看来,他们的研究对于国家重点发展的超导量子计算领域或将有推动作用。“它有可能应用到新型低能耗、自纠错的拓扑量子计算领域。”吴涛说。 目前,超导体还没有达到所期望的广泛应用,主要原因是仍有两个重要问题亟待解决:一是超导应用的经济性;二是常温常压下的超导材料仍未被发现。 “因此突破现有超导材料转变温度的限制,发现具有更高转变温度的新型超导,蕴含着重大科学意义。”吴涛对中国超导研究的未来充满希望,“超导研究已经扎根于中国,我们期望通过努力,获得二维非常规超导体新材料探索和机理研究方面的重大突破,继续保持我们在高温超导材料探索和相关研究的国际领先地位。”
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    • 编译者:guokm
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    • 历时13年自主研制,11月25日,在中国东方电气集团有限公司(以下简称“东方电气”)所属东方汽轮机的燃机总装车间内,国内首台自主研制的F级50兆瓦正式完工发运,即将进入工程应用阶段,标志着我国在重型燃气轮机领域完成了从“0”到“1”的突破。 四川省副省长罗强宣布:“国内首台自主研制的F级50兆瓦重型燃气轮机完工发运。”东方电气总经理、党组副书记徐鹏,四川省政府副秘书长刘全胜、省经信厅厅长翟刚、省科学技术厅厅长吴群刚,德阳市委书记李文清,中国华电四川分公司党委书记、董事长王文德等领导和嘉宾共同见证了这一重要时刻。 ▲国内首台自主研制的F级50兆瓦重型燃气轮机整装待发 重型燃气轮机是发电和驱动领域的核心设备,被誉为装备制造业“皇冠上的明珠”。它是一个国家科技水平和综合国力的重要象征,也是发达国家实施严格技术封锁的关键设备。2009年,东方电气汇聚优势资源、组建科研团队,联合产业链上中下游近百家单位,率先在国内开展具有完全自主知识产权的F级50兆瓦重型燃气轮机研制。 链接 2009年-2022年,东方电气13年的自主研发历程: ● 2009年,开始50兆瓦重型燃气轮机自主研发。 ● 2013年,完成总体结构设计。 ● 2016年,建成国内首批压气机、燃烧器、透平部件级试验台。 ● 2018年,压气机、燃烧器相继研制成功,同年建成目前国内最大功率的燃气轮机整机试验台。 ● 2019年,整机透平叶片精密铸造、加工完成,实现全部高温部件的100%自主制造。2019年9月,东方电气F级50兆瓦重型燃气轮机整机点火试验一次成功,获得国家能源局第一批创新发展示范项目。 ● 2020年,东方电气F级50兆瓦重型燃气轮机首次运行至100%负荷,获评“2020年度央企十大国之重器”。 ● 2021年,获批国家能源局首台(套)重大技术装备项目。 ● 2022年,实现满负荷连续运行24+72小时,标志着该型号燃气轮机完整具备了商业化条件。 ● 2022年11月25日,东方电气完全自主知识产权的F级50兆瓦重型燃气轮机正式发运,打通了自主燃机从攻关走向应用的“最后一公里”,即将开启中国自主燃气轮机产业高质量发展的新篇章。 从“0”到“1”,把这些关键核心技术掌握在自己手中: ● 建立了完整可靠的F级燃气轮机气动设计、结构设计和可靠性评估体系。 ● 攻克了F级燃气轮机高温部件燃烧器制造、透平叶片精密铸造的难题。 ● 建成了国内首批压气机、燃烧器、透平、转子动平衡等部件级试验平台和整机试验平台。 ● 构建了试验验证体系,完成F级50兆瓦燃气轮机全部验证试验。