想象一下,如果我们的手机可以充电一次,使用数月;如果我们的电网可以实现“零损耗”输电,再也不会有电能浪费;如果我们可以建造出超导磁悬浮列车,速度比飞机还快,而且没有噪音、没有污染……这些看似遥不可及的场景,都离不开一项关键的物理技术——常温超导。
超导,即超导电性,指的是某些物质在特定条件下,电阻突然变为零,并且具有完全抗磁性的现象。1911年,荷兰物理学家昂内斯在研究汞的电阻时发现,当汞被冷却到-268.95℃(接近绝对零度)时,它的电阻突然消失,这是人类第一次发现超导现象。此后,物理学家们又发现了更多的超导材料,但这些材料都有一个共同的缺点——需要在极低的温度下才能实现超导,这使得超导技术的应用受到了极大的限制。
我们知道,电阻是电流通过导体时产生的阻碍作用,电阻的存在会导致电能转化为热能,造成电能的浪费。比如,我们日常使用的电线,都会有一定的电阻,电网输电过程中,会有大量的电能因为电阻而损耗;我们的手机电池,也会因为电阻而发热,不仅浪费电能,还会影响电池的寿命。而超导材料的电阻为零,电流通过时不会产生任何损耗,这意味着,只要实现常温超导,我们就可以实现“无损耗用电”,彻底改变人类的能源利用方式。
长期以来,实现常温超导,一直是物理学家们追求的目标。因为只有在常温下(通常指室温,即20-30℃)实现超导,超导技术才能真正走进我们的日常生活,广泛应用于能源、交通、医疗、电子等各个领域。为了实现这个目标,物理学家们不断探索,寻找新的超导材料,优化超导条件。
2023年,超导领域迎来了一场“轩然大波”——美国罗切斯特大学的物理学家迪亚斯团队宣布,他们发现了一种新型超导材料,在101千帕(标准大气压)下,温度达到21℃时,依然能实现超导。这一消息一经公布,立刻引起了全球物理学界的关注,因为这意味着,人类距离实现常温超导,似乎又近了一步。
迪亚斯团队发现的超导材料,是一种由镥、氮、氢组成的化合物,他们通过高压合成的方式,将这种材料制备出来,并在实验中观测到了超导现象。不过,这一实验结果,也受到了很多物理学家的质疑——因为此前,迪亚斯团队曾在2020年宣布发现了室温超导材料,但后来被证实实验数据存在问题,因此这一次的实验结果,也需要更多的实验室进行重复验证,才能确认其真实性。
除了迪亚斯团队的研究,近年来,物理学家们在常温超导领域也取得了一系列的进展。比如,中国科学家团队在高压条件下,实现了氢化镧在-23℃的超导现象;美国科学家团队则在高压下,实现了氢化钇在-11℃的超导现象。虽然这些超导材料依然需要在高压条件下才能实现超导,但已经距离常温常压超导越来越近。
或许有人会问,常温超导真的能实现吗?如果实现了,会给我们的生活带来哪些改变?首先,在能源领域,常温超导可以实现电网的无损耗输电,大大提高电能的利用率,减少能源浪费;其次,在交通领域,超导磁悬浮列车可以实现更高的速度,而且没有噪音、没有污染,彻底改变人类的出行方式;在医疗领域,超导磁共振成像(MRI)设备可以变得更加小型化、低成本,让更多人能够享受到先进的医疗服务;在电子领域,超导芯片可以实现更快的运算速度,推动人工智能、量子计算等领域的发展。
不过,我们也需要清醒地认识到,实现常温常压超导,依然面临着巨大的挑战。目前,已经发现的常温超导材料,要么需要在高压条件下才能实现超导,要么实验结果无法被重复验证,想要找到一种在常温常压下稳定存在的超导材料,还需要物理学家们付出更多的努力。
从1911年第一次发现超导现象,到如今对常温超导的探索,人类已经走过了100多年的历程。在这100多年里,物理学家们不断突破,不断创新,一步步向常温超导的目标迈进。或许在不久的将来,随着技术的进步,我们终将实现常温超导,让“无损耗用电”成为现实,彻底改变人类的文明进程。