但WE大会上的超导量子悬浮技术唯一的亮点就是该材料的超导温度只需零下100℃,没错,是只需!要知道以前可是绝对零度下才可以实现的。而-100℃什么概念?在-100℃,钢铁一掰就断了、断了、了。可想而知该材料在现实生活中的实用性几乎为0。

发现电和磁之间的小秘密,需要一点点童话般的幻想,加上细致入微的观察,还有大量的实验验证。19世纪的一个丹麦人,他符合上述所有条件。喔,您别想多了,他不是安徒生。确实,我们伟大的童话大王,安徒生先生,创作了《卖火柴的小女孩》、《丑小鸭》、《海的女儿》等着名的童话故事。他还写了更多不那么出名的童话,《两兄弟》就是其一,人物原型是他的一位好基友。话说,这位朋友整整比安徒生大了28岁,是他报考哥本哈根大学的主考官,也算是老师了。或许是暗恋老师的小女儿的缘故,安徒生每年圣诞节都喜欢往老师家里跑,一起吟诗作乐,顺便聊聊科学[1]。也许是受到了安徒生这位文艺青年的感染,这位普通的物理系老师依靠他童话般的想象力,发现了一件极其不平凡的事情。某一次物理实验课,一切似乎都是老样子,连电路,打开关,讲课,断电,收工。然而不经意间,一个小磁针放在了电路旁边,又是不经意间,他注意到开关电一瞬间,小磁针都会摆动几下。就像童话世界里用魔法棒隔空操控磁针一样,电就是那根神奇的法杖,万分激动的这位仁兄差点摔到讲台下面去。之后,这位40多岁的普通物理教师,在实验室里愣是乐此不彼地玩了三个月的电路和小磁针,宣布发现了电和磁的魔法奥妙——运动的电荷可以让静止的磁针动起来(图1)。1820年7月21日,一篇题为《论磁针的电流撞击实验》的4页短论文发表,署名汉斯·奥斯特,这位安徒生的老师兼好友,一举成名。原来,同时期的许多物理学家都在研究静电和静磁之间的联系,但是静电和磁针之间总是过于冷淡,啥作用都不发生,也无法相互转换。奥斯特的发现,关键在于突破思维框架,在运动的电荷里寻找和磁的相互作用。电和磁之间的小秘密,终于被人们发现。奥斯特这个名字,后来于1934年被命名为磁场强度的单位,简写为Oe,沿用至今。

为什么中国科学家能够如此迅速反应,并在短时间内推进对铁基超导材料的探索?原因有很多,特别是“高温超导机制研究态势评估研讨会”上造成的焦虑情绪不可忽略——中国科学家急迫想以自己的行动证明高温超导研究还没有走入“死胡同”。事实上,高温超导多年来的“冷板凳”造就了一群不怕苦不怕累的中国研究团队,也积累了非常丰富的超导研究经验,敏锐的辨别科技前沿能力和敢于突破的尝试勇气更是成功的要诀。正如西野秀雄注意到德国 W. Jeitschko研究组在 LnOFeAs(Ln=La, Ce, Pr, Nd,Sm, Gd,…)体系的研究工作一样 ,中国科学家同样注意到西野秀雄在 2006年和 2008年两篇铁基超 导 论 文 中 的 几 篇 引 文 。 既 然LaO1-xFxFeAs 存在 26 K 超导,那么La换成其他稀土元素,当然也有希望超导。只是,在铜氧化物研究的多年经验告诉我们,稀土元素替换对临界温度几乎没有影响,例如著名的 YBa2Cu3O6+x体系就是如此,Y可 以 换 做 Nd, Sm, Eu,Yb, Gd, Dy, Ho, Tm等,最高临界温度几乎都在 90 K以上。原本中国科学家也未曾意料到这类材料能突破 40 K 的麦克米兰极限,在陈根富等人忙着合成了多个稀土化合物LnO1-xFxFeAs 体系之后,还没来得及测量其超导特性,就着手生长单晶样品去了,到 3月底才意识到竞争的激烈性,熬夜测量发现了它们几乎都有 40 K 以上的超导电性。

I deeply regret the House decision, but we see no prospect of reversing it. Accordingly, we have begun the process of an orderly termination of this project. The department will work with the State of Texas as it moves to terminate the project. Over the next months we will study the feasibility of other uses for the assets of the project. The department will also work with the scientific community as we search for ways to ensure the continued progress of research in high energy physics in the absence of the SSC.

美国对撞机总部在对撞机项目停建后派来了几个代表团商讨有关收尾工作,中方介绍和提供了各个合作项目的具体情况和发生的费用清单,他们还访问了北京、西安、上海等地的有关单位,最后美方向我们提供了补偿费用,我国参与过合作的各有关单位得到了相应的补偿份额。

以上内容,是所谓的传统超导体的机理,如何读到这里感觉自己已经懂了,就请给自己点十二个赞吧。不过从上世纪八十年代后期开始,新型的高温超导体被发现并得到了一系列研究,成为了人们关注的一个重点。对于高温超导体的配对机制,人们正在探索着,而可以确定的一点是,高温超导中依然是存在配对的。

图5. 注氢铁基超导实验原理、结果及主要研究人员:崔祎、于浦、于伟强等(于伟强提供)。

磁是如何生电的?关键还是三个字:动起来。既然运动的电荷会产生磁作用力,那么运动的磁铁也会产生电流。法拉第用磁铁穿过安培发明的金属螺线管,发现磁铁在进入和离开线圈时会产生电流,也发现在两块磁铁间运动的金属棒会产生电压(图4)。法拉第把磁产生电的现象叫做电磁感应,后来美国的亨利研究了感应电流的大小与磁强度之间的关系。俄国的楞次总结出了电磁感应的规律,也就是楞次定律:感应电流的方向与金属棒和磁铁相对运动方向相关。为了更加形象地理解电磁感应现象,法拉第创造性地发明了“磁场”的概念。他认为磁铁周围存在一个看不见摸不着的“力场”,就像一根根的磁力线,从磁北极出发跑到磁南极结束。让金属棒做切割磁力线的运动,就会产生电压或电流,电流方向由磁力线与金属的相对运动方向决定。为了证实磁场的存在,法拉第在各种形状的小磁铁周围撒上了细细的铁屑,清楚地看到了铁屑的密度分布(图5)。力场的概念至今仍然是物理学的最重要理论基础,没有之一。法拉第凭借仔细的实验观察,非常形象具体地解释了电磁感应现象。翻开他的实验记录本,里面几乎找不到一个数学公式,都是一张张精美的手绘实验图表,让人一目了然。正是如此,法拉第的发现非常适合公众演示,他本人也是一个科普达人,组织过无数次科普讲座和演示,并编写了《蜡烛的故事》,成为科普典范,期待着某一个角落里的某一个孩子能够走上和他类似的科学之路。法拉第于1825年接任戴维成为皇家研究所的国家实验室主任,但是他拒绝了皇家会长的提名,也拒绝了高薪等一切会干扰科研工作的东西。为了纪念法拉第的贡献,后人把电容的单位命名为法拉第,简写为F。

2017年1月9日,赵忠贤与屠呦呦荣获国家最高科学技术奖。其中,赵忠贤院士在此之前还因在高温超导领域做出的杰出贡献而获得过两次国家自然科学奖一等奖。那么,究竟什么是超导呢?

通过磁悬浮把像飞碟的音响悬浮起来,在解决了传输、充电、声音共振还有磁场对音乐效果影响等一系列问题之后的这么个产品。

据神话传说,泰坦十二神的伊阿佩托斯与海洋女仙克吕墨涅生下了普罗米修斯。这位号称“深谋远虑”的古希腊神仙,估计是一位雕塑艺术家,因为他的杰作就是用黏土做“山寨神仙”——人类。后来智慧女神雅典娜赋予了人类智慧和灵魂,希望他们能和神灵一起共享这个美丽世界。众神之王宙斯显然不喜欢这个创意,他试图压制人类的发展,其中最狠的一招是不给人类火种。普罗米修斯为了呵护他的创作,给人类盗来了天火(图1)。有了火的人类学会用光明驱赶黑暗,用温暖抵御寒冷,渐渐高出其他动物一等。普罗米修斯为自己的行为付出了惨痛的代价——他被愤怒的宙斯狠狠体罚,绑在了高加索山岩上饱受日晒鹰啄之苦,直到勇猛的赫拉克利斯前来解救他。

翻译一下,马路上这些石头,虽然妨碍单身汪的行走,但却妨碍不了出双入对的情侣。嗯,单身汪表示,受到10000点伤害。

[1]. Y. Cuiet al.,Science Bulletin 63, 11-16(2018)

说到超导悬浮就不得不先说说迈斯纳效应这个概念了。当一个磁体和一个处于超导态的超导体相互靠近时,磁体的磁场会使超导体表面中出现超导电流。此超导电流形成的磁场,在超导体内部,恰好和磁体的磁场大小相等,方向相反。这两个磁场抵消,使超导体内部的磁感应强度为零,B=0,即超导体排斥体内的磁场。简单的说就是当超导体靠近磁体磁场就会变成一块电磁铁,不过方向和磁体相反,成了互相排斥的两个东西,所以超导体就会悬浮起来。

这项特大工程得到了美国三届总统里根(Ronald Wilson Reagan)、布什(George Herbert Walker Bush)和克林顿(Bill Clinton)的支持,是投资未来的前沿科学项目。能源部声称把它作为科研项目的首选,认为超导超级对撞机的建设有利于维持美国在物理研究领域的领导地位。1989年已签订合同18000项,惠及46个州,并为美国提供大量就业机会:1993年提供了8000个工作岗位,1994年9300个岗位。参与合作的美国和世界各国的厂所院校710所,科学家、学者、研究人员逾千人。项目具有巨大的溢出效应,据建在瑞士和法国边境的欧洲核子研究中心(CERN)一项研究表明,在对撞机上每投入一美元将会产生三美元的经济效益。

科学这颗芽,从此萌出土面。让我们翻一下古希腊泰勒斯祖师爷的笔记本,噢不,笔记布(当年还没发明纸)。约在公元前6世纪的某一天,泰勒斯记载了两个很有意思的现象:一是摩擦后的琥珀吸引轻小物体,二是磁石可以吸铁。这是有史以来人们对自然现象的第一次完整的记载,代表着物理学史上的第一个实验观察记录。也就是说,物理学里最古老的一支,是电磁学。如今地球人都知道,琥珀吸引小细屑是因为摩擦起电,磁石吸铁是因为自发磁化,但磁和电究竟从何而来,却也不甚清楚。难怪在古希腊时代,这能当作奇闻妙事记录在册。无论是琥珀吸物,还是磁石吸铁,都像极了母亲张开双臂拥抱她深爱的孩子——如果你带着情感试图去理解这俩物理现象的话。春秋战国时代的华夏先贤,显然比同时期的古希腊哲学家要更懂得科普方式和方法的重要性。面对磁石吸铁这个有趣又难以理解的现象,诸子百家的代表人物管仲先生发明了一个新词汇——“慈石”。他在代表作《管子》写道:“山上有赭者,其下有铁,山上有铅者,其下有银。一曰上有铅者,其下有银,上有丹沙者,其下有金,上有慈石者,其下有铜金,此山之见荣者也。”瞧,咱们自己的祖师爷厉害吧?不仅告诉你怎么找金银铜铁铅矿石,还明确说慈石与铁等矿有关。等等,没写错别字吧?为何是“慈石”?再翻翻其他典籍,你就会发现管老爷子的确没弄错。《山海经•北山经》上道:“西流注于泑泽,期中多慈石。”《鬼谷子》上道:“若慈石之取针。”《吕氏春秋•精通》上道:“慈石召铁,或引之也。”显然,这里说的“慈石召铁”和古希腊人说的磁石吸铁是一码事。说到这里,咱们得扒一扒东汉高诱的解释:“石乃铁之母也。以有慈石,故能引其子;石之不慈也,亦不能引也。”原来石头就是铁的母亲(铁要从矿石中炼出来),要有慈爱的母亲才能吸引其儿女投入怀抱(慈石召铁),而没有慈爱的母亲自然就不能吸引她的儿女了。所谓“慈石”就是“慈爱的母亲石”之意,——这正是“磁”这个字的来源。一个简单的物理现象,只用一个形象的词汇来描述,后来演化成一个字,流传了数千年,凭的是借用了神造人传说中的母爱思维。母爱style的科普,就是这么任性!

长久以来,科学家执着地认为氢单质就有希望实现室温下的超导电性,但条件是极其苛刻的——需要在超高压力下将其金属化,这个压力约等于地球内部压力,在百万个大气压之上!实现如此高的静止压力只有一个办法,就是冒着爆炸的危险,用两块金刚石对顶可劲儿压。虽然有科学家宣称找到了金属氢,然而却在测定其超导电性过程中不慎失手打碎了金刚石[3]。德国科学家也在氢的硫化物中找到了203K的超导电性,但需要在200万个大气压下[4]!如此大得不得了的压力,谈应用前景是几乎不可能的了。

超导,顾名思义,是物质的一种导电能力很强的状态,在超导态下物质的电阻为零。(注意,不是电阻接近零,是电阻就是等于零)人们把处于超导状态的导体称为超导体。

电子掺杂让原本只有5K超导的FeS变成了18K超导,而FeSe0.97S0.03则出现了42.5K的超导,甚至完全不超导的BaFe2As2母体材料,也出现了20K的超导!原本需要进行元素替换的化学掺杂,这里通过“洗澡”方式注入氢离子,也同样实现掺杂后的超导,而且材料的晶体结构并未发生改变[1]。

目前,他们正在和国内的合作者一起,试图在更多的材料里面实现注氢超导,终将在攀登超导研究之峰上,开辟出一条崭新的道路!

[12]. N. Lu et al.,Nature 546, 124–128 (2017).

当然,对超导体来说,温度要足够的低,也就是说,这些单身汪们,得放慢自己的步伐,多多环顾周围,才能有机会找到自己的间意中人。而且,一旦温度升高到一定程度,劳燕分飞的悲剧就会发生。

我的一些理论物理学家朋友指出,高温超导之所以难以理解,核心问题之一就是,物理学的绝大部分计算都是基于微扰展开的方法。只要展开参数足够小,就可以只取微扰展开的最前面几项,使问题得到极大的简化。但是对于铜氧化物高温超导,微扰展开已经被证明是条死路。真的要理解铜氧化物,就必须发展非微扰的计算方法,这是一个巨大的挑战。从这个角度来看,即使双层石墨烯跟铜氧化物很相似,也不见得能立刻带来多大的帮助。如果基础理论没有突破,有一个体系我理解不了,你再给我三个五个类似的体系,我不还是理解不了嘛。——你是不是想起了《三体》里的“智子封锁”?

自从泰勒斯这位科学老祖记录摩擦起电和磁石吸铁这两个物理现象以来,2000多年过去了,人们对电和磁的理解还是极其有限。无论是中国风水先生用罗盘定乾坤,还是哥伦布靠指南针航海发现新大陆,抑或是诺莱特的奇妙人肉电学实验,都是止步于电和磁极其常见的现象认识和利用。甚至到19世纪初期,许多人依然认为电和磁风马牛不相及,电是电,磁是磁,电没法搞出指南针,磁也没法生成闪电。然而,当真如此?如果仔细思考摩擦起电和磁石吸铁两个现象,不难发现它们有一个共同特征:吸引作用。富兰克林认为电之间也存在异种电荷相吸,和磁石的南北极相吸其实一样,所谓阴阳,是为相吸。

利用栅极电压来改变材料中的载流子数量/浓度,并不是什么新的发明。实际上,半导体材料玩的就是这一套。在半导体PN结里,通过偏压控制电流通过或者不通过可以做逻辑电路元件,通过控制电子-空穴对湮灭可以实现LED光学元件[10]。必须注意的是,超导体中的载流子浓度,与半导体相比,可是天壤之别,前者要大7-8个数量级。毫无疑问,载流子浓度越高,参与导电的粒子就越多,导电性才会越好。指挥一支敢死队的方法,不一定适用于千军万马对阵。

当时中国参与和美国超导超级对撞机合作的单位包括中国科学院高能物理研究所、北京正负电子对撞机国家实验室、清华大学、南京大学、宝鸡有色金属加工厂、洛阳铜加工厂以及航空系统的许多厂所院校等等。

The SSC represents not only the culmination of high energy physics research in the twentieth century, but also the cornerstone of continued American international scientific leadership in the century to follow. The SSC is expected to unlock fundamental secrets about the nature of matter and energy.

“我使人类不再能预知死亡,我把盲目的希望放在他们心里。此外,我把火也给了他们。”——古希腊埃斯库罗斯《被缚的普罗米修斯》

一个有趣的事实是,人们还无法预测哪些物质会超导。实际上,许多导电性很好的物质是不会变成超导体的,例如铜,在室温下电阻就很低,但你无论把它的温度降到多低,也从来没有看到它的电阻变成零。反而是一些在室温下导电性不太好的物质,例如水银,也就是汞,在低温下可以变成超导体。目前,在常压下最高的超导转变温度是零下135摄氏度,对应的物质是某种铜氧化物。

日益严重的污水危害环境,渴求相应的污水处理技术。现在,中科院理化技术研究所低温材料及应用超导研究中心成功研制超导磁分离污水处理技术,并已经中试成功。在材料人网的努力下,该项目将于1月6日17点15分登陆央视十套《科技之光》栏目。

“人间的普罗米修斯”用风筝“一鸢渡电”开启了电学研究的新篇章,认识到天地电同源之后,人们对电的兴趣也越来越浓厚,玩的花样也越来越多。玩的最high的一次,当属传教士诺莱特。这位神父为了让教众感受神的力量,特地召集了700余名修道士来巴黎的某教堂玩一次史无前例的电学party。大伙儿手拉手围成一个大圈圈,第一个人抓住莱顿瓶,最后一个人抓住其引线,当摩擦起电盘给莱顿瓶充满电之后瞬间放电,几百人几乎在同一瞬间都被电刺痛双手而跳了起来,在场的皇室贵族和围观的路人甲乙丙们看的无不目瞪口呆。玩的最吓人的一次,当属意大利的伽伐尼。这位仁兄喜欢没事拿刀子解剖各种小动物,有一次拿金属刀片正准备对案板上的半截死青蛙来一个“庖丁解蛙”,一刀子下去,蛙腿居然像活着一样抽搐了几下,吓得他以为青蛙起死回生或是借尸还魂。当时关于电的神奇已经传遍大街小巷,伽伐尼于是跟风声称青蛙腿本来就带有“生物电”,金属刀片的接触导致电的传导,引起了蛙腿抽搐。若干年后生物电的假说被一本叫做《弗兰肯斯坦》(又名《科学怪人》)的科幻小说借鉴,描述了一个疯狂科学家用拼凑的尸体和闪电造出一个奇丑无比的怪物,最后导致家破人亡的故事。电学热潮初期玩的最认真的,当属卡文迪许和库仑。两个人一个出生在英国,一个出生在法国,但都有一个共同的特点——是富二代但绝非酒囊饭袋。卡文迪许从另一个科学伟人——牛顿身上学到了实验物理方法,也思考了他提出的万有引力定律,他认为静电力之间也存在类似引力的平方反比定律,并亲自用两个同心金属球壳做了实验。而库仑则利用他精湛的力学工程技能,改进卡文迪许测量引力的扭秤实验,成功精确测量了静电力,证明了卡文迪许关于平方反比定律的猜想。电学里第一个定律——库仑定律,就这样诞生了(图9)。

[2]. 罗会仟, 周兴江, 神奇的超导, 现代物理知识, 24(02), 30-39 (2012).

中国科学家在超导材料探索上率先确立了铁基超导体属于新一类高温超导家族,在其物理机制研究上同样迅速走在世界前列。具有良好科研环境的中科院物理所最大的特点就在于,随处可见大家在讨论前沿物理问题,如办公室、实验室、楼道里、食堂里、厕所里、球场上等等。据说,在一次工会活动室的牌桌上,他们谈起新近发现的铁基超导体,王楠林提及在西野秀雄的论文里 LaOFeAs电阻存在一个拐折点,但并没有什么物理解释,理论家方忠立刻指出了可能是密度波有序态造成的。两个研究组一拍即合,充分结合实验数据和理论计算,很快就发现这类材料具有多套费米面,因为铁原子的特殊性,极有可能存在自旋密度波序,也就是磁有序态的一种。果不其然,在美国田纳西大学的戴鹏程研究组开展的首个中子散射实验中,就成功发现了 LaO1-xFxFeAs 中的反铁磁有序态 (图 4)。这意味着,铁基材料中的超导,也是来自于对反铁磁母体的载流子掺杂效应。跟铜氧化物高温超导体的物理机制极有可能是一样的!铁基高温超导体,名副其实!

超导超级对撞机用质子束(Positive & Negative Proton)作为粒子对撞。按设计,对撞机建在美国得克萨斯州达拉斯市附近地下直径超过4米的隧道里,深度12至76米,主要设备多在地下50米深处。项目共建造四段加速助推器,第一段长600米,第二段10.8千米,分别为低能和中能助推器,第三段高能助推器10.8千米,真正的实验区在第四段,是最后一段对撞环,周长87.1千米。四段均由电阻磁铁产生巨大磁场,后两段为超导磁铁。上万组超导磁铁产生的强大磁场会控制和聚焦质子流,使其每秒沿环道循环3000次,并能够选择和控制在最合适的时机发生对撞。除了加速装置外,对撞机还有其它许多结构复杂和精密的系统、设施,如大型量能器等。

超导超级对撞机的加速器和探测器技术能够广泛应用于医疗、诊断、癌症治疗等。对撞机的实验和对超导磁体的研究也可以对研发高速列车、磁桨船、超速计算机、新一代测量技术、新一代X光技术、低损耗电力传输、磁能储存系统、环境(土壤)污染检测和处理及最具商业价值的新产品的开发等方面起巨大作用。

【致谢】感谢中国人民大学于伟强教授、清华大学于浦教授、Science Bulletin编辑邹文娟等人对此文的修改和帮助。

核能聚变磁铁部门负责人亚历山德罗·博尼托-奥利娃说,这一超导磁铁无疑是ITER中最重要、最复杂和最意味深远的部分,如果等离子压缩得不够紧密,核聚变是无法实现的。

当时适逢国会中期选举,不少新当选的议员对于超导超级对撞机的重大科学意义并不清楚,许多公众也不了解这个项目的长远价值,加上美国国家审计总署作出过对项目很不利的报告。为此,美国总统克林顿在10月12日写信给众议院,称“超导超级对撞机是美国政府最优先项目”,希望给予支持(参见附录(1)克林顿给国会小组委员会主席贝维尔的信),对撞机的主管单位美国能源部部长奥丽莱(H. R O'Leary)也给国会有关领导去信呼吁给予支持。10月14日,参议院不同意众议院的意见,决定继续支持该项目,并建议1994年为超导超级对撞机项目拨款6.4亿美元。随后在参、众两院代表联席会议上认同了参议院的6.4亿美元拨款方案,再提交审议。但众院再次否决了拨款的议案,并通过停建超导超级对撞机项目的修正案。

据欧洲负责ITER的能源聚变官方网站5月19日报道,日前,全球最复杂的超导磁铁在欧洲制造成功。该磁铁有14米高,9米宽,重达110吨,和一架波音747客机一样重。这个庞然大物是ITER的核心装置之一,也是ITER最终要使用的18个环向磁场圈之一。这些环向磁场最终会产生一个巨大的磁场,能够在1.5亿摄氏度时产生核聚变反应。当电流达到6.8万安时,这些装置将产生11.8特斯拉的磁场,比地球磁场强大约100万倍。这18个环向磁场圈将以产生的巨大磁场压缩等离子,并提高其密度,从而为启动核聚变创造必要条件。

来访的专家们则来自许多美国的重要研究和制造部门,如马丁·马里艾达航天集团、布鲁克海文和橡树岭国家实验室、波士顿大学、芝加哥大学等,他们对所接触和看到的情况赞不绝口,对所参观企业的加工能力和组织管理水平以及工作人员的素质留下深刻印象,并对航空系统打算将航空质量保证体系用于所有和对撞机电磁量能器(GEM)有关项目的制造感到鼓舞(这些体系在上海航空工业公司与麦道公司在麦道飞机制造合作中得到成功应用)。