超导材料最新研究进展
图为“费米面”与半满水瓶中的水表面对比。中青报·中青网记者 王烨捷/摄
\n图为贾金锋院士在实验室工作。受访者供图
\n近日,上海交通大学贾金锋、郑浩团队的“实验证实超导态‘分段费米面’”科研成果入选2022年度“中国科学十大进展”。这项听起来晦涩难懂的成果,是基础科研领域一项重大进展。
\n中国科学院院士、上海交通大学物理与天文学院教授贾金锋介绍,团队2012年制备出了“拓扑绝缘体/超导体异质结”,证明了该体系为拓扑超导,并在其中观察到了人们长期追求的马约拉纳零能模。这次的成果是在该体系中发现的新现象,是对该体系持续不断研究的一种回报。
\n研究团队在超导材料中实验并证明了“分段费米面”的存在,这种碎片化的费米面,能使得原本只能“零电阻双向导电”的超导材料具备“零电阻单向导电”的特性,这种超导材料有望被用来制作“超导二极管”,并应用于科学界遐想已久的“超导计算机”。
\n令人无限遐想的“超导计算机”
\n在不少人看来,“超导计算机”是最令人遐想的一件好东西。计算机从最早使用真空二极管到后来使用半导体二极管,经历了两次大革命。但如果能用超级擅长导电但又不发热的超导体来给计算机导电,那“发热”的问题就能迎刃而解。
\n人们日常使用的手机、电脑,用得时间长了就会产生发热的问题。这种发热,不仅会使得电器设备容易产生故障、减损使用寿命,还会浪费电。之所以会产生这种发热,主要是因为手机、电脑等使用的普通导体有电阻,因此在导电的同时会发热。曾有科学家把一个生鸡蛋敲碎了放在一台大型电脑的CPU主机板上做实验,这种因普通导体带来的“发热”甚至可以把鸡蛋煎熟变成荷包蛋。
\n“发热”在计算机领域着实是件麻烦事:普通家用的计算机装个小风机能勉强解决一些问题。但到了大型超级计算机那里,发热就成了大问题。为了节能,世界各国都把大型计算机数据中心建在天气凉爽的地方,比如我国就采取了“东数西算”的办法,把大型计算机中心都放在西部,因为那里夏天气温低。不仅在计算机领域,高压输电线供电领域,也同样适用。我国现在用的高压输电线都是普通导体,电从发电厂传输到个人用户家里的过程中,一部分电能因为导线发热被浪费掉了,如果换成超导输电,能够节省大量的能源。
\n超导现象在1911年被发现,科学家发现,超导体不仅可以做到“零电阻导电”,还不会产生一丁点的热量。好几代物理学家前赴后继地针对超导体进行研究,产生了大量的重要学术成果,这些针对超导体的研究仅诺贝尔奖就得过5次之多。
\n也因此,“超导计算机”成为科学界研究的一个高地,也是各国物理学家的“必争之地”。不过制备超导计算机,一个不确定的因素是——能否把“零电阻双向导电”的超导材料,变成“零电阻单向导电”?如果不能,那对它的一切遐想和努力,基本都会付诸东流。
\n超导体中能否产生“费米面”
\n1965年,德国物理学家Peter Fulde曾做过一个理论语言:如果让超导体中的库伯对动起来,增加其动量,就能导致库伯对破裂,进而在超导体中产生出一种特殊的“分段费米面”。这种费米面,能使得超导体实现“单向零电阻导电”。
\n然而,这仅仅是一个理论预言,58年来从未有实验验证过它的可能性。尽管科学家早已认识到这种猜测的重要性,但没人能证实它的准确性。
\n“费米面”是凝聚态物理学中的一个专用词,它是倒易空间中的表面,在零摄氏度下将占据电子态与未占据电子态分开。形象地说,它就像是装在矿泉水瓶中的水的那一层“表面”。普通导体,都具有费米面。而超导体虽然零电阻导电,但却没有费米面。因为超导体中承担导电任务的不是单个电子,而是两个电子组成的库伯对。
\nPeter Fulde预言的超导体中的“分段费米面”,其实就是一种碎片化的费米面,不如普通导体中的费米面完整,却能带给超导体珍贵的“单向零电阻导电”特性。实现“分段费米面”在实验上十分困难,虽然一直有人尝试,但未能取得突破。
\n贾金锋、郑浩团队与麻省理工学院傅亮团队合作,设计制备了拓扑绝缘体/超导体(Bi2Te3/NbSe2)异质结体系,借助超导近邻效应在Bi2Te3中诱导出超导,得益于Bi2Te3拓扑表面态的费米速度极高的独特优势,只需要很小的库伯对速度,就实现并观察到了预言中的“分段费米面”。
\n他们的研究表明,拥有“分段费米面”的超导体,可以实现正向零电阻导电,反向非零电阻导电的独特现象(约瑟夫森二极管效应),可以用来构建超导计算机,实现无能耗的高效计算。另外,还可以为有限动量超导、库伯对密度波等很多具有重要物理学理论研究价值的课题,提供关键的研究载体。
\n把“异想天开”变成“可能”需要时间
\n贾金锋告诉记者,这项成果的诞生,与上海交大多年来对基础科研工作长期、稳定的支持分不开,“我从进入上海交大工作开始,就一直在做这个体系的研究,我带的学生亦是如此。如果没有学校长期、稳定的支持,我们做不到这些。”
\n基础研究是科技创新源头,在推动国民经济发展、解决“卡脖子”问题,在国际竞争中争取话语权等方面发挥了重要作用。中青报·中青网记者注意到,包括物理学科等在内的基础研究领域,上海交大开辟了一个“基础研究特区”。这个特区给了科学家,尤其是像郑浩这样的青年科学家充足的时间“折腾”。
\n这里的“基础研究特区”,有实实在在的经费和评价制度来支撑。
\n上海交大科研院院长曾小勤介绍,基础研究特区的专项经费有2亿元,其中1亿元来自上海交大,1亿元来自上海市科委的支持。这项计划把科学家们的研究分为A、B、C三大类。其中A、B类为国家级重大基础科研项目,资助经费为500万元以上;C类为青年探索基金,鼓励35岁以下青年教师做一些有可能不产出成果、但意义重大的“高风险项目”,资助经费为50万元。
\n至于一个项目是否值得学校对其进行“投资”,则由该领域院士作为“项目专员”,邀请国内外同行专家进行评议。“考虑到学者们不擅长申报、汇报,这会占用他们很多时间,我们评审一次,就会提供长期、稳定的支持。”曾小勤介绍,以C类青年探索项目为例,申报者实际上只需要提供一份1000字左右的项目内容说明即可,“不看你写过多少论文,主要靠同行专家、项目专员评议,看你的研究内容是否真的要解决一些基础研究领域前沿的、有突破性的问题。”
\n据悉,目前上海交大的“基础研究特区”计划已经支持了6个B类项目和19个C类项目。“这些项目没有中期评估,经费采取包干制。结项评价以同行评价、代表作评价为主,过程管理相对简单。”曾小勤说。
\n郑浩告诉记者,在物理研究领域,这种长期、稳定的支持尤为重要,“我们物理学家喜欢透过现象看本质,也喜欢把不可能变成可能。比如要让超导材料拥有费米面,原本就是一个异想天开的事情。要证明它可行,需要时间。”
\n中青报·中青网记者 王烨捷 来源:中国青年报
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毕食乐4934能否介绍一下超导技术的现状 -
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毕食乐4934如今常温超导技术的发展进展如何? -
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