专题：2024年CC讲坛

　　由北京君和改动公益基金会、中国科学院大学学友会长入主持，主题为“和而不同，念念想无界”的CC讲坛第62期演讲2024年10月26日在中国科学院大学（北京玉泉路校区）会堂举行。中国科学院物理策划所策划员郭建刚出席，并以《见微知类，超导材料策划范畴的传承者》为题发饰演讲。

　　以下为演讲实录：

　　绝顶欢腾有契机约略再回到中国科学院大学会堂，本体上我前次来会堂，照旧我博士毕业的时候，是2011年的7月份，那么经过了十三年后回到这里，给群众报告一下，在这十三年当中我作念的对于超导材料的一些策划的认知。

　　什么是超导材料？我们要从最早的东说念主类对高性能材料探索的历史上开动。

　　我们知说念在邃古时期，东说念主们用的是骨器、木器，那么跟着骨器和木器渐渐弗成适合东说念主们对生流水平的发展需求，渐渐材料就冉冉分为了两大类，一个即是金属材料，金属材料从最早时期的青铜器，一直发展到了青铜剑，青铜期间夙昔之后就到了铁器期间，发展于今，当代金属材料主要分为两大类，一类是功能性的，还有即是结构材料；

　　第二大类即是陶瓷，陶瓷的这样的一个时间，陶瓷时间我们在博物馆也会看到许多，之后又到唐三彩，还有青花瓷，是吧？

　　那么到刻下，它渐渐发展成当代陶瓷，亦然分为两大类，一类是功能性，还有即是结构性。

　　还要给群众先容一个，即是最近一百多年来的一种新材料——半导体材料。

　　半导体材料是处于金属和陶瓷之间的一种性质，它的导电性质处于两者之间，那么最具有代表性的即是硅、碳化硅和金刚石。 从1947年运用硅锗作念出这种肤浅的晶体管之后，半导体工业渐渐插足到东说念主类的生涯当中，对我们刻下的东说念主类生涯带来了极大的变革，包括我们所使用的电脑手机等等都离不开半导体。

　　跟着第一代半导体渐渐过渡到第二代，包括砷化镓和磷化铟等等，主淌若用在光通信的一些方面。那么刻下也发展到了第三代，即是碳化硅、氮化镓的这样半导体。那么正因为这样的一个半导体新的一些体系的出现，对于我们刻下在集成电路，包括工业电源，致使这种新动力汽车上头照旧具有绝顶大的一些应用的场景的。

　　那么超导材料，是在上世纪1911年所发现的一种材料，它是一部分金属，一部分陶瓷，一部分半导体，经过改性之后，能展现出来的一个新物性。

　　那么什么是超导材料的呢？即是电阻跟着温度的裁减，这个材料如果是正常的金属，它老是有一定的电阻的，然则超导材料，渐渐降温的时候，它在某一个温度之下，它电阻皆备为零了，莫得电阻了，这是1911年所发现的在金属汞当中的一种这个超导效应，很快1913年发现超导效应的荷兰科学家就获取了诺贝尔物理学奖。

　　之后1933年又发现了，本体上超导材料它还有一个特质“皆备抗磁性”。在莫得插足超导态的时候，一个磁场它是约略穿过这个物资的，然则插足超导态之后，它就能把磁体皆备铲除到物资外边，这即是一个抗磁性。

　　那么我们不禁要问，为什么会出现超导？这个问题本体上在1957年的时候，好意思国的三位科学家就得出了一个很经典的解释，即是两个电子在穿过一种材料的时候，它会形成材料当中局部的微区发生了一个电荷的畸变，导致一个正电荷畸变，它就会把再过来的一个电子，约略把它给不断到一块，形成一个超导电子对。我们知说念两个电子是相互放弃的，然则在这样的一种材料当中，它两个电子是约略凝结到一块，形成一个超导电子对的。

　　然则这里给出了一个最遑急的引申，我们一定要精明。超导说的临界温度是低于39K的，这是一个绝顶遑急的目的。

　　刻下超导材料的应用口舌常平庸的，不管是在科学策划、医疗，还有动力工业等等方面都有许多的用处。

　　它主要应用的两个最经典的场所，一个即是超导线材，在电力传输方面，因为它莫得电阻，它就不再发烧了，它不发烧之后，我们的在电流传输历程中，它热损耗就降得很低；另外一个它能产生一个很大的磁场，因为它约略通过很大的电流不产生热，那么凭据我们初高中学的洛伦兹定律，电开通过的时候，它会产生一个强磁场；那么还有一个天下科技竞争的前沿，即是超导量子贪图，收场超导超导量子贪图，它约略措置我们刻下所用的电脑方面逻辑运算所弗成收场的功能。

　　那么什么样的材料是一个好的超导材料？有三个目的，一个即是它温度要高，尽量约略到室温，天然刻下还莫得室温，通盘已发现的超导材料的温度都是连接在绝顶低的温度区域，（我这里说的K和这我们坚毅的℃是有不同，它有个换算的公式）基本上聚焦在10K到100K之间，我们把高于39K的超导材料，就叫高温超导材料，它仅仅低温中相对的高温；

　　第二个目的即是它具有一个绝顶强的磁场，它一般来说临界磁场苟简是在10~100个特斯拉傍边。我们知说念本体上在地球散播有磁场的，然则磁场口舌常弱的，一般在几个微特斯拉傍边；

　　第三个目的即是它临界电流密度要高，即是说约略承载通过的大电流值很高，这个临界值苟简在105~6A/cm2。

　　有了这样的目的，我们就对照着去找一找，看刻下有哪些已知超导材料，苟简是分为四类，一个就口舌通惯例的低温超导材料，它最高的温度即是39K，和我们刚才所讲的目的是皆备适合，它不可能超越39K；

　　那么其他三个经典的体系，一个是铜基超导体，它最高的温度是163K也即是苟简在零下110℃傍边；

　　第二个先容的体系即是铁基超导体系，它刻下的最高的温度是在77K；

　　第三个是镍基超导体系，它刻下的温度也能达到85K傍边。

　　在这内部要先容一下77K为什么遑急？因为77K本体上是液氮产生的温度，我们知说念在空气当中有无数的氮气，如果一个材料约略在77K的时候变成超导，电阻皆备隐藏，又能产生很强的磁场，这样在东说念主类应用的历程中价钱绝顶低廉的，然则很厄运的是，经过一百多年的策划，刻下惟有这三类体系，它的超导临界温度高过了77K。

　　我个东说念主也绝顶有幸参与到了后边这两个体系当中，在博士期间一直到刻下所作念的主要的两个体系。

　　刻下超导策划即是三个地方，一个是找材料，找到一些更高温的，致使到室温的超导材料；第二就次第略为什么会出现超导，这个亦然刻下凝合态物理学家主要存眷的一个最大的科常识题；第三个即是超导的应用。

　　我个东说念主主要策划地方是在第一方面，探索一些新的体系，约略把超导临界温度尽量普及，让群众约略在一些更低廉或者是更好的场所应用上超导材料。

　　一个体系即是铁基超导体系。我们刚才说了超导是具有抗磁性的，出现一个磁场之后，约略把磁性皆备排出去，然则你如果外界给它加一个强磁场的话，它口舌常容易碎裂超导的。发现铁基超导体的难度口舌常大的，为什么？因为铁自身即是有强磁性的，我们尽量要找一些不含磁性的材料来合成一些新体系，它就绝顶容易了。

　　然则铁基超导体发现的难度这样大，前边的科学家经过了从1911年致使到2008年，很难找到这样的一个体系。突破出刻下2008年，东京工业大学的细野秀雄敦厚，是我在日本作念博士后期间所跟的导师，他在2008年2月份报说念了一个材料，里边含有无数的铁，况且超导临界温度还绝顶高，那时引起了超导界的绝顶雄壮的关注，于是在2008年的2月份到5月份，本体上是一个绝顶放纵的春天。

　　我是2008年9月份到物理所念博士，我去的时候敦厚说我们也作念一些铁基超导，我说铁基超导基本上要被作念结束，我们作念一些什么样的东西呢？其后我跟我们课题组的敦厚仔细推敲了一些，望望是不是有其他的可能性。

　　我们聚焦到了这样一个二元化合物，即是铁硒。我们那时从三个方面推敲这个问题，那时作念的是一个铁、砷的，砷即是我们日常所见的砒霜，毒性也绝顶大，是以我们也不太想作念阿谁东西，然则价态它是-3价的，硒Se它是-2价的，这里边带来了一个最遑急的问题，即是说这里铁是+2价，硒是-2价，那么合座是一个层状的材料，就像我们翻书雷同，它是一页一页，一页和一页之间，它们的作用力口舌常弱的，是一个电中性的，第二个推敲即是，我们能弗成在层间给它放进去一些其他的东西，包括一些离子或者一些分子，能弗成探索出一些新的体系？

　　第三个即是从电子浓度推敲，望望电子的浓度够不够多。一般合计一个材料当中的电子浓度越大，它 TC（临界温度）是越高的。

　　那时我们推敲之后，就运用这种在层间放进去一个离子的形势，就合成出了一个新的体系，即是钾、铁、硒三元体系，这个体系的超导临界温度在我看来是蛮高的，本体上它仅仅在30K傍边，亦然突破了那时通盘铁硒基超导材料的最高的，在常压下的一个温度记载。

　　我们把一个大的碱金属——钾离子（钾离子的半径很大），放到这个层间之后，它很容易就呆在那里了，因为钾跟这个层间有些相互作用了。那么我们再推敲如果离子半径很小的东西，能弗成也把它放到层间？

　　谜底是不行的，因为我们无数的推行来解说，锂离子（锂离子半径是通盘元素周期表当中最小的）放进去之后，它很容易就跑出去，包括钠离子，还有其他小尺寸的，它待不住。

　　那么这时候我们就望望，能弗成有新的推行技能，我们就把锂离子和一些其他的有机分子绑到一块，一说念让它进去？

　　临了通过这种校正的推行程序，我们确乎，除了钾除外，我们不错看到锂、钠、钙、铷、铯，许多的元素都约略放到铁硒层的层间，就把TC（临界温度）最高拓展到了46K，它仍是超越了那时得诺贝尔奖那三位科学家预言的最高温度记载39K，这个体系那时亦然在超导范畴一个比拟大的突破。

　　本体上经过这样多年的发展，本体上那时铁砷基的超导，我刚才说了三个月时辰，全天下科学家都作念结束，那么我们基于我们对晶体结构的一些潜入念念考，临了经过这样多年，发展出来一个铁硒基的体系，这个体系最遑急的小数，它突破了“麦克米兰极限”的温度，即是39K；第二个，它这里边的超导机理和超导铁砷是皆备不雷同的，我们也把它发展成了一个新的超导家眷。

　　以上职责亦然入选了好意思国的物理学会的《Physical Review B》创刊50周年的里程碑的一个论文，入选比例苟简是0.03%傍边，这篇职责亦然唯独一个由我们中国科学院科学家完成的职责。

　　基于这个职责，我们在2020年也获取了“国度天然科学二等奖”奖项。

　　再给群众先容一个新的体系——镍基氧化物的体系，这个故事要从哪来？照旧要从铜基上来，刚才说了铜基的超导体的温度是最高，163K。铜基能展现出什么样的物性，我们就照它来，是吧？

　　是以我们就找了跟铜在化学元素周期表上挨得最近的镍，跟它比拟。那么从这个价态，还有外壳层的这种电子散播来看，它们两个口舌常具有相似性的。

　　然则在2004年的时候，好意思国科学家他们作念了一篇表面的职责，绝顶闻名的科学家，他们经过表面贪图，即是说镍的+1价，它固然看起来外形和铜+2价离子，不管构型，不管是电荷排布口舌常雷同的，然则它是皆备内在的机理是皆备不雷同的。

　　那时我们看到这个著作之后，又作念了许多推行，对于镍基的推行作念了许多，然则很厄运都莫得告捷，从铜基被发现，一直到刻下经过了差未几四十年的时辰，就莫得收场一个镍基超导。

　　我们那时也推敲了一个最大的问题可能是什么？惯例的一种程序即是我们肤浅的想合成一下，肤浅的想掺杂一些，调控一下，是弗成告捷的，这种均衡态的调控不行。

　　均衡态是不行的，我们就尝试着看能弗成用一些比拟奇奇怪怪的推行程序。

　　这种非均衡态的程序本体上有两种，一种即是你合成出这个材料之后，你要拉一拉它，是吧？你幽微地拉一拉它，以便使它电子云产生了重构；第二个就用力地压一压它，有很高的压力，压一压它，产生一个几万大气压的这样一个环境，看能弗成产生一些新物性。

　　绝顶有酷好的一个职责，即是化学式，稍稍复杂小数，然则本体上它是从n等于1，一直到无限，它口舌常复杂的一个体系，那时是我们中山大学的王猛敦厚，他们是聚焦在 N等于2，这样的一个所谓的， La3Ni2O7这样一个体系。

　　他们那时聚焦在这个体系当中，他们也在用高压的程序，把压力加到了很大之后，不错看到在绝顶高的温度，苟简是在78K，我们刚才说了，如果约略在77K以上的一个超体，口舌常有难度的，然则他们这个体系不错看到，在78K的时候，它电阻发生了绝顶剧烈的下落。

　　这个职责那时新出现之后，引起了国表里雄壮的反响，终于用一种非均衡态的程序，中国的科学家得到了一个镍基超导体。然则有小数缺憾的即是，它电阻莫得到0，我们刚才说的，零电阻是一个超导所必须的效应。

　　我们所作念的一个职责，我们聚焦在了 N等于3，三层这样一个体系，为什么会作念三层，照旧从铜基来的？

　　即是三层的时候，铜基超导TC（临界温度）是最高的，我们就作念了个第三层的，我们也要看一下加高压之后有莫得超导？

　　那么绝顶有酷好的，我们确乎在高压下也看到了超导，这是我跟我们复旦大学的赵俊敦厚一说念调解的一篇著作，还有北京高压科学中心的曾敦厚。

　　在这内部我们就找到了 N等于三，第三层的这样的新超导体，然则很厄运的是，我们这个超导体临界温度与铜基正巧相背，我们一直往下走，然则铜基是往上走，这个口舌常有点缺憾的小数。

　　本年还有一篇职责亦然来自于中科院物理所周睿敦厚和程金光敦厚，他们最近通过掺杂小数元素之后再加压，亦然发现绝顶有酷好，把临界温度约略进一步普及到了82.5K，零电阻的温度也苟简是在60K傍边。

　　我们的职责和他的职责都发现了超导的另外一个特征，即是具有绝顶好的抗磁性。

　　从以上这三篇职责就确乎解说了镍基超导，它完皆备全即是一个绝顶规的、一个绝顶有酷好的高温超导体。

　　从本体上对超导材料的追求历史来看，从上世纪的八十年代一直到2010年傍边，铜基超导体的出现和铁基超导体的出现，极地面推进了中国科学家在超导材料探索范畴的海外地位，在国内我们知说念铁基超导和铜基超导，辞别在1987年和2013年获取了“国度天然科学一等奖”两项，同期“国度天然科学二等奖”数目大于六项的，也收场了中国超导策划辞天下范畴边界内从跟跑冉冉到并跑，最近这几年我们中国科学家，尤其是我们中国科学院物理策划新的一代，发现了这种在镍基超导体系，这就意味着中国的科学家，我们在超导探索范畴，刻下仍是走到了天下的前线。

　　在2008年《Science》有篇社论，“新超导策划是把中国科学推到了天下超导策划，致使天下科学策划的前线”。

　　超导材料刻下仍是约略被制备成绝顶好的线材、带材有了一些初步的应用。超导材料应用于全超导的托卡马克装配，被称为“东说念主造太阳”，主要运用超导材料绕成一个磁体之后，它能通过承载更大的电流，它约略产生很强的磁场，将电子皆备敛迹到一个绝顶小的环里，进行全速通顺，产生碰撞而产生一个核聚变；

　　第二个即是全超导的磁悬浮，它有一个抗磁性，约略将一个一个物体约略托起来，仍是研制出来的超导的磁悬浮的列车；

　　第三个即是电力运载方面，刚才说了，它是莫得电阻的，那么在运载历程中它不错产生很大的电流，然则它又莫得热，上海仍是开看成念了好多年的示范的工程。

　　更远的一个猜测，我们知说念从石器期间、青铜期间、铁器期间，再到钢铁期间，到了上世纪五十年代的硅基的半导体期间，一直拓展到刻下，我们是不是约略鄙人一步，插足超导或者量子的这样的一个期间？

　　我们知说念超导体它是极限材料，它们既是一种动力材料，我刚才说了这种托克马克磁悬浮，亦然一种信息材料，包括量子贪图机，还有超导二极管的等等，他们在科学策划和工程方面有绝顶平庸的应用，也被合计，超导材料约略撑抓我们下一代东说念主类端淑的快速发展。

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