超导是20世纪最伟大的科学发现之一，目前全世界已有10位科学家凭借超导研究成果共获得5次诺贝尔物理学奖。近日，中科院合肥物质科学研究院固体物理研究所与强磁场科学中心联合科研团队在超高压条件下，首次在一种新的材料——二硫化钼中观测到了超导现象。神奇的超导体是什么，对人类生活有何影响？记者日前深入中科院合肥物质科学研究院，采访了固体物理研究所副研究员迟振华。
神奇的超导现象
时速600公里的磁悬浮列车如果开通，那将意味着什么？从北京到上海只需要两个半小时！ 1月25日，600公里高速磁浮交通系统技术方案在青岛通过专家评审。高速磁浮课题负责人、中车四方股份公司副总工程师丁叁叁介绍，按照计划，今年将研制一节样机，2020年研制出时速600公里的高速磁浮样车，并完成5公里试验线验证。超高速的磁悬浮列车，应用的就是超导技术。
1911年，荷兰莱顿大学的卡末林·昂内斯意外发现：将汞（水银）冷却到4.17K（-268.98℃）时，它的电阻突然降为零。由于这一伟大发现，他获得1913年诺贝尔物理学奖。迟振华介绍，超导是指电流可以毫无阻碍地通过导体，这种超级导体简称超导体。当超导体被冷却到一定温度时，电阻突然消失，即零电阻；同时外磁场的磁力线无法穿透到其内部，即完全抗磁性，物理学上称作迈斯纳效应。普通导体，即使冷却到绝对零度附近也会有残余电阻，在长距离输电过程中会因发热而造成能量损耗。
有专家测算，采用铜或铝导线的输电损耗约为15%，我国每年输电损耗达1000亿度。如果采用超导电缆在超导状态输电，每年节省的电量相当于数十个发电厂的发电量。超导体一旦进入超导态，就如同练就了“金钟罩”“铁布衫”，将其置于普通磁体产生的磁场中时，由于迈斯纳效应，对外部磁力线的排斥作用会达到“悬浮”的效果，此即超导磁悬浮列车的工作原理。
高压之下出奇迹
二硫化钼在90万个标准大气压左右的压力条件下变成超导体，在130～220万个标准大气压（接近地球外核压力）的压力范围内，超导转变临界温度可高达12K（-261.15℃）……
近日，中科院合肥物质科学研究院迟振华等研究人员，在自主搭建的高压综合测试平台上，利用金刚石对顶砧产生的超高压条件，通过低温电阻测量发现了这一秘密，并通过密度泛函理论计算解释了超导出现的微观机制。相关研究成果刊登在国际物理类顶尖期刊《物理评论快报》上。审稿人称赞，“该工作首次在一个新的材料中观测到了超导电性，具有新的物理意义”。
迟振华介绍，在发现新超导体方面，高压扮演着重要角色。元素周期表中最简单的元素氢，在超高压下的单原子金属态被预言是室温超导体。元素周期表中大多数元素在高压下都是超导体，包括人们每天吸入的氧。 2015年，德国科学家发现具有臭鸡蛋气味的硫化氢在高压下也是超导体，临界温度在-70℃左右，接近地球表面极寒地区的温度，是目前报道的最高超导临界温度。实验室生成高压是利用一种被称作金刚石对顶砧的便携式装置，其核心部分是一对经过切割打磨的宝石级金刚石。实验中，通过外力驱动两颗金刚石互相挤压产生压强，该压强通过传压介质传递到样品，目前实验室产生的压强纪录超过500万个标准大气压。
目前，通过层间插入金属原子和施加静电场偏压两种物理化学调控手段，分别可在二硫化钼中诱导出超导电性，但迄今还没有压力诱导超导电性出现的实验证据。高压之下到底能否让二硫化钼变成超导体？为了实现二硫化钼变成超导体的奇迹，中科院合肥物质科学研究院联合科研团队创造实验条件，在超高压下首次观测到二硫化钼的超导行为，相较于上述两种手段，高压手段具有干净高效等明显优势。
新发现意味着啥
二硫化钼是一种广泛应用的固体润滑剂和催化剂，同时又是一种半导体。 “如果通过某种手段能将二硫化钼转变成超导体，将会极大拓展它的应用前景。 ”迟振华表示，作为石墨烯的竞争者，单层二硫化钼是一种具有直接能隙的半导体材料，有光致发光等优良的光学性能，在纳米光电器件方面有光明的应用前景。
过去，科学家通过层间插入法和电场调控，虽然可以将二硫化钼转变成超导体，但有很多不足之处。迟振华透露，层间插入法是将碱金属原子或过渡金属原子插入到二硫化钼层与层之间的间隙，电子从金属原子转移到二硫化钼的能带，从而将其变成超导体；电场调控是在二硫化钼表面滴一滴导电离子液体，通过施加偏压电场调控电子填充二硫化钼的能带，从而将其变成超导体。 “然而，前一种方法容易造成化学成分不均匀；后一种方法工艺比较繁琐，而且仅表面的薄层区域变成超导体。 ”迟振华说，他们则另辟蹊径，在超高压下首次观测到二硫化钼具有超导性。
超导现象的发现源于人们对低温世界的好奇，但超导如同量子纠缠一般，既是物理世界中最奇妙的现象，又是当今物理学中最大的谜团之一。超导的神奇特性，决定了其在电力输运、医疗器械磁体、微波器件以及磁悬浮列车等应用方面具有独特的优势。 100多年来，超导研究在科学上的重要性及其巨大的应用前景，吸引了无数科学家的目光，目前已有10人因此获得诺贝尔奖。
在铁基超导研究领域，我国目前走在了世界的最前沿。2014年1月，中科大陈仙辉教授与中科院物理所合作完成的“40K以上铁基高温超导体的发现及若干基本物理性质研究”项目，问鼎2013年度国家自然科学一等奖。该研究首次突破40K（约-233℃）麦克米兰极限温度，创造并保持55K（-218.15℃）铁基超导体临界温度最高纪录。
“超导虽好，但大多数情况下需要在极低温或超高压等极端条件下才能实现，所以应用起来受到极大的限制。 ”迟振华表示，现在还没有发现常温超导体，一旦发现那将是一个颠覆性的突破，全世界的科学家都在朝这个 梦 想 努力。“下一步，我们将利用掌握的超高压技术，在探索具有更高超导临界温度的超导体方面继续努力，希望能取得更多更好的研究成果。 ”(本报记者 桂运安)
