超导体研究

科学前沿观天下 笃学明理洞寰宇现代物理学的终极目标之一就是发掘超导体的潜力，使电流在室温下能以零电阻流动。为了实现这一核心技术的突破，数代科学家潜心研究并已取得不小的成果。近日，美国科学家在超低温下观测到一种奇异的材料，其具有的特性与我们已有的认知截然不同，这意味着它的潜力也可能是无穷的。更或者，这一研究为我们打开了 一扇通过终极目标的大门…超导理论认为，金属中自旋相反的电子可以配对形成库珀对，库珀对在晶格当中可以无损耗的运动，从而形成超导电流。迄今为止，科学家已在许多材料中发现了这种超导性，而且已经被用于核磁共振仪和磁悬浮列车中产生强磁场。然而，维持超低温的昂贵和体积庞大的设备限制了超导材料更广泛地应用。最近，物理学家在超导研究方面取得了意想不到的突破。美国马里兰大学的研究人员在超低温度下探测一种奇异材料时，观察到了一种新型的超导性。这种超导性不仅出现在一种意想不到的材料中，而且依赖于电子相互作用，与我们迄今所见的配对电子的作用完全不同，这意味着以人类的思维无法预测它可能具有的潜力，具有令我们的世界发生革命性改变的巨大潜力…要理解这种差异，需要知道电子的相互作用方式是由自旋量子特性决定的。在常规超导体中，电子自旋为1/2，但在YptBi这种特殊的材料中，研究人员发现电子有另一种自旋态，即3/2。物理学家Johnpierre Paglione解释：“从没有人认为固体材料存在这种可能，单个原子中的高自旋态是可能的，但是一旦将原子放在一个固体中，这些高自旋态通常会分裂，最终形成降为1/2自旋态。”几年前YptBi的首次发现可以说是超导领域的一个惊喜。因为这种材料实际上并不符合超导体几个主要标准，即在常温下相对导体，具有大量的移动电子。根据传统超导理论，在低于0.8K的温度下，YPtBi需要大约1000倍以上的自由移动电子才能成为超导体。然而，当研究人员冷却材料时，他们惊喜地看到了超导现象。为究其原因，最新的研究着眼于材料与磁场相互作用的关系，以便更为准确了解材料内部到底发生了什么。通常当一种材料向超导体过渡时（降温），它逐渐从其表面上排除任何附加的磁场，然后迅速衰减。于是，美国研究小组使用铜线圈来检测YPtBi的磁性能随温度的变化。研究发现，随着材料从绝对零度升温，材料的磁通量呈线性增加，而不是呈指数级增长，这正是超导体的重要特性。经过一系列测量和计算后，研究人员得出结论：电子伪装成具有较高自旋的粒子。而科学家之前在对超导体的认知中这是根本不可能性。虽然这种新型的超导性现在仍然需要低温，但这一发现为整个领域提供了一个全新的方向。这一结果绝对是令人难以置信的存在，还需要更深入地研究。但客观地讲，这一研究可以称得上是近百年来超导体研究的新突破…过去，超导性局限于电子的自旋配对，而从今往后将会考虑更高的自旋态。这样一来，整个超导研究的前景就会大大增加，相信在不久的将来会有更多令人惊喜的发现！文/朱张航宇参考文献：Beyond triplet: Unconventional superconctivity in a spin-3/2 topological semimetal，Science Advances, 2018, Vol.4, no.4, eaao4513.

电影《阿凡达》当中有一个令人印象深刻的场景，潘多拉星球上的群山，不是坐落在地面上，而是悬浮在天空中。这看似奇幻的现象，在科学上是讲得通的，因为山里有一种奇特的矿石——常温超导矿石。地球上目前还没有发现这种矿石，所以我们只能在科幻电影里观摩艺术家想象出来的世界。但是科学家确实正在努力，使各种东西悬浮起来。比如磁悬浮列车，可以高速贴地飞行，未来如果用上超导技术，载人磁悬浮列车的极限速度可以突破600公里每小时，载货可能达到3000公里每小时，这意味着从北京发快递到上海只要半小时，效果跟瞬间移动也差不多了。如果能够成功开发室温超导技术，那么悬浮沙发、悬浮汽车、悬浮城市，这些都可能变成现实。超导技术能使各种东西悬浮起来，主要是因为它具有完全的抗磁性。把超导体放在磁场中，所有的磁通线都会绕过它。超导的基本原理是由三位科学家共同提出的，称为BCS理论。这个理论的精髓可以这样来阐述：设想一下，一个电子有两条腿和一个翅膀，它在单独前进时只能在地面上奔跑，因此会遇到障碍物，但如果两个电子一起前进，它们就可以手挽手，用两只翅膀一起飞翔。电能生磁，磁能发电，超导从字面意思上理解就是"超级导电"。如果远距离输电网络能用上超导电缆，那么可以比使用传统的电缆减少15%的电力损耗，这对于我们这种幅员辽阔、地域资源不均衡的大国来说，意义重大。超导研究是物理学一个较小的分支，而且只有短短一百年的历史，却已经诞生了10位诺贝尔奖获得者。可见全世界对超导技术的关注程度非同一般。那为什么超导技术还没有走进人们的生活呢？我们既没有用上超导手机、超导电脑，也没有用上超导电视、超导冰箱。原来，超导材料的使用条件都过于苛刻。现在已经发现的超导体主要有铜基和铁基两大家族，它们的使用温度很低，大约在-233摄氏度（40开尔文）甚至更低。这样的低温在地球上实现起来很不经济，只有到月球上使用才能体现出超导的优势。常温超导体是科学家努力的方向，现在发现也非易事，需要在极高的压力条件下才能实现。例如，氢气在常温常压下是一种气体，但在高压下就变成金属氢，具有了超导性。然而，有科学家曾经为了研究金属氢的超导性，把它压在两块最坚硬的钻石当中，最后钻石都被压碎了。不过，金属氢的超导特性在木星上就很容易显现出来，因为木星是一个巨大的氢气球，它的内部有200万大气压的高压，它的核心就是超导体金属氢。结语总而言之，现在发现的材料要体现出超导的特性，要么需要超低温，要么需要超高压，所以应用领域还很狭窄。也许在未来，我们能更多地享受超导技术带来的便利。

寻找一种能在零下数百度的极端条件下工作的超导体是一种革命性的突破。但开发“室温”超导体是一项科学尚未实现的壮举。然而，中佛罗里达大学的一名研究人员正在努力使这一目标更接近实现，他的一些最新研究成果最近发表在《通信物理》杂志上。在这项研究中，研究员岛康幸和他的合著者展示了他们可以更近距离地观察“奇怪”金属中发生了什么。这些“奇怪”金属是在电阻中表现出不寻常温度行为的特殊材料。这种“奇怪的”金属行为在许多不处于超导状态的高温超导体中被发现，这使得它们对科学家研究某些金属如何成为高温超导体非常有用。这项工作很重要，因为深入了解“奇怪”金属相中电子的量子行为，可以让研究人员了解高温下的超导机制。如果我们知道描述这些行为的理论，我们也许能够设计高温超导体。超导体之所以得名，是因为它们是电的终极导体。与导体不同的是，它们的电阻为零，就像电子“摩擦”一样，当电流流经导体（如铜或金线）时，就会失去动力。这使得超导体成为为城市供电的理想材料，因为使用无电阻导线节省的能源将是巨大的。强大的超导体还可以悬浮沉重的磁铁，为实用和经济的磁悬浮汽车、火车等铺平了道路。要把导体变成超导体，金属材料必须冷却到极低的温度，以失去所有的电阻，这是一个突然的过程，物理学尚未发展出一个全面的理论来解释。超导体的临界温度通常在-220到-480华氏度之间，通常需要一个使用液氮或氦的昂贵而笨重的冷却系统。一些研究人员已经研制出了能在大约59华氏度下工作的超导体，但它的压力也是地球表面的200多万倍。在这项研究中，中岛和研究人员能够测量和描述非超导材料“奇怪”金属状态下的电子行为，一种铁镍合金，在接近量子临界点时，电子从具有可预测的单个行为转变为在量子力学涨落中集体移动，这对科学家来说是一个挑战。研究人员能够通过使用一种独特的金属混合物来测量和描述电子行为，在这种混合物中，镍和钴通过一种称为掺杂的过程取代铁，这样就制造出了一种镍铁合金，它在零下459.63华氏度的温度下都不会超导，远低于导体成为超导体的临界点。“我们使用了一种合金，一种高温铁基超导体的相对化合物，在这种情况下，铁、钴和镍的成分比例是经过微调的，因此即使接近绝对零度也没有超导性，研究人员说。“这让我们能够获得量子涨落控制电子行为的临界点，并研究它们在化合物中的行为。”他们发现，电子的行为并没有被任何已知的理论预测所描述，但电子在物质中传播的散射率可以与所谓的普朗克耗散联系起来，普朗克耗散是物质传输能量的量子速度极限。“我们观察到的量子临界行为非常不寻常，与已知量子临界材料的理论和实验完全不同，”研究人员说。下一步是绘制这种铁镍合金体系的掺杂相图。最终目标是设计温度更高的超导体。如果我们能做到这一点，我们就可以用它们来低成本地进行磁共振成像扫描、磁悬浮、电网等。开启预测“奇怪”金属电阻行为的方法，不仅会促进超导体的发展，还会为其他量子级现象提供理论依据。最近的理论发展通过普朗克耗散显示了黑洞、引力和量子信息理论之间惊人的联系。因此，对‘奇怪’金属行为的研究也成为了这个背景下的一个热门话题。

常温超导体的意义2018《自然》杂志年度十大人物评选出炉，居十大人物之首的是22岁中国天才科学家曹原。2018年3月5日，《自然》背靠背发布了两篇以曹原为第一作者关于“魔角”石墨烯的重磅论文。这名中科大少年班的毕业生、美国麻省理工学院的博士生发现当两层平行石墨烯堆成约1.1°的微妙角度，就会产生神奇的超导效应。这一发现轰动国际学界，直接开辟了凝聚态物理的一块新领域。如今，正有无数学者试图重复、拓展他的研究。《自然》封面以魔角石墨烯概念设计《自然》杂志是全球最顶尖的科学杂志，能在自然发布论文，是很多国内外科学家一生的梦想，而这次2018的年度评选把这位出生在1995年的少年科学家曹原的发现放在年度论文之首，足以想见科学界对这次发现的重视程度。这期《自然》的封面就是以“魔角”石墨烯的概念为原型设计的。魔角石墨烯示意图“魔角”石墨烯研究最让人兴奋的地方之一，是它对高温超导体的理论意义，虽然它也是在接近绝对0度的状态下做的，但它以极为简单的形式模拟了高温超导体的特性。对高温超导体的研究有里程碑式的意义。高温超导体一般是指超导的临界温度比液氮温度（零下196度）要高的物体，相对的，超导临界温度从绝对0度到零下196度之间的物体，是低温超导体。人们现在对低温超导体的研究比较清楚了，但对高温超导体的超导物理原理以及相关的凝聚态物理，仍然是物理学中不为人知的地带。而“魔角”石墨烯的研究，可能打破这种现状，成为常温超导体的研究的里程碑。石墨烯1911年荷兰科学家卡末林发现了汞的超导电性，从而发现超导现象，仅仅两年后的1913年就获得了诺贝尔奖。并成为低温物理学的奠基人。“魔角”石墨烯的研究，再次证明了在超导体领域的任何研究，都可能牵动整个自然科学的神经。海克·卡末林·昂内斯那常温超导体到底有什么意义呢？简单来说，凡是用到电的地方，它都有划时代的意义。指尖科技说和你一起盘点：1.超导电器。超导体没有电阻，会极大推动现有电子技术的使用。我们日常的应用电子技术，都是基于有电阻的电路，由于电阻产生的电的消耗是极为巨大的，人们为了电阻产生的散热问题，投入了无数资源。电脑会变成超导计算机，想象你的电脑没有电阻，不再需要散热，电脑可以更轻薄。使用超导晶体管的集成电路，电脑的速度直接可以有几十几百倍的提升；用电的效率更高，家里的用电量就直接降低了，灯泡却更亮了，电动车跑的更快了，电器的使用变得更加方便，更多的精细电元件可以使用到我们的生活中。据说现在已经有很多公司在研究超导计算机和量子计算机。超导计算机超导计算机细节2.量子计算机。现在已经被研制出来的两台量子计算机，一台是基于电磁激光技术，一台是基于超导微波技术。其中IBM公司的基于超导微波技术的量子计算机已经让人们看到了超导体在计算机领域的可行性。IBM的量子计算机3.超导发电。目前，超导发电机有两种含义。一种含义是将普通发电机的铜绕组换成超导体绕组，以提高电流密度和磁场强度，具有发电容量大、体积小、重量轻、电抗小、效率高的优势。另一种含义是指超导磁流体发电机，磁流体发电机具有效率高、发电容量大等优点，但传统磁体在发电过程中会产生很大的损耗，而超导磁体自身损耗小，可以弥补这一不足。发电损失降到最低，也可能会导致放发电变得更加容易，可能我们身边很多能源都可以用做发电元件提供日常用电，如太阳能、运动能。超导发电图解4.超导输电：由超导材料制作的超导电线和超导变压器，可以把电力几乎无损耗地输送给用户。据统计，用铜或铝导线输电，约有15%的电能损耗在输电线路上，光是在中国，每年的电力损失即达1000多亿度。若改为超导输电，节省的电能相当于新建数十个大型发电厂。超导输电和传统输电5.磁悬浮交通。超导磁悬浮列车：利用超导材料的抗磁性，将超导材料放在一块永久磁体的上方，由于磁体的磁力线不能穿过超导体，磁体和超导体之间会产生排斥力，使超导体悬浮在磁体上方。利用这种磁悬浮效应可以制作高速超导磁悬浮列车。磁悬浮汽车：这种汽车据说已经被发明出来，但如果超导技术成熟，即可进入实用阶段。磁悬浮轮胎，有报道说磁悬浮轮胎的原型已经被一位中国小伙发明，具有现在轮胎所不具有的高性能特性。还有磁悬浮滑板，可能会代替我们日常行走。磁悬浮轮胎6.磁悬浮机械。把磁悬浮特性应用到在机械研发上，可使重要元件没有摩擦力，机械的制动效率和速度会大大增加，能够做到现有机械做不到的很多功能。磁悬浮输送7.磁悬浮建筑。磁悬浮技术可以让人类更加高效的利用空间，也许将来人类生活在空中就不再是梦想。当生活用品用上磁悬浮的技术，我们的生活会变得无比的便利。磁悬浮建筑反重力建筑8.超导医疗。据说医疗行业现在已经有了超导磁力共振仪，可以对很多重要疾病进行诊断。超导核磁共振9.核聚变反应堆“磁封闭体”：核聚变反应时，内部温度高达1亿～2亿摄氏度，没有任何常规材料可以包容这些物质。而超导体产生的强磁场可以作为“磁封闭体”，将热核反应堆中的超高温等离子体包围、约束起来，然后慢慢释放，从而使受控核聚变能源成为21世纪前景广阔的新能源。由于核聚变原料的广泛性，能源问题有望就被彻底解决。即使远距离的太空旅行也会变得有可能。可控核聚变示意图可控核聚变反应堆可以遇见一旦常温超导体技术成熟，肯定会有一场超级技术革命，从此整个世界都会改变一个模样。如果有其他设想也欢迎您留言。

科技日报记者 吴长锋　　刚刚过去的国庆黄金周，中国科学技术大学超导研究团队除了收看国庆70周年庆典外，每天依然到实验室里工作。“下一个可以用来划分时代的材料，可能就是室温超导体。”在中国科学技术大学教授吴涛眼里，他们所从事的超导研究充满魅力。“如果发现室温超导体，我们出门可以坐上悬浮的超导车，甚至手机、手提电脑充一次电，就能用上好几个月。”正是带着这样的梦想，中国科学技术大学超导研究团队在这一领域里已经坚守了20余年。突破超导研究的禁区超导，是指某些材料在温度降低到某一临界温度，或超导转变温度以下时，电阻突然消失的现象。在超导研究的历史上，已经有10人获得了5次诺贝尔奖，其科学重要性不言而喻。1911年，荷兰科学家发现水银在极低温条件下的超导性，开辟了科学研究的新领域。1986年，德国科学家与瑞士科学家发现了临界转变温度为35K的铜氧化物超导体。令科学家困扰的是，超导体的转变温度不能超过40K（约零下233摄氏度），这个温度也被称为麦克米兰极限温度。40K的极限温度能否被突破？在两名欧洲科学家发现以铜为关键超导元素的铜氧化物超导体后不久，包括中国科学家在内的研究团队将铜氧化物超导体的临界转变温度提高到液氮温区以上，突破了麦克米兰极限温度，使其成为高温超导体。“铜氧化物高温超导体家族有两个主要缺陷，作为金属陶瓷材料加工工艺严苛，综合成本高，影响广泛应用。此外，铜基超导并没有解决高温超导电性机理丰富的物理内涵。”吴涛告诉科技日报记者，要揭开高温超导的原理，广泛应用，寻找到临界温度更高的超导体势在必行。铁基化合物由于其磁性因素，曾一度几乎被国际物理学界断言为探索高温超导体的禁区。2008年3月，中科大陈仙辉研究组和中科院物理所王楠林研究组同时在铁基中观测到了43K和41K的超导转变温度，突破了麦克米兰极限，证明了铁基超导体是高温超导体。紧接着，中国科学家团队不仅率先使转变温度突破了50K，并发现了一系列50K以上的超导体，也创造了55K的铁基超导体转变温度纪录，被国际物理学界公认为第二个高温超导家族。寻找更高转变温度的超导材料突破了麦克米兰极限之后，全世界科学家对超导材料的探索又一次陷入了迷茫，在高影响因子的期刊上发表高温超导论文变得愈发困难。中科大的超导团队却一直坚守着这块阵地，无数次地制备、观察、放弃、重新开始……为了拨开超导研究的迷雾，他们提出了“新型二维层状非常规超导材料”这个新的研究方向。吴涛告诉记者，由于铜氧和铁基超导体均为层状结构，承载超导电性的关键结构单元分别是CuO2面和FeAs/Se层，被称作“超导基元”，目前确认的非常规超导体大都表现出此种结构特点。“这些材料与通常的超导体在超导机理上有所不同，传统超导体的机理主要是基于电—声子相互作用的BCS理论，二维层状非常规超导材料的超导机理一般被认为不能用BCS理论解释。”吴涛认为，对铜氧化合物超导体及铁基超导体的微观机理的了解，会极大推动凝聚态物理学的新发展；同时，一旦发现更适于应用或具有更高临界温度的超导体，便可能像集成电路那样成为带动世界经济社会发展的新增长点。目前，比较公认的超导研究核心重点有两个：第一个是新型（高转变温度）非常规超导材料，第二个是高温超导（以及非常规超导）的机理问题。“我们依据二维结构单元与超导电性之间的普适关联性，以构筑二维层状超导单元为基础，通过块层、异质结设计等研究思路来探索非常规超导电性。”吴涛告诉记者，作为国家重大专项，在实施两年多的时间里，已经利用电化学插层法成功合成出两种新的铁硒基高温超导材料，并且发现这些新的超导材料具有与铜基高温超导体相似的超导预配对现象，还发现了二维结构对铁硒基超导体中高温超导的形成具有重要的影响。“这些新的发现将为建立普适的高温超导机理提供关键的实验证据。”吴涛表示，在新的研究方向上，可能有助于发现新的具有超高临界场和临界电流密度的实用型超导体。探索更适于应用的超导体其实，超导已经开始走进我们的生活。如高温超导滤波器已被应用于手机和卫星通讯，并明显改善了通信质量；超导量子干涉器件（SQUID）装备在医疗设备上使用，则大大加强了对人体心脑探测检查的精确度和灵敏度；世界上首个超导示范变电站也已在我国投入电网使用……在吴涛看来，他们的研究对于国家重点发展的超导量子计算领域或将有推动作用。“它有可能应用到新型低能耗、自纠错的拓扑量子计算领域。”吴涛说。目前，超导体还没有达到所期望的广泛应用，主要原因是仍有两个重要问题亟待解决：一是超导应用的经济性；二是常温常压下的超导材料仍未被发现。“因此突破现有超导材料转变温度的限制，发现具有更高转变温度的新型超导，蕴含着重大科学意义。”吴涛对中国超导研究的未来充满希望，“超导研究已经扎根于中国，我们期望通过努力，获得二维非常规超导体新材料探索和机理研究方面的重大突破，继续保持我们在高温超导材料探索和相关研究的国际领先地位。”来源：科技日报

本文参加 #科学了不起# 系列征文赛。韩国基础科学研究所复杂系统理论物理中心的研究员Ivan Savenko教授报告了一种利用光学工具研究超导体特性的新方法。该理论发表在《物理评论通讯》（Physical Review Letters）上，由A.V.Rzhanov半导体物理研究所（俄罗斯）的物理学家Vadim Kovalev博士共同撰写。低于一定温度时，材料的电阻率会消失，超导特性就会出现。这些通常是极低的温度，在-200摄氏度到-272摄氏度之间，通常未被束缚的电子会突然改变它们的行为，并形成库珀对。这种转变表现为超导电流，超导电流可以在材料中永远循环，不会有损失。然而，超导特性会在略高于临界温度的情况下出现。在这种所谓的波动制度中，库珀对开始出现和消失，极大地改变了超导体的电导率和其他特性。五十多年前，Aslamazov和Larkin提出了一个理论，认为波动超导体的电导率是由非束缚电子和库珀对介导的。然而，波动超导性是一个具有挑战性的研究课题，因此还在继续研究中。在这项新的研究中，研究人员提出了一种利用光学光谱学这个实验上可用的光学平台来监测这些电子传输现象的方法。"虽然基于电阻率和磁性的监测超导体的方法已经很成熟，但要将光和超导 "嫁接 "到一起，是非常困难的。"Savenko解释道。"这是一个热门的研究领域，我们可以期待在基础科学和创新应用方面有新的发现。"超导和光是两个看似毫无关联的现象。通常情况下，超导对外部光线并不十分敏感：它们只能与光线发生微弱的相互作用，而且是充当反射镜。而这项研究表明，太赫兹（THz）频率下的光，介于射电和红外域之间，可用于光学上探索超导体的特性。研究人员对暴露在太赫兹波下的二维波动半导体层的光学和电学反应进行了建模。在接近临界温度时，新出现的库珀对会导致系统的电导率和光吸收发生显著变化。未结合的电子作为介子，与库珀对和光相互作用。"我们的设计非常简单。因此，可以适用于多种情况，"Savenko说。"我们预计在不久的将来，将进行相应的实验。它应该会显示出电流的改变，或者是反射光或透射光光谱的改变，这取决于库珀对的密度。"论文标题为《Proposal for Plasmon Spectroscopy of Fluctuations in Low-Dimensional Superconctors》。

中国科学技术大学教授陈贤辉与复旦大学物理系张元波合作，在揭示高温超导电性机理方面取得了新的进展。研究结果于北京时间10月31日在国际学术期刊上发表。超导电性是物理学中最引人入胜的宏观量子现象之一，是一个新的研究领域。然而，非常规高温超导电性的机理尚未完全解决。如何找到高温超导秘密门的关键是科学家们一直在努力追求的问题。物理学家研究的通常方法是试图用最简洁的模型揭示世界起源的规律。图：二维材料铋2212结构氧化铜高温超导体具有多种三维分层晶体结构，目前发现的所有铜基超导体均含有相同的铜氧结构单元。这些铜氧结构单元被认为是高温超导电性的起源，特别是在理论物理学家研究高温超导电性机理时，建立了基于铜氧表面结构单元的二维理论模型。因此，证实含有铜-氧结构单元的单层的二维超导体具有与相应的大块晶体相同的超导性和正常的物理性质是非常重要的和有意义的。经过多年的探索和尝试，陈贤辉和张元波等人和他们的研究团队已经成功地获得了单层铋2212超导体。结果表明，单层铜基超导体与相应的块状铜基超导体具有完全相同的超导转变温度、载流子浓度相关的相图和异常的正常状态行为。这些发现为高温超导体的二维理论模型提供了坚实的实验基础，也为高温超导体的实验研究提供了新的思路。（来源：中国科学院）专家诊断在线展会投资促进技术评估专利代理企业咨询技术金融品牌推广测试项目申报人员培训法律咨询财务审计战略研究。

当一种物质从固态、液态或气态转变为另一种状态时，就会发生相变。在这些相变过程中，系统可以同时显示物质的两种状态。当普通金属转变为超导体时，也会发生类似效应——特性波动，原本属于一种状态的特性被带入另一种状态。哈佛大学科学家们开发了一种基于铋的二维超导体，它只有1纳米厚。通过研究这种超薄材料转变为超导时的波动，科学家们更全面地了解了驱动超导的过程。由于超导材料经过改进，可以携带近零电阻的电流，因此它几乎可以应用于任何用电技术。哈佛大学科学家们利用这项新技术，对美国能源部阿贡国家实验室的科学家瓦莱里·维诺库，23年前提出的超导体理论进行了实验验证。科学家们感兴趣的一个现象是，当材料转变成超导体时，经过充分研究的霍尔效应发生了完全逆转。当一种正常的非超导材料携带外加电流并受到磁场作用时，就会在该材料上产生电压。这种正常的霍尔效应使电压指向一个特定的方向，这取决于电场的方向和电流。有趣的是，当材料变成超导体时，霍尔电压反转的迹象。材料的“积极”部分变成了“消极”部分。这是一个众所周知的现象。然而，尽管霍尔效应长期以来一直是科学家用来研究，使一种材料成为优良超导体电子特性类型的主要工具，但这种反向霍尔效应的成因几十年来一直让科学家们感到神秘，特别是在高温超导体方面，这种效应更强。杰出学者、理论家维诺库尔及其同事对高温超导体中的这种效应(以及更多)进行了全面描述。该理论考虑了所有相关的驱动力，并且包含了如此多的变量，以至于在实验中测试它似乎是不现实的直到现在。直到现在，维诺库说：我们相信我们真的解决了这些问题，但当时这些公式感觉毫无用处，因为它们包含了许多参数，很难与当时使用现有技术进行的实验进行比较。科学家们知道，反向霍尔效应是磁场中超导材料中突然出现的磁涡流造成。涡旋是超导电子液体中的奇异点（库柏对），库柏对在其周围流动，产生循环的超导微电流，这给材料中的霍尔效应带来了物理学上的新特性。通常情况下，材料中的电子分布会导致霍尔电压，但在超导体中，涡旋在外加电流的作用下运动，这就产生了电子压差，在数学上与使飞机保持飞行状态的压差相似。这些压差改变了施加电流的方向，就像飞机的机翼改变了空气通过的方向，使飞机上升一样。涡旋运动以不同的方式重新分配电子，使霍尔电压方向与通常的纯电子霍尔电压相反。此前理论定量地描述了这些涡旋的影响，而这只是定性地理解。现在哈佛大学的科学家们花了5年时间研制出一种新材料，对这一理论进行了验证。这种铋基的薄材料实际上只有一层原子厚度，因此基本上是二维的。它是同类中唯一的一种，一种薄膜高温超导体；这种材料的生产本身就是超导体科学的一项技术突破。哈佛大学研究小组的首席科学家菲利普·金(Philip Kim)说：通过把尺寸从3个缩小到2个，这种材料的性质波动变得更加明显。也更容易研究，创造了一种极端形式的材料。能够定量地阐述先前提出的理论，该理论的一个预测是，反常的反向霍尔效应可能存在于超导体材料的温度之外。这项研究提供了一个定量描述的效果，完全符合理论预测。在确定涡旋在反向霍尔效应中所起的作用之前，无法可靠地把它用作测量工具。现在我们知道这是正确的，可以用这个理论来研究过渡阶段的其他波动，最终有助于更好地理解超导体。尽管这项研究中的材料是二维的，但科学家们相信该理论适用于所有超导体。未来的研究将包括对材料的深入研究——涡旋的行为甚至在数学研究中也有应用。旋涡是拓扑对象的例子，或具有独特几何特性的对象。由于它们的形成和变形方式以及它们如何改变材料的性质，目前在数学中是一个热门话题。理论用拓扑学来描述涡旋的行为，而物质的拓扑学性质可以带来许多新物理现象。有时候你会发现一些新奇的东西，但有时候你只是确认，你确实理解了摆在面前日常事物的行为，其研究成果发表在《物理评论快报》上。博科园｜研究/来自：阿贡国家实验室参考期刊《物理评论快报》DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.247001博科园｜科学、科技、科研、科普

现在有很多的东西都可作为导体，但是有一种导体，你真的见过吗。他就是超导体，据14且在《自然》上发表的一篇文章，美国罗彻斯特大学Ranga Dias 实验室的研究人员成功合成一种在15°C、超高压强条件下实现超导的材料，创下超导温度的新纪录。当前，超导体只能在极低温和高压的环境下工作。由于氢是最轻的材料，且氢键具有极强的化学键，富氢材料被认为是有望实现高温超导的一个方向。目前，我国也正在研发超导体，在不久的将来，超导体可能由于动力行业。在本项研究中，研究人员突破此前靠高压合成固态金属氢的思路，将氢、碳和硫元素在低压力下通过光化学合成，得到一种三元含碳硫化氢系统，能够在203 K (开尔文)、155 GPa (吉帕)条件下实现超导。所谓的超导，就是超级导体，超导材料，不过是超导体的一个载体。这个压强约为典型胎压的100万倍。研究团队希望未来能制造出在更低的压强下工作的室温超导材料。我们应该都明白，100万倍的压强相当于什么，这个压强并非人力所能及的。超导材料，是指具有在一定的低温条件下呈现出电阻等于零以及排斥磁力线的性质的材料。已发现有28种元素和几千种合金和化合物可以成为超导体。超导体是指在某一温度下，电阻为零的导体。在实验中，若导体电阻的测量值低于10的-25次方Ω，可以认为电阻为零。超导体不仅具有零电阻的特性，另一重要特征是完全抗磁性。超导体已经进行了一系列试验性应用，并且开展了一定的军事、商业应用，在通信领域可以作为光子晶体的缺陷材料。