专题：2024年CC讲坛

　　由北京君和篡改公益基金会、中国科学院大学学友会谐和主持，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。中国科学院物理筹商所筹商员郭建刚出席，并以《见微知萌，超导材料筹商限度的传承者》为题发饰演讲。

　　以下为演讲实录：

　　特殊欢笑有契机概况再回到中国科学院大学会堂，骨子上我前次来会堂，如故我博士毕业的时候，是2011年的7月份，那么经过了十三年后回到这里，给全球陈说一下，在这十三年当中我作念的对于超导材料的一些筹商的发达。

　　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运行。

　　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不行适合东说念主们对生流水平的发展需求，渐渐材料就舒缓分为了两大类，一个便是金属材料，金属材料从最早时期的青铜器，一直发展到了青铜剑，青铜期间往常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，还有便是结构材料；

　　第二大类便是陶瓷，陶瓷的这样的一个时候，陶瓷时候我们在博物馆也会看到好多，之后又到唐三彩，还有青花瓷，是吧？

　　那么到现时，它渐渐发展成当代陶瓷，亦然分为两大类，一类是功能性，还有便是结构性。

　　还要给全球先容一个，便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便是硅、碳化硅和金刚石。 从1947年欺诈硅锗作念出这种不详的晶体管之后，半导体工业渐渐过问到东说念主类的生涯当中，对我们现时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，主如若用在光通信的一些方面。那么现时也发展到了第三代，便是碳化硅、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，对于我们现时在集成电路，包括工业电源，以致这种新动力汽车上头如故具有特殊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？便是电阻跟着温度的镌汰，这个材料如果是普通的金属，它老是有一定的电阻的，然而超导材料，渐渐降温的时候，它在某一个温度之下，它电阻十足为零了，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赢得了诺贝尔物理学奖。

　　之后1933年又发现了，骨子上超导材料它还有一个特质“十足抗磁性”。在莫得过问超导态的时候，一个磁场它是概况穿过这个物资的，然而过问超导态之后，它就能把磁体十足撤消到物资外边，这便是一个抗磁性。

　　那么我们不禁要问，为什么会出现超导？这个问题骨子上在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，便是两个电子在穿过一种材料的时候，它会变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，概况把它给继续到一块，形成一个超导电子对。我们知说念两个电子是相互摒除的，然而在这样的一种材料当中，它两个电子是概况凝结到一块，形成一个超导电子对的。

　　然而这里给出了一个最紧迫的扩充，我们一定要沉静。超导说的临界温度是低于39K的，这是一个特殊紧迫的野心。

　　现时超导材料的应用是曲常平淡的，不管是在科学筹商、医疗，还有动力工业等等方面都有好多的用处。

　　它主要应用的两个最经典的风物，一个便是超导线材，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，我们的在电流传输经由中，它热损耗就降得很低；另外一个它能产生一个很大的磁场，因为它概况通过很大的电流不产生热，那么左证我们初高中学的洛伦兹定律，电流畅过的时候，它会产生一个强磁场；那么还有一个天下科技竞争的前沿，便是超导量子计较，完结超导超导量子计较，它概况惩办我们现时所用的电脑方面逻辑运算所不行完结的功能。

　　那么什么样的材料是一个好的超导材料？有三个野心，一个便是它温度要高，尽量概况到室温，天然现时还莫得室温，通盘已发现的超导材料的温度都是皆集在特殊低的温度区域，（我这里说的K和这我们意识的℃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；

　　第二个野心便是它具有一个特殊强的磁场，它一般来说临界磁场约莫是在10~100个特斯拉掌握。我们知说念骨子上在地球漫衍有磁场的，然而磁场是曲常弱的，一般在几个微特斯拉掌握；

　　第三个野心便是它临界电流密度要高，便是说概况承载通过的大电流值很高，这个临界值约莫在105~6A/cm2。

　　有了这样的野心，我们就对照着去找一找，看现时有哪些已知超导材料，约莫是分为四类，一个就是曲常惯例的低温超导材料，它最高的温度便是39K，和我们刚才所讲的野心是十足相宜，它不可能进步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也便是约莫在零下110℃掌握；

　　第二个先容的体系便是铁基超导体系，它现时的最高的温度是在77K；

　　第三个是镍基超导体系，它现时的温度也能达到85K掌握。

　　在这内部要先容一下77K为什么紧迫？因为77K骨子上是液氮产生的温度，我们知说念在空气当中有大都的氮气，如果一个材料概况在77K的时候变成超导，电阻十足灭绝，又能产生很强的磁场，这样在东说念主类应用的经由中价钱特殊低廉的，然而很不安静的是，经过一百多年的筹商，现时惟有这三类体系，它的超导临界温度高过了77K。

　　我个东说念主也特殊有幸参与到了后边这两个体系当中，在博士期间一直到现时所作念的主要的两个体系。

　　现时超导筹商便是三个标的，一个是找材料，找到一些更高温的，以致到室温的超导材料；第二就设施略为什么会出现超导，这个亦然现时凝华态物理学家主要缓和的一个最大的科常识题；第三个便是超导的应用。

　　我个东说念主主要筹商标的是在第一方面，探索一些新的体系，概况把超导临界温度尽量擢升，让全球概况在一些更低廉或者是更好的风物应用上超导材料。

　　一个体系便是铁基超导体系。我们刚才说了超导是具有抗磁性的，出现一个磁场之后，概况把磁性十足排出去，然而你如果外界给它加一个强磁场的话，它是曲常容易禁绝超导的。发现铁基超导体的难度是曲常大的，为什么？因为铁本人便是有强磁性的，我们尽量要找一些不含磁性的材料来合成一些新体系，它就特殊容易了。

　　然而铁基超导体发现的难度这样大，前边的科学家经过了从1911年以致到2008年，很难找到这样的一个体系。突破出现时2008年，东京工业大学的细野秀雄老诚，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，里边含有大都的铁，而况超导临界温度还特殊高，那时引起了超导界的特殊纷乱的关注，于是在2008年的2月份到5月份，骨子上是一个特殊豪恣的春天。

　　我是2008年9月份到物理所念博士，我去的时候老诚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罢了，我们作念一些什么样的东西呢？自后我跟我们课题组的老诚仔细接头了一些，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，便是铁硒。我们那时从三个方面讨论这个问题，那时作念的是一个铁、砷的，砷便是我们日常所见的砒霜，毒性也特殊大，是以我们也不太想作念阿谁东西，然而价态它是-3价的，硒Se它是-2价的，这里边带来了一个最紧迫的问题，便是说这里铁是+2价，硒是-2价，那么全体是一个层状的材料，就像我们翻书相似，它是一页一页，一页和一页之间，它们的作用力是曲常弱的，是一个电中性的，第二个讨论便是，我们能不行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，能不行探索出一些新的体系？

　　第三个便是从电子浓度讨论，望望电子的浓度够不够多。一般以为一个材料当中的电子浓度越大，它 TC（临界温度）是越高的。

　　那时我们讨论之后，就欺诈这种在层间放进去一个离子的神气，就合成出了一个新的体系，便是钾、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，骨子上它仅仅在30K掌握，亦然突破了那时统共铁硒基超导材料的最高的，在常压下的一个温度纪录。

　　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，它很容易就呆在哪里了，因为钾跟这个层间有些相互作用了。那么我们再讨论如果离子半径很小的东西，能不行也把它放到层间？

　　谜底是不行的，因为我们大都的践诺来解说，锂离子（锂离子半径是统共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，能不行有新的践诺技巧，我们就把锂离子和一些其他的有机分子绑到一块，统共让它进去？

　　临了通过这种改造的践诺智力，我们如实，除了钾除外，我们不错看到锂、钠、钙、铷、铯，好多的元素都概况放到铁硒层的层间，就把TC（临界温度）最高拓展到了46K，它仍是进步了那时得诺贝尔奖那三位科学家预言的最高温度纪录39K，这个体系那时亦然在超导限度一个比拟大的突破。

　　骨子上经过这样多年的发展，骨子上那时铁砷基的超导，我刚才说了三个月时分，全天下科学家都作念罢了，那么我们基于我们对晶体结构的一些深刻念念考，临了经过这样多年，发展出来一个铁硒基的体系，这个体系最紧迫的少许，它突破了“麦克米兰极限”的温度，便是39K；第二个，它这里边的超导机理和超导铁砷是十足不相似的，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，入选比例约莫是0.03%掌握，这篇职责亦然独逐个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年也赢得了“国度天然科学二等奖”奖项。

　　再给全球先容一个新的体系——镍基氧化物的体系，这个故事要从哪来？如故要从铜基上来，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漫衍来看，它们两个是曲常具有相似性的。

　　然而在2004年的时候，好意思国科学家他们作念了一篇表面的职责，特殊闻明的科学家，他们经过表面计较，便是说镍的+1价，它诚然看起来外形和铜+2价离子，不管构型，不管是电荷排布是曲常相似的，然而它是十足内在的机理是十足不相似的。

　　那时我们看到这个著作之后，又作念了好多践诺，对于镍基的践诺作念了好多，然而很不安静都莫得得手，从铜基被发现，一直到现时经过了差未几四十年的时分，就莫得完结一个镍基超导。

　　我们那时也讨论了一个最大的问题可能是什么？惯例的一种智力便是我们不详的想合成一下，不详的想掺杂一些，调控一下，是不行得手的，这种均衡态的调控不行。

　　均衡态是不行的，我们就尝试着看能不行用一些比拟奇奇怪怪的践诺智力。

　　这种非均衡态的智力骨子上有两种，一种便是你合成出这个材料之后，你要拉一拉它，是吧？你微小地拉一拉它，以便使它电子云产生了重构；第二个就用劲地压一压它，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，看能不行产生一些新物性。

　　特殊有好奇景仰的一个职责，便是化学式，略微复杂少许，然而骨子上它是从n等于1，一直到无限，它是曲常复杂的一个体系，那时是我们中山大学的王猛老诚，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，他们也在用高压的智力，把压力加到了很大之后，不错看到在特殊高的温度，约莫是在78K，我们刚才说了，如果概况在77K以上的一个超体，是曲常有难度的，然而他们这个体系不错看到，在78K的时候，它电阻发生了特殊剧烈的下落。

　　这个职责那时新出现之后，引起了国表里纷乱的反响，终于用一种非均衡态的智力，中国的科学家得到了一个镍基超导体。然而有少许缺憾的便是，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，如故从铜基来的？

　　便是三层的时候，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？

　　那么特殊有好奇景仰的，我们如真的高压下也看到了超导，这是我跟我们复旦大学的赵俊老诚统共和谐的一篇著作，还有北京高压科学中心的曾老诚。

　　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，然而很不安静的是，我们这个超导体临界温度与铜基赶巧相背，我们一直往下走，然而铜基是往上走，这个是曲常有点缺憾的少许。

　　本年还有一篇职责亦然来自于中科院物理所周睿老诚和程金光老诚，他们最近通过掺杂少许元素之后再加压，亦然发现特殊有好奇景仰，把临界温度概况进一步擢升到了82.5K，零电阻的温度也约莫是在60K掌握。

　　我们的职责和他的职责都发现了超导的另外一个特征，便是具有特殊好的抗磁性。

　　从以上这三篇职责就如实解说了镍基超导，它完十足全便是一个特殊规的、一个特殊有好奇景仰的高温超导体。

　　从骨子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年掌握，铜基超导体的出现和铁基超导体的出现，极地面鼓吹了中国科学家在超导材料探索限度的国外地位，在国内我们知说念铁基超导和铜基超导，永诀在1987年和2013年赢得了“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，也完结了中国超导筹商谢天下限度规模内从跟跑舒缓到并跑，最近这几年我们中国科学家，尤其是我们中国科学院物理筹商新的一代，发现了这种在镍基超导体系，这就意味着中国的科学家，我们在超导探索限度，现时仍是走到了天下的前哨。

　　在2008年《Science》有篇社论，“新超导筹商是把中国科学推到了天下超导筹商，以致天下科学筹商的前哨”。

　　超导材料现时仍是概况被制备成特殊好的线材、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安设，被称为“东说念主造太阳”，主要欺诈超导材料绕成一个磁体之后，它能通过承载更大的电流，它概况产生很强的磁场，将电子十足经管到一个特殊小的环里，进行全速洞开，产生碰撞而产生一个核聚变；

　　第二个便是全超导的磁悬浮，它有一个抗磁性，概况将一个一个物体概况托起来，仍是研制出来的超导的磁悬浮的列车；

　　第三个便是电力运载方面，刚才说了，它是莫得电阻的，那么在运载经由中它不错产生很大的电流，然而它又莫得热，上海仍是运行作念了好多年的示范的工程。

　　更远的一个预测，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，一直拓展到现时，我们是不是概况不才一步，过问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，包括量子计较机，还有超导二极管的等等，他们在科学筹商和工程方面有特殊平淡的应用，也被以为，超导材料概况支执我们下一代东说念主类文静的快速发展。

　　新浪声明：通盘会议实录均为现场速记整理，未经演讲者审阅，新浪网登载此文出于传递更多信息之见识，并不虞味着赞同其不雅点或阐述其描摹。

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