韩国的室温超导研究,让超导这一物理现象,重新进入大众的视野。
国内资本市场率先给出了反应。阿尔法工场创始人在微博里感慨:“人类从发现导体到发现超导现象用了180年,从发现超导现象到疑似发现室温超导用了112年,A股从发现室温超导到实现可控核聚变用了60分钟”,并放出了一张受此消息影响、连续涨停的某上市公司股价走势图。
而杜克大学教授陈怡然今天也在微博提及另外一则信息,美国超导公司(AMSC)股票价格盘前跳涨71%,最高涨幅150%。
毫无疑问,如果室温超导材料被证实,将是改变人类科技树的一次发现。但目前为止,对韩国这一研究的复现还尚在进行中,正面和反面信息都有,还没有一锤定音的结论。
不过,这并不妨碍我们对超导现象做一番回顾。
就像很多重大科学发明一样,超导现象的发现其实也是一个意外产物。他的发现者是海克·卡末林·昂内斯(Heike Kamerlingh Onnes)。
昂内斯1853年9月21日出生于荷兰,因“对低温下物质特性的研究,特别是导致了液氦的产生”而获得1913年诺贝尔物理学奖。他发现,当一些材料冷却到接近绝对零度时,电阻几乎完全消失。而他发现的第一个呈超导现象的材料,是固态汞。
作为一个生化环材的顶尖学者,昂内斯的出身是典型的“土木工程”——父亲是屋顶瓦工厂的老板,母亲有艺术家的天赋。昂内斯是长子,有两个兄弟姐妹,弟弟门索后来成为著名画家,妹妹珍妮嫁给了著名画家弗洛里斯·维斯特。
中学时,昂内斯对文学很感兴趣,是学校公认的小诗人。后来,他在广泛的阅读中对物理学产生浓厚的兴趣,总想弄清看不见摸不着的气体。
1870年,17岁的昂内斯中学毕业后,没有像母亲期盼那样进入艺术学院进修,而是选择了格罗宁根大学,攻读物理学。后来,由于成绩优异,他转入德国著名的海德堡大学学习。在那里,他遇到了著名的物理学家基尔霍夫和化学家罗伯特·威廉·本生,并与他们结下了深厚的师生之缘。
有名师指导,青年昂内斯满腔热血。1882年他受聘为莱顿大学物理学教授之后,就想改善物理实验室向低温实验研究进军。
超导是一种微观物理现象,而昂内斯最早的课题研究,则是宏观现象。1879年,他靠一篇《地球旋转的新证据》拿到了博士学位。在这篇论文中,他给出了新的理论和实验证据,用更简单的方式用来证明地球的旋转运动。
但3年后的1881年,他发表了一篇论文《液体的一般理论》,被视为他一生对低温物质性质研究的开始。这篇论文讨论了液态的动力学理论,从力学的角度接近了Van der Waals(范德瓦尔斯)的对应状态原理。
所谓范德瓦尔斯对应状态原理,是一种描述气体和液体行为的理论。它指出,所有物质在适当的条件下(如压力和温度),行为将相似。这个理论是热力学的基础部分,对于理解物质在不同状态下的行为非常重要。不过,它并不是在所有情况下都完全准确,在极端的压力和温度条件下,或者对于某些特殊的物质,这个定律可能无法准确预测其行为。
尽管如此,范德瓦尔斯的对应状态原理仍然是物理学和化学中的一个重要工具,为我们理解和预测物质的行为,提供了一个有用的框架。
总之,从1882年到1923年,昂内斯在莱顿大学担任实验物理学教授,并于1904年,在那里建立了一个大型低温实验室。1908年7月10日,他首次实现了液化氦,他将温度降低到了氦的沸点4.2K(-269摄氏度)(K是温度单位,开尔文,0K又叫绝对零度)。并通过降低液氦的压力,实现了接近1.5K的温度,这是当时在地球上实现的最低温度。他也因此被称为“零度先生“。
在1911年,昂内斯测量了纯金属(汞,后来是锡和铅)在极低温度下的电导率,从而发现了石破天惊的超导现象。有意思的是,当时的一些科学家,如威廉·汤姆森(Lord Kelvin),认为电子流经导体时会完全停止,或者换句话说,金属的电阻会在绝对零度时变得无穷大。而包括昂内斯在内的一些人,则认为导体的电阻会稳步下降并降至零。
现在,在超导现象发现一百年后,超导研究终于出现了新的重要进展(再次强调,还没有盖棺定论的结论)。如果成真,那么信息技术、能源等诸多行业将迎来重大变革。Nextgov网站曾经给过一些分析,我们在这里摘录如下:
在能源领域,超导电缆可以在没有电阻的情况下传输电力,这将大大提高电力传输的效率,减少能源损失。此外,超导材料还可以用于制造大容量的超导电磁储能系统(SMES),这将有助于解决可再生能源的储存问题。
在电子设备领域,超导材料可以用于制造无损耗的电子设备,如超导电路和超导电磁铁。这将极大地提高电子设备的性能和效率。具体到大家关心的芯片领域,将实现:
1、能效提升:在芯片设计和制造中,电阻是一个重要的问题,因为它会导致能量损失和发热。如果芯片可以使用超导材料制造,那么电阻将被消除,从而大大提高能效。
2、性能提升:超导材料可以使电流无损耗地流动,这意味着信号传输速度将大大提高,从而提高芯片的性能。
3、尺寸缩小:由于超导材料的高能效,可以设计出更小的芯片,同时保持或提高其性能。
在交通行业,超导材料可以用于制造无损耗的电动机和发电机,这将极大地提高电动车和电动飞机的性能和效率。此外,超导材料还可以用于制造磁悬浮列车,这将极大地提高列车的速度和效率。
在医疗设备方面,超导材料可以用于制造高性能的医疗设备,如磁共振成像(MRI)设备,将极大地提高医疗设备的性能和精度。
在更广泛的科研设备,超导材料可以用于制造高性能的科研设备,如粒子加速器和量子计算机。这会提高科研设备的性能和精度。
总之,改变绝对是全方位的。
昂内斯在其《物理学中定量研究的重要性》一文中,提出了他的著名格言“通过测量获得知识”(Knowledge through measurement)。现在,全世界无数科研团队,正在努力通过测量,复现验证韩国团队的发现。
【参考资料】
1.维基百科:室温超导体
https://en.wikipedia.org/wiki/Room-temperature_superconductor
2. CERN:《超导性》
https://home.cern/science/engineering/superconductivity
3. Discover Walks Blog:《关于Heike kamerling Onnes的十大事实》
https://www.discoverwalks.com/blog/netherlands/top-10-sensational-facts-about-heike-kamerlingh-onnes/
4. NEXTGOV:《室温超导体可能彻底改变电子学——一位电气工程师解释了这种材料的潜力》
https://www.nextgov.com/ideas/2023/03/room-temperature-superconductors-could-revolutionize-electronics-electrical-engineer-explains-materials-potential/384532/
5. The Nobel Price:《Heike kamerling Onnes》
https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1913/onnes/facts/
6. 不列颠百科全书:“Heike Kamerlingh Onnes”
https://www.britannica.com/biography/Heike-Kamerlingh-Onnes
7. The Conversation:《室温超导体可能会给电子学带来革命性的变化》
https://theconversation.com/room-temperature-superconductors-could-revolutionize-electronics-an-electrical-engineer-explains-the-materials-potential-201849
8.Physicsworld:
https://physicsworld.com/a/mercurys-superconductivity-explained-at-long-last/
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