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《我就是科技樹》第21章 常溫超導
  近年來,【磁約束】可控聚變技術的突破,最主要還是得歸功於超導材料的發現。

  超導這個概念的本質就是實現材料電子的自由移動,即電阻為零,完全抗磁性。

  現如【低溫超導】技術已經成熟,科學家們正在攻克的是【常溫超導】技術。

  對於【常溫超導】所選用的材料,亦或是設計稿,近代被各科學們提出的很多,但受限於工業製備和實驗條件,沒有辦法得到很好的發展。

  夏安花時間研究了一下【超導材料】的發展歷程。

  1911年,Heike Kamer-Onnes在溫度4.2K(-268.97℃)時用液氦冷卻汞時發現汞的電阻為零,發現了超導電性規律。

  1933年,菲爾德和邁斯納發現超導體冷卻達到轉變溫度時,不僅電阻完全消失,還會出現抗磁性:磁感線從超導體中排出,不能通過超導體。

  1973年,科學家發現了保持了近十三年記錄,超導轉變溫度為32.4K(-249.92℃)的超導合金——铌鍺合金。

  1986年,美國貝爾實驗室研究出了打破液氫40K的溫度障礙,臨界溫度為40K(-235.15℃)的超導材料。

  1987年,美國華裔科學家朱經武和中國科學家趙忠賢陸續把釔-鋇-銅-氧轉變溫度提高到了90K(-185.15℃),從而發現了高溫超導體材料,打破了液氮77K的“溫度堡壘”。

  1988年,日本實現了液氮溫區超導體的理想,研發出了轉變溫度為110K(-165.15℃)的超導材料Bi-Sr-Cu-O。轉變溫度達零下150.15℃的鉈系化合物超導材料和轉變溫度達零下140.15℃的汞系化合物超導材料相繼被發現,高壓條件下的汞轉變溫度能達到164K(-111.15℃)。

  2007年2月,日本東京工業大學細野秀雄教授和其合作者發現了轉變溫度為(-251.15℃)的氟摻雜鑭氧鐵砷化合物。

  2008年3月25日和3月26日,中國科技大學陳曉輝研究組和中國物理所研究組發現了突破麥克米蘭極限溫度,轉變溫度為(-233.15℃)的非傳統超導材料。

  2014年,中國科學院物理研究所的程金光、雒建林等人發現第一個Cr基高壓超導體CrAs,臨界溫度為2 K(-271.15℃),壓力為 8 kbar。

  2015年4月,浙江大學系曹光旱研究組發現第一種常壓下的鉻基砷化物超導體K2Cr3As3,臨界溫度為6.1K(-267.05℃)。同年,中國科學院物理研究所的程金光、雒建林等人發現第一個Mn基高壓超導體MnP,臨界溫度為(-272.15℃)1 K,壓力為 8 GPa。

  2015年,德國的A. P. Drozdov和M. I. Eremets宣布在硫化氫中發現203 K超導零電阻現象,但需要施加高壓到220萬個大氣壓。這個數值突破了銅氧化物材料保持多年的164 K(-109.15℃)記錄。

  2018年,美國的曹原和Pablo Jarillo-Herrero發現雙層“魔轉角”的石墨烯在門電壓調控下可以出現1 K(-272.15℃)左右的超導電性。其中和超導相關的物理特性與銅氧化物高溫超導非常類似,從而有可能在乾淨的二維材料中完美模擬高溫超導現象。

  2019年,德國的A. P. Drozdov和M. I. Eremets等宣布La-H化合物在150萬個大氣壓可以實現215K(-58.15℃)的超導電性,美國的M. Somayazulu研究組緊接著宣布LaH10在190萬個大氣壓下可以出現260 K(-13.15℃)以上的超導,這是目前超導臨界溫度的最高記錄。

  2019年,美國斯坦福大學的H. Hwang和李丹楓等人在薄膜樣品實現15 K(-258.15℃)左右的超導電性,第一個鎳基超導體宣布被發現。

  2020年12月,美國加州大學聖芭芭拉分校的S. D. Wilson團隊宣布在具有籠目結構的AV3Sb5 (A = K, Rb, and Cs)體系發現2.5K(-270.65℃)左右超導電性。

  2023年7月,中山大學物理學院王猛團隊宣布在La3Ni2O7單晶樣品中發現高壓誘導的約80K(-193.15℃)超導電性(壓力為14 GPa),鎳基超導體臨界溫度正式突破了液氮溫區。

  惡補了【超導】材料發展歷程的夏安,終於對這一項科技有了足夠的認知。

  【這玩意兒的研發就是不斷試錯吧?!】

  夏安感覺終於找到了自己的用武之地。

  有什麽能比自己的【虛擬引擎】更方便的試錯工具麽?至少夏安自己想不出來。

  壓力給到【材料部】經理夏國平,讓其收集今年來熱門的超導材料分子結構式,然後花費了大概一個下午的時間,夏安就研究模擬出了這些材料的超導過程。

  【哎,草率了!】

  在放大超導過程的模型後,夏安感覺自己可能有些太樂觀了。

  肉眼不可見的電子就像一個個乒乓球,在原子之間彈來彈去。由於力的作用是相互的,在電子彈動的同時,電子中富含的能量會不可避免的向原子核傳輸。

  積少成多之後,原子核在電子的推動下也開始了運動。而這種運動基本上來說都是無規則的,也就是所謂的布朗運動。

  隨著功率越大,布朗運動就越劇烈,材料整體的溫度也會逐漸升高。

  這,也正是【電阻】特性產生的原理。

  有沒有一種分子式可以完全避免電子與原子核的“碰撞”?夏安想了想,覺得這不太可能。

  【所以所謂的【完美超導】在理論上根本就是不可能的嘛!?】

  不過夏安在仔細觀察模型後發現,已經證實的【低溫超導】現象,其實不過是用低溫將還處於布朗運動初期的材料,用【減震】的方式將其能量有效的引導到其他地方。

  而失去了布朗運動能量的原子核,對電子的反作用力將保持在一個較低的程度,這也就是超導的本質。

  【也就等於,電阻其實不是被減少了,而是被轉移了!】

  想通了這點,夏安感覺思路瞬間被打開了。

  【這樣的話,是否能設計一種高效的【減震】材料,使得電子運動所產生電阻熱量,被完美的轉移走並利用起來?】

  而什麽樣的材料對能量的傳導性最強呢?

  夏安表示,這道題自己剛好會。

  【電漿】

  作為凝聚態的等離子體,電漿對於布朗能量的傳遞極為高效,而且由於其外層電子已經脫離原子核束縛的關系,其甚至可以自發的給超導過程中逸散的電子補充電子。

  雖然當代早已有人用等離子作為導線來做實驗,但是結果也很明顯,其導電性能是也就是個戰五渣。

  微觀原因夏安也看的明白,等離子體本身並不能減少電阻,也就是並不能減少布朗運動的產生,那麽作為一個整體,其根本沒有作為超導材料的性質。

  然而,夏安想的是,巧妙的設計一個回路,用凝聚態的電漿來作為【傳導】介質,將電阻產生的熱量及時的轉移走,然後又用回到產生電流上!

  也就是說,理論上可以讓任何的材料都變成無需恆溫恆壓的超導材料!

  當然,作為核心傳導材料的導線,還是電阻越低越好,畢竟電漿傳導能量也是有損耗率的,如果導線傳導和電漿回收傳導兩者的損耗率加起來超過一定的臨界值,也無法做到超導。

  運用上電漿技術,這就好比在原有材料的導電性能上再加一個增益buf,這樣使得實現超導效應的技術難題驟減。

  夏安思考著自己這套方案的邏輯性。

  【首先所謂的超導,有兩個特性,其一就是電能通過導線的零損耗,其二就是超導材料本身的穩定性】

  【用持續的,接近絕對零度的低溫可以實現第二點,超導材料本身的穩定性,而達到這一步,只要材料本身的電阻較小,同時也可以極大的減少電能的損耗】

  【然而,如果能做到像新能源汽車一樣的能源回收利用,那麽借此來提高能量的使用率也是理所當然的】

  【如此一來,通過成熟的電漿技術,完全可以另辟蹊徑的實現超導效應!】

  【只是,這超導材料就不能是單一的物質,而是混合入電漿材料的工業製品,這對工業技術又是一場挑戰】

  【果然啊,工業才是一切科研實現的基礎】

  【看來在此之前,還需要把工業製備的技術再提升一個等級】
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