美海军从产生超导物理机制着手申请的室温超导体专利

电流在超导体内能不受阻力的影响,可以100%传递电能,不损失能量也不产生废热。如果能在室温实现超导体,将是一个颠覆性技术美国海军发表了一份关于室温超导体的专利。不同于其他同性质的专利,它并不着重于任何化学材料配方,而是描述一个能产生超导的物理机制。尽管专利内并没有实验数据佐证,其提出的方法可信度非常高。

超导体在脉冲下产生震荡示意图

超导体在脉冲下产生震荡示意图

室温超导体专利

在超导体的研究中,科学家不断发现新材料,使得超导现象能在更高温度实现。但在美军的这一份专利中,材料的配方不是重点,关键则在于引发超导现象的物理机制。下图是专利中的设计图。装置的核心是一个绝缘体(没有说明材料种类)。绝缘体的周围被压电材料或是金属等薄膜包覆(铝或锌钛酸铅)。在通过脉冲电流时,整个装置产生震动,室温超导现象因而被激发。在解释其原理之前,先让我们快速复习一下超导体的基本特性。

美军专利中的压电感应室温超导体设计图

美军专利中的压电感应室温超导体设计图

超导体的二三事

超导现象可以用BCS(Bardeen-Cooper-Schrieffer)理论解释。当两个电子在材料之中因为「某种吸引力」形成一个库柏电子对(Cooper pairs)。虽然电子是费米子,库柏电子对却是一个波色子。在足够低温下,库柏电子对发生凝聚现象,超导性质因而产生。

BCS理论中并不要求「某种吸引力」的来源,只要是有吸引力就好了。库仑定律告诉我们两个带有相同电荷的粒子会互相排斥,两个电子究竟要怎么产生吸引力呢?公认的解释是声波震动的作用:震动的原子核扮演中间人的角色,使得两个电子互相吸引。

声波扮演格外重要的角色

超导体具有一个临界温度,只有在临界温度以下才有超导性质。经过科学家不断的研究和发现新材料,临界温度从一开始接近绝对零度(0K)逐渐升高到100K以上。提高超导体临界温度的其中一个关键是声波的特性。当材料原子之间的键结越强或者是原子越轻,声波的震动频率会越高,临界温度也会越高。因此,提升临界温度的方法之一是将超导材料中的部分原子替换成质量越小、键结越强的原子。

超导体临界温度的发展

超导体临界温度的发展

除了寻找新材料和替换原子,也可以通过物理方法改变声波特性,让临界温度更高。以下介绍两个在美军专利中提到的参考资料。第一个方法是增加压力。在氢化镧(LaH 10)之中,由于氢原子质量非常小,声波频率本身就高。科学家对氢化镧施加上百万个大气压的压力,让原子间键结增强,临界温度可以更进一步地提升到200K以上。尽管临界温度接近室温,却需要百万个大气压,无法应用在日常生活中。第二个方法是用雷射激发超导。具有特定频率和极性的雷射可以激发材料中特定的声波,使得材料在原子尺度下产生大幅度的形变。若要用外加压力产生相同的形变,需要超过上百万个大气压。使用雷射方法可以在室温、室压达到超导现象,但有一个致命的缺点:超导现象只能维持大约1皮秒(1 picosecond = 10 -12 second),时间尺度太短而无法应用在日常生活中。

美军发表的室温超导体

美军专利和「雷射激发超导」使用的物理原理相同,但是它不使用雷射,而是使用压电材料。压电材料在受高压电时,其长度会发生变化。若通入脉冲电流或是交流电,压电材料会产生震动,在材料中产生声波。美军专利就是用这样的原理在材料中产生特定的声波,使得临界温度提升到室温。尽管没有提及环境压力,但是依照专利的文章脉络,这个现象应能在室压下产生。至于这份专利能不能长时间激发超导现象(超过雷射激发的1皮秒),美军目前并没有公布。[作者 陈奕廷,台大物理系学士,史丹佛大学应用物理系博士]

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