地球上“最干净”的地方,就在西湖大学这个神奇实验室

来源:公共事务部 发布时间:2019-11-15 作者:崔娇娇



     

从左滑到右、从右滑到左,不管侧立还是倒挂,都能滑动不止……这块形似饼干的“白色”物体就这么稳稳地飘浮在轨道上方,像被一种神奇的力量精准地托举着,悬而不落,动而不歇。

演示实验的博士生冉鹏旭告诉我们,这个悬浮的方块物可不简单,它有一个复杂的名字叫YBaCu3O7(钇钡铜氧化合物),它还有个厉害的身份叫“超导体”。白色也不是它原来的肤色,只是它被冷却在低温下穿的一件由空气中的水蒸汽凝结而成的“霜衣”。

这个说起超导眼睛就会发光的西湖三期博士生来自何睿华实验室,这个实验室研究的主要内容之一正是超导材料的微观机制。

研究超导,一听就特别“高大上”。事实上,超导的研究历史已有108年,通过超导研究获得诺贝尔奖的科学家已有10多位。

超导到底是何方神物,引得众科学家前赴后继?本期Lab Show,让我们走进西湖大学理学院PI何睿华的实验室,看看他们是怎么研究超导的。



     

何睿华,2001(2004)年复旦大学学士(硕士),2010年美国斯坦福大学应用物理学博士,2010-2012年美国劳伦斯伯克利国家实验室先进光源博士后,2012年起任美国麻省波士顿学院物理系助理教授,2015年美国国家科学基金杰出青年学者(NSF CAREER),现为西湖大学理学院终身副教授,兼任美国东北大学理学院外聘教授和英国自然出版集团旗下Scientific Reports等杂志学术编委。


神奇的超导磁悬浮


《阿凡达中》的哈利路亚山(图片来源:网络)


2009年上映的科幻电影《阿凡达》,其中有一幕展示了一座座悬浮在云端的哈利路亚山。山为什么能够悬浮在天上?电影中解释,因为山里面有一种神奇的矿石,室温超导矿石(戏称为unobtanium),它借助潘多拉星球的地磁场悬托起了哈利路亚山。

彼时正在美国斯坦福大学读博的何睿华和妻子去看了这部新上映的电影,妻子对这一幕惊叹不已,她把自己的“十万个为什么”丢给何睿华。“超导矿石是什么?它有多重?它为什么能飘起来?……”

何睿华一直从事实验凝聚态物理基础研究,在他的学术成果中出现过很多个“首次”:首次在高温超导铜氧化合物中获得赝能隙态粒子-空穴对称性破缺的证据,首次实验上观测到固体中的三维负电子压缩率,分别首次观察到在铜氧化合物中的新型电荷与自旋有序现象,首次发现复杂氧化物绝缘体表面二维电子液体……你可能不了解这些“首次”发现的物理学内涵,但它们共同构筑了这位斯坦福博士勇于攀登凝聚态物理高峰的初心与决心。

事实上,超导算得上是凝聚态物理研究的一个核心问题。超导材料具有许多独特的电、磁、热等物理特性,其中最典型的就是当它降到足够低温度的时候,电阻会突然变为零。如果将超导体置于磁场环境下,超导体内将自动形成一个如“金钟罩”的屏蔽磁场,这会抵消外界磁场,导致超导体内磁场为零。



“超导体对外磁场的‘抗拒’会产生作用力,同时磁场对超导体也存在反作用力,而且越靠近磁体,该作用力增加得越多,因此将超导体置于磁铁上方的合适高度就可以达到抗磁力与重力的平衡,从而把超导体悬浮在空中。”冉鹏旭这样解释他所演示的超导磁悬浮原理。


地球上“最干净”的地方


早上八点,很多同学还在吃早饭,何睿华实验室的西湖一期博士生赵赓就来到了这台大型仪器前,一番熟练操作后,亮起的显示屏开启了一天的实验。

晚上十二点多,很多同学已经回寝室,赵赓又启动仪器烘烤模式。高温能加速金属中气体的释放,毕竟这个超高真空的仪器管道中,气压比外面大气低14个量级(百万亿倍),是地球上能实现的最极限的真空,堪称地球上“最干净”的地方。只有在这里面放置,材料的表面才不会有气体分子附着,一系列最灵敏的量子材料表征手段才能各显神通,从这个没被玷污的表面提取材料本征的多方面信息。

不同于很多化学、生物实验,你兑好试剂再按下按钮,实验就在那儿进行,非标准化实验的复杂性要求实验者长时间连续操作,进行实时数据分析,根据实验进度适时调整计划。



有时也需要不同领域专家的通力合作。眼前这台需要吊机才能移动的大型仪器设备,是何睿华自主设计并定制安装的,前后耗时超过一年。隔着一个球型存储区,通过超高真空连接的是一台同样尖端的材料生长仪器,它归属理化平台管理,但因其非标准化和复杂性,离不开专家的看管——它的“主人”理学院PI吴颉,刚刚入职西湖大学不久。同为早年共同求学复旦物理系的同窗,现在都成了高温超导研究领域的专家,何睿华擅长材料在超高真空下的表征,吴颉擅长材料在超高真空下的制备(“生长”),两人优势互补、“强强联手”让未来的实验探索值得期待。

“这不是简单的连接,它的定位非常独特,目前世界上还没有其他地方尝试去实现我们的技术概念。”何睿华如此评价这套互联设备,满满的自信。

世界仅此一份的设备到底独特在哪儿?一个是“高通量生长”,一个是“微区表征”,两相结合,绝无仅有。

有多“高”?何睿华画图演示,一个样品托1厘米X 1厘米,样品成份A沿着X轴变化,成份B沿着Y轴变化,每个方向上最多能同时“生长”200种不同成份的样品,这样一次样品制备就有40000次调试成份的机会,从而大大提高了对材料生长条件的摸索、优化和实验效率。而在此之前,一次样品制备只有一次调试成份的机会,一种全新材料的生长条件摸索和优化一般要花5~10年时间,这正是这个研究领域发展缓慢的症结。

“微区表征”又有多微小呢?5微米,比一根头发丝还小10倍。这样就能实现对同一个样品托上的40000个微小样品进行单独表征和系统的比较。互联设备上包含近十种微区“原位”表征手段,量子材料“出生”后,不用离开超高真空,表面不会被杂质玷污,全面而完整的表征得以有序开展,针对同一个样品表面所获得的数据质量高、可比性强,允许作出更可靠的科学结论。


科学家的室温超导梦


平时,生活闲聊抑或学术交流中,何睿华经常遇到的提问就是:超导材料到底有什么用?

超导有很多重要的效应,零电阻和抗磁性让人们对其应用充满渴望。每当遇到这样的提问,何睿华总是不厌其详地做起科普。

首先,一切用到电和磁的地方都可以用到超导体。比如输电,普遍使用的铜电线电阻虽低,但仍会损耗总传输电能的差不多10%。如果改用超导材料做电线,就可以节省这部分损耗,因为它的电阻是零。钇钡铜氧超导体需要冷却才能工作,而冷却需要耗能,尽管如此,它还是被广泛应用于大型变电站的枢纽装置中,因为输电功率大,省下的电线电阻损耗远大于要付出的制冷能耗,所以划得来。

至于与磁场相关的应用,医用核磁共振成像仪的核心部件就是一个超导电磁铁,它能产生成像所需的强磁场。为了把高速运动的粒子维持在一个稳定的轨道上加速运动,欧洲的大型强子对撞机使用了体积更大和磁场更强的超导电磁铁。大家更加熟悉的也许是超导磁悬浮列车。超导磁悬浮列车到底有多快呢?科学家有一个很大胆的想法,如果把磁悬浮的轨道放在真空管道里面去,这个时候没有空气阻力,速度能达到3000千米每小时以上,如果以这个速度行驶,杭州到北京只要半个小时。人可能不敢坐,但是至少可以用于运货?

除此之外,现实生活中我们好像就没能看到更多的超导相关产品了。没有普及的原因很简单,目前科学家找到的超导材料都需要在极低的温度下才能“超导”。最早被科学家发现的水银超导转变温度为-269℃,去年中国科大少年班曹原发现的扭角石墨烯超导转变温度为-271.3℃,铜氧化合物的超导转变温度已经很高,但最高也在-140℃以下,需要液氮冷却,这与我们的室温相去甚远。对材料加超高压可以提高超导转变温度,但更不利于应用。



何睿华认为,发现能在常温常压下工作的超导体尚需时日。纵观过去一百多年的研究史,超导的发现大多是偶然的,虽然不乏指导性理论,但预测能力都不强,这也让实验发现本身变得更可贵、迷人。

“室温超导是凝聚态物理研究的圣杯,没有之一。如果被发现,那将是革命性的科学突破,有可能引发新的工业革命。”这是何睿华从进入这个领域就根植于心的梦想。

它也是很多物理爱好者的梦想。《阿凡达》导演詹姆斯·卡梅隆在加州州立大学读的物理本科,他亦曾为室温超导着迷,能这样把它搬上银幕也算是慰藉了自己年少的梦想。虽然《阿凡达》并没有为他赢来又一个奥斯卡奖,但“只要有人能在地球上率先实现这个室温超导梦,他或她毫无疑问会拿诺贝尔奖,而且很可能是立刻拿!”何睿华说。

试想,如果有了室温超导体,我们可以在家里弄一个悬浮沙发,坐悬浮平衡车离开房间,沿着滑道离开悬浮住宅楼,坐上悬浮汽车……想着就酷!

也许多年后,也许不远的将来,人类就能享受超导带给我们的未来生活了。科学这么神奇,科学家这么努力,梦想怎会远呢?