获得2016年最高科技奖的高温超导,到底是怎么回事儿?

作者:蝌蚪君来源:蝌蚪五线谱发布时间:2017-01-09

带你了解中国超导之父和神奇的超导。

  今天上午,屠呦呦、赵忠贤获得了2016年度最高科学技术奖,各获得奖金500万元人民币。

  屠呦呦大家都已经很熟悉了,曾获得2015年诺贝尔奖生理学或医学奖,这不,国家也再次高度认可了她的贡献,颁给她最高科技奖。

  那么,另外一位得主,赵忠贤又是谁呢?

  赵老在物理学界可是赫赫有名的大拿,他是中国科学院物理研究所的资深院士,高温超导事业的领军人物。

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  下面,先来介绍一下中科院物理所超导国家重点实验室。

  蝌蚪君曾经探访过超导国家重点实验室,它的铭牌挂在物理所D楼一层的角落,因年代关系显得有点陈旧,从历史与现实的沧桑中走来,这里沉淀了几代学人的学识,情怀与追寻。

  蝌蚪君从简介海报上了解到,超导国家重点实验室前身是物理所超导材料研究室,主任是李四光先生的女儿——著名物理学家李林先生。

  1991年4月,趁着高温超导研究掀起的热潮,超导国家重点实验室正式建成。

  以赵忠贤院士为代表的老一辈超导物理学家在极其艰苦卓绝的条件下开创起了中国超导研究的“国家队”,后来因为在铜基和铁基高温超导领域的杰出贡献,物理所的超导队伍先后两次荣获国家自然科学一等奖。

屠呦呦、赵忠贤荣获2016年度最高科学技术奖!

▲赵忠贤

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  赵老是著名物理学家、超导专家、中国科学院院士,第三世界科学院院士,曾两次获得国家自然科学奖一等奖,担任超导国家重点实验室主任。

  赵老做超导的故事本身就是一个艰苦创业的典范。

  20世纪80年代,中科院物理所也很穷,赵老自己就骑一个平板三轮车去运实验器材,可以说是经历了艰难困苦。

  1987年,他领导的研究组发现了高温超导现象,震惊了国际学术界。

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  看到这里,估计会有小伙伴产生这样的疑问:“超导”与“高温超导”的区别在哪里?

  超导的发现,说起来也是100多年前的事情了。

  这里面有一个核心技术难点,那就是低温。

  当时的荷兰,有一项科技非常厉害,那就是低温技术。

  如何产生低温呢?

  无他,大概就是液氮与液氦。

  液氮温度是零下196度,液氦的温度是零下269度。

  要知道,液氮其实便宜,因为空气中有很多氮气,所以只要把它液化,就可以拿出来做实验。

  现在很多饭店都用液氮来作为餐桌上的“仙气”,打造高端美食。

  因此,如果能在液氮里实现超导,是一件很有意义的事情,科学家称之为“高温超导”。

  什么?零下196度算是高温?

  是啊,因为很多东西在零下196度还不能产生超导现象呢!

  只能把温度降低到液氦的温度,零下269度。

  液氦这玩意儿就贵了,为什么?因为空气中的氦气很少,只能从矿石里提炼出来,因此很贵。

  直到现在,我们还要买美国的液氦来做超导实验。

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  什么是电阻?为什么超导体没有电阻?在液氦的温度下,会发生什么?

  一百多年前,荷兰人发现:在零下269度这个温度下,金属材料突然失去了电阻。这也是人类第一次发现超导现象。

  那么,究竟什么是电阻呢?

  电阻起源于载流子(电子或空穴)在材料中运动过程中受到的各种各样的阻尼。

  按照材料的常温电阻率从大到小可以分为绝缘体、半导体和导体。

  简单地说,物体的电阻起源于其内部的电子受到的撞击,这就好像一个人要穿过人潮汹涌的闹市,难免会精疲力竭消耗能量。

  那么,怎么样才能不发生撞击消耗能量呢?

  在低温下,一般超导体内电子不是单独行动的,而是两个两个捆绑在一起行走的,因此当一个电子因为撞击而失去动量的时候,另外一个电子会给它提供动量,这种相互支援的关系很像是一对夫妻,“这种随时补充动量的cp”就是不会损失能量的电子对,也就是常规超导体没有表现出电阻的原因。

屠呦呦、赵忠贤荣获2016年度最高科学技术奖!

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  超导体的两大特征

  当把超导材料降到某个特定温度以下的时候,将进入超导态,这时电阻将突降为零,同时所有外磁场磁力线将被排出超导体外,导致体内磁感应强度为零,即同时出现零电阻态和完全抗磁性。

  超导体的完全抗磁性并不依赖于超导体降温和加场的次序,也称为迈斯纳(Meissner)效应。

  一个材料是否为超导体,零电阻态和完全抗磁性是必须同时具有的两个独立特征。

屠呦呦、赵忠贤荣获2016年度最高科学技术奖!

  很多人往往忽视了这个完全抗磁性,其实这个就是超导磁悬浮高铁的基本原理。

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  超导有什么用?

  一般来说,超导态在低外磁场及低温下是稳定的有序量子态。

  超导体的一系列神奇特性意味着我们可以在低温下稳定地利用超导体,比如实现无损耗输电、超导滤波器、稳恒强磁场和高速磁悬浮车等。

  正因如此,自从超导发现以来,人们对超导材料的探索脚步一直不断向前,对超导微观机理和超导应用的研究热情也从未衰减。

  随着对超导研究的深入,一系列新的超导家族不断被发现,它们展现的新奇物理现象也在不断挑战人们对现有凝聚态物理的理解,同时实验技术手段也因此得以加速进步,理论概念更是取得了诸多飞跃。

  已逾百年的超导研究,在诸多科学家的推动下,依旧不断展示新的魅力!

  最后,蝌蚪君要感谢中国科学院物理研究所的老师们对本文创作的指导。

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  历届科学技术最高奖得主一览↓↓

  2000年

  吴文俊,中国数学机械化研究的创始人之一。

  袁隆平,"杂交水稻之父"。

  2001年

  王选,汉字激光照排系统的创始人;

  黄昆,中国固体物理学、半导体技术奠基人之一

  2002年

  金怡濂,中国巨型计算机事业的开拓者之一

  2003年

  刘东生,中国环境学专家、地质学家、"黄土之父"

  王永志,中国载人航天工程总设计师

  2004年

  最高奖得主空缺

  2005年

  叶笃正,著名气象学家

  吴孟超,"中国肝胆外科之父"

  2006年

  李振声,著名遗传学家、小麦育种学家

  2007年

  闵恩泽,石油化工催化剂专家

  吴征镒,著名植物学家,植物区系研究的权威学者

  2008年

  王忠诚,我国神经外科的开拓者之一

  徐光宪,著名的化学家和教育家、"稀土之父"

  2009年

  谷超豪,享有国际盛誉的数学家

  孙家栋,"两弹一星"功勋科学家、著名的航天技术专家

  2010年

  师昌绪,被誉为"高温合金之父"

  王振义,内科血液专家、血液研究的领军人物

  2011年

  谢家麟,我国粒子加速器事业的开拓者和奠基人

  吴良镛,被誉为"人居环境科学创建者"

  2012年

  郑哲敏,国际著名物理学家、力学家、爆炸力学专家

  王小谟,"中国预警机之父"

  2013年

  张存浩,我国高能化学激光、分子反应动力学开拓者和奠基人

  程开甲,我国核武器发展的开拓者和奠基人

  2014年

  于敏,我国著名的核物理学家、核武器研究和国防高技术发展的领军人物

  2015年

  最高奖得主空缺

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