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“简并态超导理论”可能是诺贝尔奖级的科学新发现



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  世界上最遥远的距离,不是你在天涯,我在海角,而是你住在四环,我堵在五环,你已准备下班,我却还在上班路上。

  人人都盼望有一路畅通的日子,用七十迈的速度,换来自由自在的心情。然而残酷的现实告诉我们,这种情况只有在深夜或者春节大假期这种特殊时段才能出现。

  

 

  图|北京的路况(来源:网络)

  在微观世界里,电子穿梭在周期有序排列的原子实“八卦阵”里面,也会遇到磕磕碰碰甚至“堵电”的情况,用物理语言来说就是电子受到了散射。

  如何让电子在材料内部畅行无阻呢?或者说,是否有那么一些“特殊情况”下,电子公路可以一路畅通无阻呢?物理学家一直在思考这个问题。

  自从1911年,荷兰物理学家卡末林·昂纳斯(Kamerling·Onnes)发现了低温超导体(汞温度4.2K以下电阻突然消失)以来,已过去110年。人们对超导理论(微观机制)以及超导技术应用的研究始终保持着高度热情。

  直到1957年,美国科学家巴丁(J.Bardeen)、库珀(L.V.Cooper)施里弗(J.R.Schrieffer)提出了低温超导理论(简称BCS理论),该理论的核心是提出了库珀电子对的概念。最初,人们以为BCS理论就是超导的终极理论。

  然而,该理论还存在一些疑问,将一超导圆环放在磁场中并冷却到临界温度以下,突然撤去磁场,则在超导环中将产生感生超导电流。实验发现,此电流可以持续几年也未发现有明显变化。根据BCS电子配对理论,超导圆环内的电子全部配对成功,那么这两束电子是如何形成超导电流的?它们又是如何保证几年都不发生碰撞?目前仍无法证明。

  自高温超导体发现以来,人们对高温超导微观机制的认识遇到了困难,BCS理论并不适用。基本问题在于,传统超导体适用的电子声子相互作用机制对高温超导体是否仍然适用?初步的实验和理论研究结果作了否定的回答。

  实验结果表明,高温超导体(主要是铜氧化物超导体)在结构和性质方面具有不同于传统超导体的显著特点,从而使BCS理论在高温超导微观机理的解释上变得困难重重,因此,各种新的超导理论机制应运而生,形成多种超导机制并存与相持的局面。

  由此可见,BCS理论并不是超导微观机理的终极解释,这可以说明,BCS理论是有缺陷的。到目前为止,科学家们虽然提出了不下20种高温超导理论,但还没有一种能同时解释低温超导和高温超导微观机制的理论,也没有一种能将超导态下的超导电子与常态下的自由电子相统一的理论。

  2004年,刘敦钰在其所著的《寻找自然的终极解释》书中,提出了一种全新的“简并相超导理论”,或称“简并态超导理论”。

  

 

  图|《寻找自然的终极解释》刘敦钰著(来源:网络)

  根据简并态超导理论,研究发现了新的超导微观物理机制,即在超导态下“超导自由电子气”与“简并正离子晶格”相对分离,不发生任何碰撞。或者,在超导态下,超导体内存在简并态超导电子通道或简并态负离子通道,超导电子通过简并态超导电子通道或简并态负离子通道时,不会与正离子发生任何碰撞。这一机制几乎可以解释已知的超导现象,如:零电阻现象、交流电下电阻不为零现象、原子的凝聚态现象、临界温度、临界磁场、临界电流、迈斯纳效应(超导体完全抗磁性)、伦敦方程、第一类超导体和第二类超导体、常规超导体与非常规超导等。

  研究还发现:低温超导态和高温超导态与室温超导态的微观机制是统一的;第一类超导体和第二类超导体的微观机制是统一的;用降温的方法和用加压的方法(或二者并用)使常态变为超导态的微观机制是统一的;先降温后加磁场和先加磁场后降温使常态达到超导态过程的微观机制是统一的;超导态下(超导体)的超导电子与常态下(导体)的自由电子是统一的。

  从这一微观机制出发,解决了BCS理论疑问和困难;较好地解释了超导0电阻性的实质和石墨烯低电阻率及具有超导电性的实质;很好地解释了地球、木星和土星地磁场的来源,并解释了“木星和土星反向磁场”以及“金星几乎不存在地磁场”的科学之谜;也较好地解释了太阳磁场来源及太阳黑子的产生的科学难题。还预言“简并氢可能存在并具有超导电性”。

  2020年10月14日,一篇关于室温超导的论文登上了《自然》(Nature)封面,引发轰动。论文显示,研究人员观察到一种氢化物材料在超高压下产生了室温超导现象,实现温度在15摄氏度左右。

  刘敦钰得知,虽然纽约罗切斯特大学兰加·迪亚斯团队的实验首次实现了室温超导体,但他们仍未找到理论依据。刘敦钰发现在其所著的《寻找自然的终极解释》一书中,所提出的“对金属氢施加超高压”的实验建议与上述罗切斯特大学兰加·迪亚斯团队的实验基本相同,其实验结论也与刘敦钰在其书中提出的“简并氢可能存在并具有超导电性”预言基本一致,并且,刘敦钰还发现在其书中提出的“简并态超导理论”可以合理而科学地解释兰加·迪亚斯团队的实验,为该实验提供了理论依据。

  于是,刘敦钰在《中国高新科技》杂志2021年第02期(总第86期)上发表了一篇题为《“简并氢可能存在并具有超导电性”及室温超导体的实验研究》的论文。

  

 

  图|杂志封面(来源:中国高新科技)

  该论文主要分为三大板块:“简并相超导理论”的提出、开发室温超导材料的研究方向和合成方法、“简并氢可能存在并具有超导电性”预言的提出。

  1、关于“简并相超导理论”的提出

  根据经典物理学,如果改变压强或温度之类的参数,物质从一种相转变为另一种相的过程,物质系统中物理、化学性质完全相同,与其他部分具有明显分界面的均匀部分称为相。

  如果我们规定加热、减压为顺过程,即从固相→液相→气相→等离子相的转变过程,那么其逆过程则为冷却、加压的过程,即从等离子相→气相→液相→固相的转变过程。

  为此,人们把物质态分为四大相:固相、液相、气相、等离子相,或者称为:固态、液态、气态、等离子态。

  除了这四种物质态外,还具有第五种物质态(或第五相)吗?

  根据相变原理、泡利不相容原理、能量最低原理和洪特规则及量子力学分析,发现了第五相(或第五态),即:简并相(或称简并态)。

  所谓简并相,即是:如果将单质金属晶体的温度降低后,根据量子力学的电子跃迁理论(或热力学的热胀冷缩原理),金属半径rm也应随之减小,当金属半径rm减小到原子实半径rs(或是已被电子填满的最外层原子轨道的半径,下同)时,不管温度再降低金属半径的最小值也只能等于原子实半径。因此,能使单质金属晶体的金属半径达到最小值时的温度就是临界温度TC,这个最小值等于原子实半径。在金属晶体中正离子(即原子实)的原子轨道已被原子实的核外电子全充满,这时,金属晶格内正离子(即原子实)之间处于简并态。根据泡利不相容原理,在金属晶格中处于简并态的正离子之间的原子(或分子)轨道就不可能再充填电子,或者说处于简并态的金属原子实之间靠得很近很近,可视为没有任何空隙再容纳自由电子。这时,金属晶体中的价电子(自由电子)就被金属晶格内的正离子(即原子实)之间的简并压力挤压出晶格外,集中处于金属晶体的表层(或和内层晶格之间的电子层),而内层只剩下处于简并状态的金属离子(即原子实)。这种处于简并状态的内层金属离子结构叫做内层的“简并金属晶格”(或称简并正离子晶格,下同)。所以,当金属晶体的温度降低达到临界温度TC时,在金属晶体中则形成表层(或和内层简并金属晶格之间,下同)的“自由电子气”和内层的“简并金属晶格”。在这种状态下,表层的“自由电子气”和内层的“简并金属晶格”是相对分离的,并且表层的“自由电子气”集体处于同一能级中,因而在金属晶体中表层的“自由电子气”则绕内层的“简并金属晶格”作无规则自由运动。在这一临界温度下,由表层“自由电子气”和内层的“简并金属晶格”组成的金属晶体称为正离子简并态(或称简并相金属晶体)。由此可见,自然界存在第五种物质态。由于在临界温度TC下的正离子简并态,其表层的“自由电子气”和内层的“简并正离子晶格”相对分离,所以,根据电阻的本质可知,简并相金属晶体表现为0电阻特性,即在外电场或外磁场的作用下简并相金属晶体具有超导电性。因此,在临界温度TC下,具有正离子简并态的晶体,就是超导体,或称超导态。

  根据能带理论,在单质(或元素)超导体中,表层属于超导带,内层的“简并金属晶格”属于禁带。由此可见,单质超导态必存在自由电子气与金属离子(或正离子)不会发生任何碰撞的简并态超导电子通道,自由电子气即是超导电子。

  又根据相变原理和量子力学,在简并态下,某些化合物材料内部的结构,如果负离子与负离子之间是衔接并形成通道的,那么这些化合物材料内部的价电子可以自由地从一个负离子移到另一个负离子,可以看作这些价电子为离子键化合物中的许多负离子所共有。这种能使自由电子在离子键化合物中流动的结构称为“简并态负离子通道”,不是所有的化合物材料都具有“负离子通道”的,这是由它自身的化学结构决定的。只有在低温或并施以高压(或单独施以高压)的状态下,能使具有离子键的化合物产生“负离子通道效应”时,这种化合物材料才具有超导电性。

  负离子通道效应的微观物理机制是:在超导态下,由于在离子化合物中的“金属晶系”处于简并态,所以“简并态负离子通道”中的自由电子不可能进入“简并金属晶系”,或者说,化合物超导体中“简并态负离子通道”的“自由电子气”和“简并金属晶系”是相对分离的,不发生任何碰撞。因此,在没有外电场或外磁场的状态下,在化合物超导体中“简并态负离子通道”的“自由电子气”作无规则自由运动。在外电场或外磁场的作用下,化合物超导体中“简并态负离子通道”的“自由电子气”作定向运动或圆周运动,从而形成超导电流或超导环流。

  根据能带理论,在化合物超导体中,“简并金属晶系”属于禁带,“简并态负离子通道”属于超导带。

  不管是低温超导体,还是高温超导体,或室温(或常温)超导体,其实质都是超导体内自由电子气(即超导电子)与简并态正离子(或简并正离子晶格或晶系)相对分离,不发生任何碰撞而出现的0电阻效应。

  2、关于开发室温超导材料的研究方向和合成方法

  又根据上述简并态超导理论,用降温的方法达到临界温度进入超导态(或简并态)只是一种手段之一,除了降温的方法还可以采用施加压力的方法,或二者并用。不管那一种超导体材料(包括低温、高温、室温超导材料),其内部结构也是相似的,要么存在简并态超导电子通道(包括表层的或内层的通道),要么存在简并态负离子通道。只要具备这样特性的材料就有可能成为超导材料。由此预见,合成室温(或常温)超导材料是可能实现的。

  还根据该理论,刘敦钰提出了室温超导材料的研究方向和合成方法。比如,研究合成简并阳离子晶体的方法,有可能合成“阳离子晶体”室温(或常温)超导材料;又比如,研究合理配置超导材料的内部结构,使其形成具有简并态超导电子通道或简并态负离子通道的方法,也可能合成合金类、混合体类或化合物类室温(或常温)超导材料。

  3、关于“简并氢可能存在并具有超导电性”预言的提出

  17年前(2004年),刘敦钰在其所著的《寻找自然的终极解释》书中,提出了“简并氢可能存在并具有超导电性”的预言。

  什么是简并氢?按常态,氢可分为:等离子态、气态、液态和固态。而我们知道,将固态氢施以高压就可以变成金属氢,或者温度较高的液态氢施以超高压也可以变成金属氢。由于金属氢中的电子能够自由运动,所以金属氢具有像单质金属一样的导电性。

  按照简并态超导理论,如果将金属氢再施以更高的压力,那么金属氢就有可能变成简并氢。这样,简并氢应与简并金属晶体相似,其内部形成表层的“自由电子气”和内层的“简并氢离子晶格”。在这种状态下,表层的“自由电子气”和内层的“简并氢离子晶格”是相对分离的。由此可以推断:简并氢可能具有超导电性。

  

 

  图|高压下的简并氢示意图(来源:网络)

  为了证明“简并氢可能存在并具有超导电性”的预言,刘敦钰在该书中还提出了“对金属氢施加超高压”的实验建议:先把低温状态下的固体氢加压使其变为金属氢,再对金属氢施加超高压可能变成简并氢,然后放入稳定的磁场中,观察是否具有超导现象。在实验中,应在不同的超高压实验下观察,如果观察到超导现象,则测出它的临界温度和临界压力与临界磁场;如果还没有观察到超导现象,则继续降低温度和施以更高的压力,再观察。如果观察到超导现象,那么证明“简并氢可能存在并具有超导电性”的预言成立,同时也证明简并相超导理论成立。

  刘敦钰提出的实验建议与上述罗切斯特大学兰加·迪亚斯团队的实验基本相符:

  (1)17年前刘敦钰只能从理论上建议对金属氢施加超高压,还不能给出具体的施加压力的数据,而在上述罗切斯特大学兰加·迪亚斯团队的实验施加的压力约为地心压力的70%,这的确是超高压。这一点正符合刘敦钰实验建议的第一个要素——超高压。

  (2)刘敦钰提出的实验建议选用被施压的材料是金属氢,而在上述罗切斯特大学兰加·迪亚斯团队的实验选用的材料是金属般的固体氢,实验中他们给氢加入碳和硫,目的是能降低制造难度。这一点也基本符合刘敦钰实验建议的第二个要素——金属氢。

  罗切斯特大学兰加·迪亚斯团队的实验发现在温度约为15℃室温状态下测出超导现象。而刘敦钰根据其提出的简并态超导理论和应用简并态超导技术合成室温超导材料的方法,推断合成阳离子晶体(或合金晶体)室温超导材料成为可能。

  

 

  图|杂志封面(来源:Nature)

  根据简并态超导理论,把金属氢加压后变成的“简并氢”可理解为“单质简并金属晶体”,即是单质超导体(或称元素超导体),它属于第一类超导体;把“氢加入碳和硫”加压后形成金属般的固体氢可理解为“金属氢合金”或“多质简并金属晶体”,即是“合金超导体”,它属于第二类超导体。

  由此可见,纽约罗切斯特大学的兰加·迪亚斯团队的实验应该说可以直接证实了刘敦钰在17年前(2004年)提出的“简并氢可能存在并具有超导电性”的预言成立,同时也可以直接证明了“简并态超导理论”符合客观性。

  百余年来,科学家们一直在探索超导的理论极限,据统计,通过超导研究直接获得诺贝尔奖的科学家已有 10 位,其重要性由此可见一斑。

  1908年,荷兰物理学家昂内斯成功地液化了氦气,1911年发现了某些金属在液氦温度下电阻突然消失,即“超导电性”现象,于 1913年获奖。

  1938年,Kapitsa发现液氦的超流性,即不具有粘性。这是因为整数自旋的粒子可以结合在一起,形成波色爱因斯坦凝聚,从而不受其他干扰。Kapitsa因此工作荣获1978年代诺贝尔物理学奖。

  1957年,巴丁、库珀和施里弗合作创建了超导微观理论,于1972年获奖,这一理论能对超导电性作出正确的解释,并极大地促进了超导电性和超导磁体的研究与应用。

  1962年,英国物理学家约瑟夫森预言存在超导电子对隧道电流,第二年这一预言被实验证实, 并被命名为约瑟夫森效应,于1973年获奖。

  1957年,挪威裔美国物理学家贾埃弗完成了量子力学隧道效应实验,于1973年获奖。

  1983年,德国物理学家缪勒和瑞士物理学家柏德诺兹合作进行超导研究,三年后发现了钡镧铜氧体系高温超导化合物,于1987年获奖。

  2003年,俄罗斯物理学家阿布里科索夫、金兹布尔格和英国物理学家利盖特,由于在创立解释量子论中的两大现象:超导体和超流体方面的理论方面作出突出贡献,从而获奖。

  

 

  图|通过超导获诺贝尔奖的科学家们(来源:网络)

  由此可见,超导的零电阻性质具有巨大的应用潜力,只要用电的地方,就可以用得上超导材料。

  因此,很多网友大胆猜测:“简并态超导理论”及“简并氢可能存在并具有超导电性”预言可能是诺贝尔奖级的科学新发现!




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