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常温超导

发表时间:2019-12-12 16:55


    2018《自然》杂志年度十大人物评选出炉,居十大人物之首的是22岁中国天才科学家曹原。2018年3月5日,《自然》背靠背发布了两篇以曹原为第一作者关于“魔角”石墨烯的重磅论文。这名中科大少年班的毕业生、美国麻省理工学院的博士生发现当两层平行石墨烯堆成约1.1°的微妙角度,就会产生神奇的超导效应。这一发现轰动国际学界,直接开辟了凝聚态物理的一块新领域。如今,正有无数学者试图重复、拓展他的研究。

《自然》封面以魔角石墨烯概念设计

    《自然》杂志是全球最顶尖的科学杂志,能在自然发布论文,是很多国内外科学家一生的梦想,而这次2018的年度评选把这位出生在1995年的少年科学家曹原的发现放在年度论文之首,足以想见科学界对这次发现的重视程度。这期《自然》的封面就是以“魔角”石墨烯的概念为原型设计的。

魔角石墨烯示意图

    “魔角”石墨烯研究最让人兴奋的地方之一,是它对高温超导体的理论意义,虽然它也是在接   近绝对0度的状态下做的,但它以极为简单的形式模拟了高温超导体的特性。对高温超导体的研究有里程碑式的意义。高温超导体一般是指超导的临界温度比液氮温度(零下196度)要高的物体,相对的,超导临界温度从绝对0度到零下196度之间的物体,是低温超导体。人们现在对低温超导体的研究比较清楚了,但对高温超导体的超导物理原理以及相关的凝聚态物理,仍然是物理学中不为人知的地带。而“魔角”石墨烯的研究,可能打破这种现状,成为常温超导体的研究的里程碑。

石墨烯

    1911年荷兰科学家卡末林发现了汞的超导电性,从而发现超导现象,仅仅两年后的1913年就获得了诺贝尔奖。并成为低温物理学的奠基人。“魔角”石墨烯的研究,再次证明了在超导体领域的任何研究,都可能牵动整个自然科学的神经。

海克·卡末林·昂内斯

    那常温超导体到底有什么意义呢?简单来说,凡是用到电的地方,它都有划时代的意义。指尖科技说和你一起盘点:

1.超导电器。超导体没有电阻,会极大推动现有电子技术的使用。我们日常的应用电子技术,都是基于有电阻的电路,由于电阻产生的电的消耗是极为巨大的,人们为了电阻产生的散热问题,投入了无数资源。电脑会变成超导计算机,想象你的电脑没有电阻,不再需要散热,电脑可以更轻薄。使用超导晶体管的集成电路,电脑的速度直接可以有几十几百倍的提升;用电的效率更高,家里的用电量就直接降低了,灯泡却更亮了,电动车跑的更快了,电器的使用变得更加方便,更多的精细电元件可以使用到我们的生活中。据说现在已经有很多公司在研究超导计算机和量子计算机。



超导计算机


超导计算机细节






2.量子计算机。现在已经被研制出来的两台量子计算机,一台是基于电磁激光技术,一台是基于超导微波技术。其中IBM公司的基于超导微波技术的量子计算机已经让人们看到了超导体在计算机领域的可行性。

IBM的量子计算机

3.超导发电。目前,超导发电机有两种含义。一种含义是将普通发电机的铜绕组换成超导体绕组,以提高电流密度和磁场强度,具有发电容量大、体积小、重量轻、电抗小、效率高的优势。另一种含义是指超导磁流体发电机,磁流体发电机具有效率高、发电容量大等优点,但传统磁体在发电过程中会产生很大的损耗,而超导磁体自身损耗小,可以弥补这一不足。发电损失降到最低,也可能会导致放发电变得更加容易,可能我们身边很多能源都可以用做发电元件提供日常用电,如太阳能、运动能。

超导发电图解

4.超导输电:由超导材料制作的超导电线和超导变压器,可以把电力几乎无损耗地输送给用户。据统计,用铜或铝导线输电,约有15%的电能损耗在输电线路上,光是在中国,每年的电力损失即达1000多亿度。若改为超导输电,节省的电能相当于新建数十个大型发电厂。

超导输电和传统输电

5.磁悬浮交通。超导磁悬浮列车:利用超导材料的抗磁性,将超导材料放在一块永久磁体的上方,由于磁体的磁力线不能穿过超导体,磁体和超导体之间会产生排斥力,使超导体悬浮在磁体上方。利用这种磁悬浮效应可以制作高速超导磁悬浮列车。磁悬浮汽车:这种汽车据说已经被发明出来,但如果超导技术成熟,即可进入实用阶段。磁悬浮轮胎,有报道说磁悬浮轮胎的原型已经被一位中国小伙发明,具有现在轮胎所不具有的高性能特性。还有磁悬浮滑板,可能会代替我们日常行走。

磁悬浮轮胎

6.磁悬浮机械。把磁悬浮特性应用到在机械研发上,可使重要元件没有摩擦力,机械的制动效率和速度会大大增加,能够做到现有机械做不到的很多功能。

磁悬浮输送

7.磁悬浮建筑。磁悬浮技术可以让人类更加高效的利用空间,也许将来人类生活在空中就不再是梦想。当生活用品用上磁悬浮的技术,我们的生活会变得无比的便利。

磁悬浮建筑


反重力建筑

8.超导医疗。据说医疗行业现在已经有了超导磁力共振仪,可以对很多重要疾病进行诊断。

超导核磁共振

9.核聚变反应堆“磁封闭体”:核聚变反应时,内部温度高达1亿~2亿摄氏度,没有任何常规材料可以包容这些物质。而超导体产生的强磁场可以作为“磁封闭体”,将热核反应堆中的超高温等离子体包围、约束起来,然后慢慢释放,从而使受控核聚变能源成为21世纪前景广阔的新能源。由于核聚变原料的广泛性,能源问题有望就被彻底解决。即使远距离的太空旅行也会变得有可能。

可控核聚变示意图

可控核聚变反应堆

可以遇见一旦常温超导体技术成熟,肯定会有一场超级技术革命,从此整个世界都会改变一个模样。如果有其他设想也欢迎您留言。


文章分类: 科技前沿
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