坦白说,我们一点也不期待室温超导磁共振。相较之下,我们更期待无(低)液氦超导磁共振,这才是目之所及的未来。
“为什么”系列第35篇,讨论今年以来比较火的话题:室温超导,以及我们更为关心的室温超导磁共振。
似乎,2023年成为了“室温超导年”,先有美国团队宣称其合成的三元镥-氮-氢体系材料,在1万个大气压下实现了室温超导(临界温度21 ℃);后又韩国团队宣称其合成的LK-99材料,能在常压下实现实现了室温超导(临界温度127 ℃)。 室温超导一直是科学家们的梦想,若能成功实现,或将极大地拓展超导技术的应用领域,并引发“第四次工业革命”,人类真的能摘下室温超导这一物理学“圣杯”吗?
我们没能力辨别其真假,目前来看“子弹还要再飞一会”;不过,讨论室温超导磁共振或许是一件很有趣的事儿,于是又来一本正经的胡说八道。
1913年,荷兰物理学家卡末林·昂内斯,因其“对低温下物质特性的研究,特别是导致了液氦的产生”获得了诺贝尔物理学奖。不过,“零度先生”昂内斯更为后人熟知的贡献便是其意外发现的超导现象。
他发现,当温度降至4.2K(-268.98℃)时,汞的电阻突然消失,这是人类首次发现超导现象;他发现,低温汞材料的电阻率是铜的100亿分之一,这在某种程度上预示着如果在这种材料上通1A的电流,需要1000亿年才能消耗殆尽,这就是超导的完全导电性;他还发现锡、铅等许多金属与合金都具有与类似的低温超导特性,而常压下超导临界温度最高端的是铌(9.2K),这便是超导磁共振的重要原材料。
1957年,美国物理学家约翰·巴丁(Bardeen)、里昂·库伯(Cooper)和约翰·施里弗(Schrieffer)提出了著名的BCS 理论,从理论角度解释了超导现象,标志着超导理论的正式建立,使超导研究进入了一个新的阶段。 1968年,美国物理学家威廉·麦克米兰,根据BCS理论得到超导体临界温度上限的公式,在理论上预言了超导体临界温度的上限是40K,即麦克米兰极限。
幸好,这非常令人沮丧预言在1986年被打破,彼时IBM两位科学家柏诺兹和缪勒发现La-Ba-Cu-O化合物(即铜氧化物)的超导临界温度达到35K(约为零下240℃),他们于次年获得诺贝尔物理学奖,成为诺奖历史上从做出发现到授奖最短的时间记录之一。
铜氧化物超导体的出现标志着高温超导的诞生,引发了全球范围高温超导研究的热潮,休斯顿大学华裔科学家朱经武和吴茂昆获得了临界温度为98K的超导体;中科院物理所赵忠贤及其团队获得了临界温度为100K的超导体,从此超导体临界温度进入液氮温区(77K)。在不到两年时间里,研究者通过元素替代将这类铜氧化物的超导临界温度提升到135K,这也是目前常压下的超导临界温度的最高记录。
是麦克米兰错了吗?不是,是新发现的铜氧化物超导体已超出BCS理论适合使用的范围。迄今,高温超导机理依然是未解之谜,解决高温超导机理也被Science杂志列为是人类面临的125个重要科学问题之一。
随后的几十年,超导材料研究走向了高压时代,靠着“蛮力和运气”,超导临界温度一直在提高,甚至达到室温,与此同时实现超导的压力也非常恐怖,达到上百万倍大气压,距离实用性依然有很远的距离。
不过,常压室温超导才是我们追求的,这也就是为什么室温超导的新闻如此让人激动。今天能否实现常压室温超导,我们不得而知;但在我们解开高温超导之迷以后,或许未来可期。
荷兰理论物理学家保罗·埃伦费斯特说过,超导环路里是“永不消逝的电流”。因此,有电的地方,就有超导的用武之地。
自1911年发现超导现象以来的100多年,超导技术发挥逐渐重要作用。在低温超导领域,1960年代发现的NbTi低温超导材料和1980年代诞生的超导磁共振成为标志性事件,随后另一种低温超导Nb3Sn也应用于对撞机等科学装置。
直到今天,低温超导材料在批量化加工技术、成本、使用稳定性方面的优势仍无可替代。
在高温超导领域,2000年YBCO第二代高温超导带材问世之后,高温超导得到了实质性发展,一方面成本下降和良率提升都呈现明显加速,另一方面在超导线缆、可控核聚变、高温超导感应加热设备等领域展开了规模化商业应用。
或许你会问,为什么超导磁共振依然不能使用高温超导材料,这样我们就再也用不着担心液氦短缺问题了。这是很好的问题,因为与低温超导设备相比,高温超导设备的优势很明显,如可以工作在更高的温区(77K),能产生更高的稳定磁场强度、有更高的热惯性、能应用在更复杂恶劣的环境。
首先,成本问题。尽管高温超导产业链越来越成熟,成本越来越低,但依然是NbTi的10倍以上。 以1.5T磁共振为例,其超导磁体成本已降低至50万元左右,但如果更换为高温超导材料,仅超导磁体成本将高达500万元,不要说3T,恐怕连5T、7T都没办法忍受。面对如此高昂的成本,液氮再便宜又如何? 其次,技术问题。目前高温超导并不适合应用于磁共振领域,尚有大量技术问题是需要克服,在此我们就不展开。退一万步,即便解决了技术问题,如果成本仍然很高,也依然很难应用在磁共振领域。 或许你又会问,既然室温超导有可能实现,那我们能否跳过高温超导,直接实现室温超导磁共振?
这也是个很好的问题,众所周知超导具有3个临界值,即临界温度 Tc、临界电流Ic 和临界磁场Hc,三者之间相互制约并形成临界值曲面,只有当温度、电流和磁场在临界值曲面上或内部时,才会进入超导态。 以超导磁共振NbTi为例,其在4.2 K时的临界磁场为12T,一旦临界温度升高,其临界磁场必然降低,温度越高临界磁场。因此,我们很容易理解,室温超导磁体的临界磁场必然很低,一旦低于1.5T(几乎是必然的),室温超导磁共振对我们则基本没意义,毕竟高场磁共振才是我们想的。
退一万步,即便临界温度和临界磁场均能满足超导磁共振需求,那么其临界电流密度必然很低,一旦低于100A/mm^2,也做不了超导磁体。
再退一万步,即便室温超导真的实现了,其应用到超导磁共振这种特殊领域,也需要相当相当长的时间,不仅我们这一代人特别难看到室温超导磁共振,下一代也不一定可以看到。
或许,我们还会好奇,室温超导磁共振万一实现了呢,又会给我们大家带来啥好处呢?
有的说会更便宜、有的说会便携、有的说会加快成像速度、有的说会带来新技术,事实真的会如此吗?
从系统角度,超导磁共振由主计算机、谱仪、磁体、射频线圈、梯度线圈和功率放大器等部件组成,其中磁体负责为磁共振提供主磁场,也是整个磁共振最贵的部分。
因此,即便实现了室温超导磁共振,超导磁共振也不会有大的变化,显然不会带来新技术,也不会加快成像速度;常温超材料也大概率比低温超导材料贵,显然也不会使磁共振更便宜。 万一实现了室温超导磁共振,其最大的改变或许只是主磁体和外设系统,因为不需要超低温和隔热层,超导磁体会相对更小、更轻,但也只是相对,毕竟磁体的温孔孔径仍要至少保持900mm;因为不再需要4K冷头,也就不需要液氦冷却和大型冷水机,但仍需要小型冷水机以保持磁体和梯度温度即可,超导磁共振会相对更安全和更便携。
除此之外,看不到其他。或许室温超导对电网、高铁、量子计算机等领域有巨大价值,但是对超导磁共振领域影响不大。
坦白说,我们一点也不期待室温超导磁共振。相较之下,我们更期待无(低)液氦超导磁共振,这才是目之所及的未来。。。
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