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超导“小时代”:超导的前世、今生和未来 | 罗会仟

发布:2024-09-22 浏览:64

核心提示:关注风云之声提升思维层次导读本书主要围绕超导研究之路上发生的科学事件,介绍超导材料的基本性质和主要应用场景,讲述在不同历史阶段各种超导材料发现的背景和历程。作者 罗会仟清华大学出版社内容简介本书主要围绕超导研究之路上发生的科学事件,介绍超导材料的基本性质和主要应用场景,讲述在不同历史阶段各种超导材料发现的背景和历程。本书旨在通过介绍超导相关的知识和故事,弘扬探索发现和勇于尝试的科学家精神,揭示基础前沿研究中的各种科学问题,展望未来科技发展的方向。全书分六章,计38个小节,283张精美插图,365页。内容注

关注风云之声提升思维层次导读本书主要围绕超导研究之路上发生的科学事件,介绍超导材料的基本性质和主要应用场景,讲述在不同历史阶段各种超导材料发现的背景和历程。
作者 罗会仟清华大学出版社内容简介本书主要围绕超导研究之路上发生的科学事件,介绍超导材料的基本性质和主要应用场景,讲述在不同历史阶段各种超导材料发现的背景和历程。
本书旨在通过介绍超导相关的知识和故事,弘扬探索发现和勇于尝试的科学家精神,揭示基础前沿研究中的各种科学问题,展望未来科技发展的方向。
全书分六章,计38个小节,283张精美插图,365页。
内容注重介绍超导研究的科学性、相关物理知识的系统性、文字叙述的故事性和趣味性,同时传递科学家在基础科学研究中的执著精神和认真态度。
全书六章,以轻松幽默的叙事语言讲述超导研究历程上的故事:在“启蒙时代”里,人们敬畏自然、理解自然,从普通的电磁现象,深入到了物质的内部结构和机制;在“金石时代”里,超导现象被发现,炼丹炒菜外加十八般武艺,初步认识了这个神奇的物理现象;在“青木时代”里,超导材料大爆发,各种各样的新超导材料,没有做不到,只有想不到;在“黑铜时代”里,高温超导横空出世,物理学皇冠上的明珠,是那么地耀眼,纷繁复杂的物理现象,是那么地激动人心;在“白铁时代”里,铁基超导意外发现,超导家族空前繁荣,非常规超导机理似乎触手可及;在“云梦时代”里,室温超导或许很有可能,新超导材料如雨后春笋,超导机理研究不断带来重要启示,我们甚至畅想未来超导世界,如梦想般的美好。
这一个接一个的“小时代”,中国科学家的身影也越来越多,他们在超导研究领域取得了令世人瞩目的成就,甚至有的已经引领凝聚态物理最前沿。
本书定位让具有高中文化程度的读者基本读懂,理工科大学生及以上水平读者可以进一步参照相关参考文献进行延伸阅读。
受众主要是具有理科背景的中学生、大学生以及社会公众,并为理工科研究生深入了解超导知识提供准确的文献指引,也为自然科学史相关研究团队提供可靠素材。
作者简介罗会仟,1982年生于江西南康,2004年毕业于北京师范大学物理系,2009年在中国科学院物理研究所获理学博士学位,之后留所工作至今。
主要从事高温超导机理的实验研究,已发表学术论文百余篇。
科普代表作有:《“无理”的物理》、《水煮物理》、《十万个为什么》(第六版 物理卷)、《物理学的足迹》等。
作品获首届全国青年科学博客大赛“最佳科学博客奖”、第四届“中国科普作家协会优秀科普作品奖”金奖、2018年度上海市科技进步二等奖等。
作者自序我第一次为超导着迷,是在2003年。
那一年,我在北京师范大学物理系读大三。
在那个春夏之交的季节,“非典”肆虐京城,所有高校都采取了停课封校措施。
不上课的我们,除了在宿舍刷《寻秦记》,在体育场闲聊瞎逛,也有了大把时间坐在图书馆静静地看书。
偶然发现的三本科普书:《超越自由:神奇的超导体》(章立源 著)、《超导物理学发展简史》(刘兵、章立源 著)、《边缘奇迹:相变和临界现象》(于渌、郝柏林、陈晓松著),带我走进了神奇的超导世界。
我第二次与超导结缘,是在2004年。
那一年,我大四毕业,面临未来的抉择。
是选择实现儿时的理想,继承父辈的期望,成为一名人民教师?还是选择发掘自己的兴趣,走上科学的道路,成为一名研究生?我毫不犹豫选择了后者。
在经历惊险的免试推荐环节后,我幸运地来到了中国科学院物理研究所,幸运地遇到了一位极其渊博敬业的导师,幸运地开启了我在超导国家重点实验室的五年硕博连读生涯。
博士研究生的生活,可以用清苦和枯燥来概括。
我的工作,就是日复一日地“烧炉子”,用光学浮区法生长铜氧化物高温超导单晶并测量其电磁物性。
生长了数十根单晶,测量了数百个样品,得到了一堆可能并不是很有趣的数据。
眼看毕业临近,论文却还遥遥无期,深感郁闷和苦楚。
然而在2008年,又一次幸运地赶上了铁基超导研究的热潮,于是,论文和毕业,都不再是问题。
我第三次和超导相恋,是在2009年。
那一年,我博士毕业,又一次面临人生抉择。
物理所的同学们大部分都选择了出国留学做博士后,而我则曾一度怀疑自己的科研能力和英文水平,认为很难在科研的漫漫长路走的很远,在是否“逃离”科研圈的问题上犹豫不决。
在一个普通的烧炉工日常,导师关切问我工作的事情,我说想留在北京,可是很难找到合适的工作。
他紧接着问了一句:“为什么不考虑留在物理所工作?新来了一位特别厉害的研究员,我可以推荐你到他组里啊!”我惶恐地点了点头。
于是,幸运又一次降临,毕业、留所、工作,一气呵成。
从助理研究员、副研究员到博士生导师,开启了一个典型“土鳖”的艰苦升级打怪之路。
打怪打的不是别的,正是我博士期间遇到的铁基超导体,只不过鸟枪换炮,工具换成了“高大上”的中子散射,出国做各种实验和日常英文交流是必备技能。
如今我已经带着自己的博士研究生,在高温超导的实验研究领域,自信地发表前沿研究论文。
超导,成为了我科研生命里再也分不开的那个“她”。
从1911年发现超导现象开始,超导研究已经一百多年了,然而她依旧长盛不衰,吸引着全世界无数科学家的注意力。
不只是因为那些绝对零电阻、完全抗磁性、宏观量子凝聚等神奇物理现象及其巨大的应用潜力,还因为其中蕴含的深刻物理内涵可能带来一场凝聚态物理的新革命,更因为超导研究道路总是充满意外和惊喜。
回顾我那短短的科研之路,我感到非常幸运地遇到了超导的好时代。
回顾整个超导研究的历史,我们会发现幸运和不幸,其实都不是偶然。
回顾和超导相关的物理发展之路,或许会发现,那个他或她,总会找到属于自己的“小时代”。
在“启蒙时代”里,人们敬畏自然、理解自然,从普通的电磁现象,深入到了物质的内部结构和机制。
在“金石时代”里,超导现象被发现,炼丹炒菜外加十八般武艺,初步认识了这个神奇的物理现象。
在“青木时代”里,超导材料大爆发,各种各样的新超导材料,没有做不到,只有想不到。
在“黑铜时代”里,高温超导横空出世,物理学皇冠上的明珠,是那么地耀眼,纷繁复杂的物理现象,是那么地激动人心。
在“白铁时代”里,铁基超导意外发现,超导家族空前繁荣,非常规超导机理似乎触手可及。
在“云梦时代”里,室温超导或许很有可能,新超导材料如雨后春笋,超导机理研究不断带来重要启示,我们甚至畅想未来超导世界,如梦想般的美好。
这一个接一个的“小时代”,中国科学家的身影也越来越多,他们在超导研究领域取得了令世人瞩目的成就,甚至有的已经引领凝聚态物理最前沿。
我相信,就在这个“小时代”,如果有你,会更精彩!罗会仟2021年写于北京中关村保福寺内 容 节 选08畅行无阻:超导零电阻效应的发现在诸如北京这样的大都市开车出门,最不想遇到情况是什么?肯定是堵车!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。
电子被不断散射,能量就会发生损失,在宏观上表现为存在电阻。
微观上电子将部分能量传递给了原子实,电子公路上的堵车,造成了原子们的躁动不安,微观热振动变得更加欢快了——于是材料整体温度上升开始“发烧”,这就是因电阻产生的焦耳热[1]。
在某些情况下,焦耳热有着重要的用途,比如白炽灯的工作原理就是电能转化成热能,让灯丝在高温下“白热化”后发光的。
但在更多情况下,焦耳热会让电能无辜损失掉。
从发电厂到变电站,即便采用目前最高效的高压交流输电,电能的损失也约占15%左右。
可别小看这个百分比,这意味着,有相当一部分能源还没真正用上就已经被浪费掉,且不说因此增加的种种环境污染等附加问题。
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呢?物理学家一直在思考这个问题。
20世纪初,经过百余年的电磁学研究,人们已经非常清楚地认识到金属材料的电阻随温度下降将会减小。
理由很简单:给材料整体降降温,让原子们冷静冷静,这样电子在不太变幻的“八卦阵”里也许就可以迅速找到高速通道,尽量不损失能量全身而退[2]。
理想看似丰满,现实却总是比较骨感。
不同的人看问题的角度不同,于是在预测更低温度下金属电阻的走向时,有了多种不同的观点。
大家普遍知道,金属中电阻主要

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