大颠覆:室温超导对通信影响什么?

    信息发布:商务部 创建时间:2023-08-09

    7月22日,韩国量子能源研究中心研究团队在arXiv上连发两篇论文,宣称合成了全球首个室温常压超导体LK-99,临界温度为127℃。这一轮的“室温超导”热已经持续了一周多,引起了全球各个社会层面的热烈讨论。

    室温超导来了?

    1911 年荷兰物理学家??恕た┝帧ぐ耗谒梗℉eike Kamerlingh Onnes)发现汞的电阻会突然消失以来,超导现象一直是科研热点之一。

    超导现象是指材料电阻变为零的现象,其主要的特征是零电阻(或极小电阻值)和完全抗磁性(迈斯纳效应)。超导现象主要发生在低温(-269℃~-70℃)条件下。

    所谓室温超导,指的是在地球室温环境下(通常默认是300 K,即27℃)就能够实现零电阻和完全抗磁性的超导材料。这意味着,室温超导材料对应的超导临界温度必须在300 K以上。2020年10月《自然》杂志报道了美国罗切斯特大学实现了15℃温度下的超导,但是这种超导体需要在267GPa的条件下工作。因此,真正具有应用价值的“室温超导”是指“常压室温超导”。

    针对韩国团队此次提出的室温超导体LK-99,全球热议的同时也引发了一些实验室进行重复实验。

    美国劳伦斯伯克利国家实验室宣布,在超级计算机的模拟结果下,理论上证明制作LK-99“常温超导”晶体是可行的;俄罗斯科学家宣布成功制作出了LK-99晶体,并将其抗磁性特征予以公开发布;国内华中科技大学材料学院常海欣团队宣称复现了韩国团队的磁悬浮实验,山东曲阜师范大学实验结果显示,LK-99具有抗磁性,但未发现零电阻特性……目前消息众多,支持和质疑的声音都存在。

    “韩国科学家团队在arXiv上提出的室温常压超导材料LK-99(改性铅磷灰石晶体结构),在世界范围内已有多个团队复现了该材料的抗磁等特性,但是尚未完全验证其为室温超导材料?!被侠砉ご笱Ц毖芯吭背潞6诮邮堋锻ㄐ挪当ā啡教寮钦卟煞檬北硎?,一方面,零电阻特性尚未测定出来;另一方面,超导的抗磁性只是辅助特性,部分材料也具备抗磁特性。因此,通过抗磁特性确定超导并不科学。

    国网甘肃省电力公司电力调度中心通信处处长宋曦坦言,综合目前消息,韩国研究团队公布的超导体极大概率不是室温超导。但还是应采取谨慎、严谨的科学态度,应该进行多个团队、多次重复的反复验证后,才可以得出一个肯定的结论。

    据了解,韩国超导学会也成立了“LK-99验证委员会”,检验该成果的真实性。截至目前,学会根据两篇论文中提供的数据和已发布的视频,宣布LK-99不能被称为室温超导体。

     

    对通信有什么影响?

    陈海东认为,在通信领域,室温超导技术会带来颠覆性的技术革命,其主要表现为超导带来的无损耗或者低损耗特性,大大提升通信的信号质量和覆盖能力,从而降低运维成本,提升经济效益。

    举例来说,通信系统为了实现抗干扰特性,一般在天线和放大器之间加入滤波器等器件,这种器件在3G和4G时代为了达到低损耗的特点,可以接受其大体积的问题。然而,5G时代,随着工作频率的进一步提升,对滤波器的尺寸提出了较高的要求,由此出现了因为损耗大而导致系统噪声大等突出问题,具有超导特性的器件,由于没有或者具有极低的损耗,有望对现有的通信系统的硬件构架产生直接影响,使其具有极大的灵活性。

    其次,通信系统中由于导体以及介质损耗导致通信覆盖能力有限,特别是5G毫米波系统,同时进一步受到空间损耗的影响,传输距离大大降低,由超导材料构成的超导器件、超导传输线、超导天线等,可以大大降低系统的损耗,从而大大提升通信系统的覆盖范围和通信质量。

    最后,由于超导技术带来的系统框架的革命和系统损耗的降低,直接带来了经济效益的提升,5G相控阵系统的能耗问题也将不复存在。

    在宋曦看来,室温超导技术将为通信领域带来重大变革,使得无线通信、光通信、基站等方面的性能得到显著提升。

    在室温超导材料中传输的电流几乎不受电阻的影响,这意味着信号传输损耗将大大降低。这将使得无线通信系统的带宽更大、信号更稳定、能效更高,有助于实现更高速、更低延迟的无线通信,如6G、7G等。室温超导技术将为无线通信带来革命性的进步。

    在光通信系统中,超导材料可以作为光源或光调制器,从而提高系统的性能。例如,利用超导激光器,可以实现更高的光功率输出和更低的功耗。这将有助于提高光通信系统的传输速率和信号质量。

    室温超导技术对基站的设计和建设也会产生重大影响。例如,使用超导材料的天线可以实现更高的信号增益,从而减小基站的覆盖范围。此外,利用超导材料制作的光纤传输线和射频传输线,可以实现更低的损耗和更高的传输效率。

    室温超导技术将对5G和未来的6G网络产生积极影响。通过提高信号传输的效率和减少损耗,室温超导技术可以支持更高速、更低延迟的网络连接,从而满足不断增长的通信需求。

    室温超导技术将对通信领域的各种器件产生影响,如射频放大器、滤波器、开关等。利用超导材料制作的器件可以实现更高的性能和更低的能耗,从而提高整个通信系统的性能。

    陈海东表示,然而,室温超导的研究还在进一步进行中,现有的研究成果也有待进一步的验证确认。此外,现有基于金属氧化物结构的常压室温材料的实用性还有待于确认,其主要原因是烧结的金属氧化物就是一种陶瓷,难以对其进行折弯加工和冲压加工。

    室温超导探索,仍是漫漫长路

    室温超导如果能够实现,除了在通信领域,在电子电器集成、医疗核磁成像、超级计算(包括量子计算)、高速磁悬浮交通、新能源及储存、天文探测、地质勘探、国防建设等领域,都将产生深远影响。

    在能源传输与储存领域,超导技术可以提高电力输送的效率,并减少能量损耗。超导电缆可以实现低损耗的电力传输,降低电网能源损失,提高能源利用率。此外,超导磁能储存技术可以提供高效、可靠的能源储存解决方案,帮助平衡能源供需,减少对化石燃料的依赖。

    在磁悬浮交通领域,超导磁悬浮技术(Maglev)可以实现高速、低能耗的列车运输系统。通过超导材料产生强磁场,使列车悬浮并减少摩擦,从而实现高速运行。超导磁悬浮技术具有快速、安全、环保等优势,被认为是未来城市间交通重要的解决方案。

    在医学成像领域,超导材料可用于制造高性能医学成像设备,如磁共振成像(MRI)。超导磁体可以产生稳定且强大的磁场,提供更准确、高分辨率的医学影像,帮助医生进行更精确的诊断和治疗。

    在科学研究领域,超导技术对于科学研究领域有重要影响。在物理学、化学、材料科学等领域,超导材料的研究可以揭示新的量子现象和物性,推动基础科学的发展。超导材料在研究高温超导、拓扑能带等方面具有重要作用。

    在电子设备领域,超导材料可用于制造高速、低功耗的电子器件。超导量子比特是制造超导量子计算机的基础,具有极高的计算速度和存储密度。此外,超导器件还可以应用于高频通信、射频检测等领域,提供更高性能的电子设备。

    在航空航天领域,超导技术在航空航天领域也有应用前景。超导材料可以用于制造高功率电动发动机,提高飞机的性能和燃油效率。超导磁体还可以用于航天器姿态控制系统,提供精确的姿态控制和导航能力。

    业内专家认为,寻找室温超导之路,有三条可以尝试走:第一,合成新的材料;第二,改进现有材料;第三,特殊条件调控材料。其中第二条是显而易见的,比如改进现有的铜氧化物高温超导材料的质量,对其进行化学掺杂等改造,以期获得更高临界温度的超导体。特殊条件调控,指的是利用高温、高压、磁场、光场、电场等方式调控材料的状态,在更高温度下形成超导态。合成新的材料是最困难的,因为没有可靠的经验能够告诉我们室温超导在哪里,只能“两眼一抹黑”去探索。

    宋曦指出,尽管超导技术在许多领域都具有巨大的潜力,但仍然面临一些挑战,如材料的成本、制备工艺等。随着科学和技术的进步,相信超导技术将在未来逐步成熟化、商用化,并发挥日益重要的作用,为人类带来更高效、可持续的能源和先进的科学技术。


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