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可以在低温低压下实现的超导材料

webmaster 2023-3-9 13:0015929 人围观 原作者: webmaster

简介 :在《自然》杂志上的一篇论文中,研究人员描述了一种氮掺杂的氢化镥(NDLH),它在69华氏度(20.5摄氏度)和10千巴(145,000磅/平方英寸,或psi)的压力下表现出超导性。
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美国罗切斯特大学的研究人员创造了一种温度和压力都足够低的超导材料。 “有了这种材料,室温超导和应用技术的曙光已经到来,”由机械工程和物理学助理教授Ranga Dias领导的一个团队如是说。在《自然》杂志上的一篇论文中,研究人员描述了一种氮掺杂的氢化镥(NDLH),它在69华氏度(20.5摄氏度)和10千巴(145,000磅/平方英寸,或psi)的压力下表现出超导性。

一个多世纪以来,科学家们一直在追求凝聚态物理学的这一突破。超导材料具有两个关键特性:电阻消失,磁场被超导材料排斥在其外部。这些材料因而可以用于无损电力传输、无摩擦磁悬浮列车、廉价的医学成像和扫描技术(MRI、心磁图等)、高效快速的电子元件和利用磁场约束等离子体的托卡马克装置。

此前,Dias团队在《自然》和《物理评论快报》的论文中曾经报告了两种材料——碳质氢化硫和钇超氢化物,这两种材料分别在58华氏度/ 39万psi和12华氏度/ 26万psi下实现了超导。

鉴于这一新发现的重要性,迪亚斯和他的团队长篇大论地记录了他们的研究成果,以免遭到大量的质疑和批评。在迪亚斯发表上一篇《自然》论文后,曾经出现了大量的批评,这些批评导致了那篇论文被撤回。迪亚斯说,之前的那篇论文已经重新提交给《自然》杂志,并提供了新的数据,验证了早期的工作。新数据是在实验室外的阿贡和布鲁克海文国家实验室的科学家们面前收集的。新论文也采取了这样的方法。

超导及其它领域的“惊艳转换”

近年来,通过将稀土金属与氢结合,然后添加氮或碳而制成的氢化物为研究人员提供了制造超导材料的诱人的“有效配方”。在技术术语中,稀土金属氢化物形成包合物状笼状结构,其中稀土金属离子充当载体,提供足够的电子来增强氢分子的解离,氮和碳则有助于稳定材料。这个过程的底线是:发生超导所需的压力较小。

除钇外,研究人员还使用了其它稀土金属,然而他们所得到的化合物仍然不能在实用的温度或压力下变得超导。所以,这一次,迪亚斯看向了元素周期表的其它地方。

镥看起来像“一个很好的候选者,”迪亚斯说。它在其f轨道构型中具有高度局域化的完全填充的14个电子,可抑制声子软化,并增强在环境温度下发生超导性所需的电子-声子耦合。 “关键问题是,我们将如何稳定这种情况以降低所需的压力?这时就需要氮分子登场了。”根据迪亚斯的说法,氮和碳一样,具有刚性的原子结构,可用于在材料内创建更稳定的笼状晶格,并使低频光学声子硬化。这种结构为超导性在较低压力下发生提供了稳定性。

迪亚斯的团队创造了一种99%氢气和1%氮气的气体混合物,将其放入装有纯镥样品的反应室中,让各种组分在392华氏度下反应两到三天。由此产生的镥-氮-氢化合物最初具有“蓝色的光泽”。当化合物在金刚石砧单元中被压缩时,发生了“惊艳的转变”:在超导发生时从蓝色变为粉红色,然后再变成鲜红色的非超导金属状态。

“这是一种非常鲜艳的红色,”迪亚斯说。 “看到这种强度的颜色,我感到震惊。我们幽默地为这种状态下的材料建议了一个代号——'红物质(reddmatter)'——以斯波克在2009年流行的《星际迷航》电影中创造的材料命名。

诱导超导所需的145,000 psi压力比迪亚斯实验室先前产生的压强低了近两个数量级。

用于预测新超导材料的机器学习算法

迪亚斯的实验室现在已经回答了超导材料是否可以存在于足够低的环境温度和压力之下以用于实际应用的问题。

“通往超导消费电子产品、能量传输线、运输以及聚变磁约束的重大改进的途径现在已经被打通,”迪亚斯说, “我们相信我们现在正处于现代超导时代。”迪亚斯预测,氮掺杂的氢化镥将大大加快托卡马克机器的开发进度以实现核聚变。迪亚斯说,NDLH在室温下产生“巨大的磁场”,将成为新兴技术的“游戏规则改变者”。

根据Dias的说法,特别令人兴奋的是,他可以利用实验室超导实验积累的数据来训练机器学习算法,以预测其它可能的超导材料,即从数千种可能的稀土金属、氮、氢和碳的组合中通过混合和匹配获得新的超导材料。

“在日常生活中,我们有许多不同的金属用于不同的应用,所以我们也需要不同种类的超导材料,”迪亚斯说。 “就像我们在不同的应用中使用不同的金属一样,我们需要更多的室温超导体用于不同的应用。 “

这篇论文的共同作者Keith Lawlor已经开始开发算法,并使用罗切斯特大学综合研究计算中心提供的超级计算资源进行计算。

纽约州北部的超导材料中心

迪亚斯的研究小组最近搬进了位于滨河校区霍普曼大厅三楼的一个新扩建的实验室。他说,这是在罗切斯特大学启动可以授予学位的超导创新中心(CSI)计划的第一步。该中心将创建一个生态系统,吸引更多的教师和科学家到罗切斯特大学推动超导科学的进步,同时训练有素的学生也将扩大该领域的研究团队。

“我们希望使纽约州北部成为超导技术中心,”迪亚斯说。

更多信息:Ranga Dias,N掺杂氢化镥中近环境超导性的证据,《自然》(2023)。DOI:10.1038/s41586-023-05742-0。www.nature.com/articles/s41586-023-05742-0

(本站节译自phys.org)
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  • 超导百年:物理学“圣杯”是如何诞生的?

    作者:脑极体

    最近科技圈流传的大新闻,大家都知道了吧?

    简单来说,美国物理学会的三月会议上,来自罗彻斯特大学的RangaDias宣布,他们团队在近环境压强下实现了室温超导。

    这个消息在中文互联网流传之后,很快就有了详细的解读,业内人士的普遍看法是:先观望一会儿。

    原因有两个:

    一是这个研究本身还不确定,有学者对实验数据提出了质疑,认为样品过于均匀,实验结果目前还没有被其他课题组复现。

    二是这个团队带头人有“前科”,RangaDias在2020年发表于《自然》上的论文被撤稿了,多个研究组试图重复该实验,结果都不理想。RangaDias不披露原始数据,后来又说自己论文中合成的金属氢“消失”了,引发大家的一致抗议,认为“Something is seriously wrong”。所以,室温超导虽然是“诺奖级”的工作,但说RangaDias已经摘下了“圣杯”,还为时过早。

    这件事并不复杂,三言两语就能说完。但有趣的是,明明诺奖八字还没一撇,还是大多数人都不了解的凝聚态物理领域,却引得中国科技圈一片焦虑,大众媒体也积极报道。

    怎么就引起了轰动呢?

    除了超导领域本身的重要性之外,还是因为这条新闻,激发了当下国际科技竞赛的普遍焦虑。

    毕竟前不久,人工智能领域的“皇冠”,刚被OpenAI用ChatGPT摘下,通用人工智能眼看着有希望了,现在物理学的“圣杯”,又抢先被美国科研人员拿走了?

    在广泛流传的一张网图里,连认证的中科院研究员,都感受到“降维打击”了,让很多人担心,咱们在基础重大突破上,不会又被拉下一大截吧?

    同班同学刚考了个语文的年级第一,你正摩拳擦掌、悬梁刺股,预备下次考试好好发挥呢,人家又捧回来一个国际物理竞赛金奖,直接保送了。可不就激发了咱们担心落后的“焦虑情绪”。

    只能说明,对于基础科技创新,大家真的太焦虑了,一有风吹草动就如临大敌,忽略了咱们中国在超导领域,也是非常优秀的。

    目前,美、日、中是全球超导领域的领先者。2008年,《科学》杂志就以“新超体把中国物理学家推向世界最前沿”为题,认为“中国如洪流般不断涌现的研究结果,标志着在凝聚态物理领域,中国已经成为一个强国”。

    所以大家先放下焦虑,放下担忧,我们来聊聊超导究竟是什么?为什么能成为“诺奖级”工作?对大众生活和科技产业能带来哪些影响?

    踏破铁鞋无觅处,超导竟在我身边

    凝聚态物理?超导性?这些专用名词,是绝大多数普通人日常很少会涉猎到的。所以咱们先不去掰扯复杂的理论和技术概念,先来说一个有趣的事情:超导就在你身边。

    超导,就是“超级导电”的意思,具有这种超级导电性的材料,就是超导体。之所以能超级导电,源于电阻为零的特性。

    九年义务教育常识:电流穿过电子设备/电线环路时,会遭遇电阻,导致一些能量以热量的形式而损失掉。你的手机在高负荷运转或充电时会发热,变成暖手宝,就是这个道理。

    而超导是零电阻,所以电流可以在超导体中没有阻力、热损耗、衰减地流动。

    荷兰的理论物理学家保罗·埃伦费斯特说过,超导环路里是“永不消逝的电流”。所以,有电的地方,就有超导的用武之地。

    今天,超导在多个领域的应用已经非常成熟甚至是商业化了。我们从两个场景来看:

    一是强电应用。即在大电流或强磁场下的超导应用。

    基础科研:基础科学研究往往需要强磁场的环境,大型粒子加速器、高能粒子探测器、人工可控核聚变装置都需要高强度的超导磁体。

    能源行业:现阶段最高效的特高压交流输电技术,需要经过变电站,以市电电压传输到各家各户,长距离传输会带来电能的损失,造成能源浪费,加重环境的负担。而零电阻的超导电路,就完全不需要变电站,可以在较低电压下进行高功率传输,零损耗地传输电能,这对能源行业是革命性的变化。

    医疗行业:如今医院采用的核磁共振成像仪,成像清晰度和辨识度很高,靠的就是超导磁体,14特斯拉以上的超强超导磁体核磁共振成像技术,能够把人脑中的860亿根神经元全部清晰地测量出来,为很多疾病提供精准的医疗诊断影像。

    交通领域:磁悬浮列车大家可能都听过或坐过,时速和高铁差不多,上海浦东机场的高速磁悬浮列车跑完全程30千米只需8分钟。如果换成超导磁悬浮,速度还能翻倍。2020年,西南交通大学已经建成了首台高速超导磁悬浮样车,未来乘坐时速600千米/时以上的超导磁悬浮高速列车,大家的出行效率会更高。

    当然,还有一些与普通人生活比较远的强电应用。比如量子计算,超导量子比特技术帮助打造量子计算机,取得量子霸权;军事用途,超导体可以用于开发高强度电磁脉冲,用来瘫痪范围内的所有电子设备;太空探索,超导磁体,超导可控核聚变发动机,为太空旅行、宇宙飞船提供源源不断的动力。

    二是弱电应用。即电流小、电压低的超导应用。

    普通人日常接触最多的还是弱电应用,比如移动通信、家电、智能设备之类的,这些领域的“超导化”其实也非常常见。

    利用超导的零电阻优势制作微波器件,可以减少数据传输的损耗,从而提高信号的识别度。3G/4G基站用上高性能超导滤波器,可以让覆盖的手机信号不串号、不混流量。

    大家平时用的笔记本电脑、手机、平板,容易因为散热不佳而烫手、运算速度变慢、烧坏主板器件,集成电路芯片越来越小,传统电路的功耗问题就越明显。如果能用超导体来制作电子元器件,就不用担心CPU发烧了。

    我们都知道,第三次工业革命的核心是电气化,物理学家J.C.SéamusDavis认为,特斯拉和爱迪生发明了电力,彻底改变了社会,而超导将再次彻底改变它。

    如今,超导并不只存在学术会议、神秘实验室、各国智库报告里,其实已经来到了我们身边。

    诺奖收割机,超导百年都在研究什么?

    这么一说,你可能会说,既然3G时代超导就开始商用了,怎么还能持续收割“诺奖”,引无数物理学科学家竞折腰呢?

    从发现超导现象,至今不过百年的时间,就已经在凝聚态物理领域诞生了60多个诺奖,超导这个更小的分支,就有10个直接得奖,可见这个领域非常重要,而且难度大、收获也大。

    那么,超导的百年历史中,都研究了哪些重要问题?我们就以五次超导研究的诺奖为脉络,串联起超导的发展历史。

    1.发现超导。

    1911年,荷兰物理学家卡末林·昂尼斯在题为《汞的电阻突然迅速消失》的论文中,将零电阻的现象,命名为“超导”,这项开创性的研究,两年后就获得诺贝尔物理学奖,所在的荷兰莱顿大学的物理实验室,也一度成为世界低温物理研究中心。

    2.超导热力学效应。

    1950年,俄罗斯科学家A.A.Abrikosov、VitalyLazarevichGinzburg和英国科学家AnthonyLeggett提出了超导热力学效应,认为超导就是一种量子体系中的热力学相变。

    冰热了化成水,水热了挥发成蒸汽,这个固体-液体-气体的过程就叫相变。超导体的电阻值,在临界温度下突然下降,而超导热力学效应的理论,可以用来描述超导相变的许多临界现象。

    这项工作的50年多年后,三位科学家获得了2003年的诺贝尔奖,说明搞科研不仅要脑子好使,还得有个好身体。

    3.超导微观理论。

    1957年,伊利诺伊大学的三位物理学家巴丁、库珀和施里弗,利用电子配对的思想解释了超导的微观机制,即某些材料如何在低温下以零电阻导电,电子之间要相互吸引,需要晶格作为媒介,形成电子对,解释了汞和铅一类超导体中的超导现象。

    凭借这一超导微观理论,即BCS理论,三位科学家在1972年获得了诺贝尔物理学奖。

    4.超导隧道效应。

    1962年,剑桥大学的研究生约瑟夫森发现了超导的量子效应,两个超导体中间放上绝缘体,会形成“超导隧道电流”,超导电子可以量子隧穿到另一个超导体中去,加上外界电压之后,会产生量子振荡运动,这一发现对研制高性能半导体和超导体元器件,有很高的应用价值,获得1973年的诺贝尔物理学奖。

    5.高温超导材料。

    1986年,IBM的柏诺兹和缪勒在一种氧化铜材料中发现了高温超导性,可以在35K的温度下变成超导体。铜氧化物高温超导的发现,将临界温度大幅提高,使材料在低价的液氮降温环境下达到零电阻,极大地拓展了超导应用场景。

    这种新型材料,给超导研究注入了全新的活力,二人也在次年就荣获诺贝尔物理学奖,比发现超导的“开山鼻祖”昂尼斯的获奖速度还快。

    从这些里程碑的诺奖成就中,可以看到,超导是一个百年来硕果累累的基础研究领域,从理论奠基到落地应用的脚步,步履不停,而这个领域还会持续涌现更多的诺奖得主。

    那么,超导还有哪些研究方向是诺奖的种子选手,中国的研究实力究竟怎么样呢?

    下一个超导“诺奖”的种子选手

    目前,超导领域还有很多未完成的“诺奖级”工作,等待着各国科学家们“搏一搏”。

    首当其冲的,就是最近广为关注的常压室温超导体。

    超导要实现规模产业化,必须开发出更利于应用的超导材料。而一直以来,超导领域都有一个临界温度的天花板——“麦克米兰极限”,即超导临界温度不能超过40K。

    这个临界温度还是太低了,超导体必须通过昂贵的降温技术,比如液氮/液氢,才能保持超导性。为了让超导体规模化应用,就必须探索室温环境下就能够保持超导性质的材料。

    可以说,常压室温超导体,是绝对的诺奖潜力股。

    此前曾有很多论文声称找到了“室温超导体”,但基本都无法被同行重复实验,有的实验数据不可靠,最终不了了之。所以为什么说不用焦虑RangaDias称近环境压强下的室温超导,因为类似的“狼来了”已经发生过多次,等研究真的被自证和他证了,再着急不迟。

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    实验技术的桎梏难以打破,基础理论突破或许能带来变革。高温超导微观理论,也是一个颇有前途的诺奖选手。

    回顾历史会发现,目前唯一获得诺奖的超导理论就是BCS理论,而能够彻底描述高温超导材料特性的理论,目前还没有一个是公认成功的。底层微观机理的未知与不清晰,也使得相关应用研究只能在既有的规则条件下艰难探索。

    如果能够将高温超导机理的微观问题研究明白,能够给室温超导带来意外的改变,加速超导产业化应用的进程,具有里程碑式的意义。

    理论突破是金字塔尖的塔尖,寻找室温超导之路,绝大多数研究人员的机会还是在新的超导材料上。

    从1911年超导被发现至今,已经有成千上万种超导材料被发现,元素周期表中大约一半的元素都显示具有低温超导性。不过,具有实际应用价值的材料,还是那些便宜、容易获得的金属与合金材料。

    前面提到,铜氧化物超导材料的发现,第二年就斩获了诺奖。那么下一个诺奖级材料会是谁呢?答案是铁基超导体。

    1987年之后铜氧化物超导材料的发现,开启了超导材料探索的蓬勃之路。如果说此前中国在超导领域的研究基础弱、追赶慢,与国际一流水平有代差。那么从上世纪八十年代开始,围绕高温超导材料,中国科学家迅速跻身到了世界前列。

    《超导“小时代”:超导的前世、今生和未来》中提到,1987年3月初,美国物理学会3月会议设立了“高临界温度超导体讨论会”,当时,来自中国、美国、日本的科学家,作为大会特邀报告人,分别报道了各自在高温超导材料探索的结果,世界各地的3000多名物理学家,挤满了1100人容量的报告厅,狂热的会议讨论一直持续了7小时,直到凌晨2点才结束。

    目前,构建出新型结构的铁基超导材料,被认为是高温超导甚至室温超导的希望所在,是下一个诺奖的潜力股,也是中国在超导领域的强项,拥有大量优秀的研究人才和丰富的研究经验,已经发现了多个铁基超导体系。

    2014年,德国马克斯普朗克化学研究所的科学家A.P.Drozdov和M.I.Eremets宣布在硫化氢中发现190K超导零电阻现象,发表在《自然》期刊上,正是受到了中国科学家的理论计算启示。

    百年超导,今天依然是如此迷人,拥有无限的可能性,才会让鸿儒白丁们都如此感兴趣。

    《天空之城》中的“漂浮岛屿”,航行宇宙的太空飞船,永不枯竭的能源和动力,穿越时空的旅行……关于未来世界的想象中,超导是不可或缺的一笔,中国亦然。

    (本站转自钛媒体的报道)


    2023-3-12 12:49 引用
    室温超导新成果或已光速证伪
    在短短几天时间里,中国三个团队陆续发表相关实验结果,无一例外地给出了否定的结论。

    上周,美国罗切斯特大学的Ranga Dias教授在会议上爆出实现室温超导大新闻后(参见《再度刷屏的“室温超导”靠谱不?不日见分晓》),专业人士几乎都持谨慎观望甚至深表怀疑的态度。
    次日,当Nature在线发表Dias的论文后,立即有人对其实验数据提出了质疑,认为原始数据(下图左)根本不支持判定样品实现了超导电性,而论文中采用的电阻数据(下图右)是依靠不合理地剔除了所谓“220 K以下环境背景因素”的曲线才得到的“超导相变”。当然还有直流磁化率和交流磁化率的数据,也是采用了此前该团队在Nature被撤稿论文的相同处理方法——扣除了一个奇怪的背景,而且这个背景在相同样品的不同测量下还差异极大。至于晶体结构、具体组分、颜色变化等因素,也是总让人感觉有一些“不合常规”。特别是颜色上,从蓝色,加压后超导变成粉色,再加压又变成红色,这些在高临界温度超导材料中是很少见的,一般高临界温度的超导体都是清一色的黑色,甚至可以是黑得发亮。
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    不过,这种博客上的讨论毕竟无法直接推翻论文。幸好Ranga Dias教授所走的路线,是非常传统且经典的BCS理论,如果知道材料的准确结构的话,理论上可以清楚预言材料的临界温度,这是一个被研究得相对比较成熟的领域。再者,Dias公布的实验条件根本不苛刻,1GPa的压力如今在普通的超导研究实验室都能轻松实现,通过真刀真枪的实验进行验证并不是很难的事。果然,在论文发表后短短几天时间里,中国有几个团队都陆续发表了相关实验结果,无一例外地给出了否定的结论。

    其中,南京大学的闻海虎教授和他的团队直截了当地重复了Ranga Dias的材料配方和实验路径,成功获得了氮掺杂氢化镥(LuH2±xNy)材料,将其置于1GPa~6GPa的压强环境下,确实在300 K左右的温度条件下看到了一些电阻数据的变化,但看起来应该是材料结构的变化,也许可以认定为是一种相变,绝不是超导相变。但是所有压力下,在10 K~320 K的温度范围内都没有出现任何超导的迹象。甚至从低于100K的变化趋势来看,6 GPa压强以下根本就不可能出现超导!所以Ranga Dias所宣称的1GPa压强就能实现LuH2±xNy室温超导,肯定是有很大问题的。要么实验条件要更加苛刻,要么是数据解读有明显错误。
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    闻海虎3月15日于arXiv上公布的文章题目及其摘要


    其次,中科院物理所的程金光研究员团队更关注Ranga Dias所展示的样品所显示出的与众不同的颜色,通过实验重现了深蓝色的氢化镥在约2.2 GPa时变成粉红色,在约4 GPa时又变成亮红色。这与Ranga Dias团队所发表的实验结果非常类似,也说明Ranga Dias团队确实采用的是氢化镥材料,也在高压下发生了颜色变化。然而程教授将这种材料一直加压到7.7GPa,温度一直降低到1.5K,仍然没有看到丝毫超导的迹象。当然,程金光团队的工作并没有掺杂氮,只看到颜色变化,没有看到超导,严格来说也不能算是对Dias等人工作的完整验证。需要特别注意的是,闻海虎教授团队的工作,并没有看到材料颜色在高压下的变化。所以,Dias团队的工作里,材料颜色变化和所谓“室温超导”到底有没有直接联系,还是一个大大的问号。
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    程金光3月12日于arXiv上公布的文章题目及其摘要


    其实,关于镥氢化物材料,估计国内外有许多团队在Dias之前就开始研究了。毕竟,稀土氢化物在高压高温下合成、更高压力下就超导的这个事儿,自从2019年就有明确路线了。何况这三四年来,科学们早已发现多个稀土氢化物超导体,甚至是碱土金属氢化物超导,只不过超导温度有高有低而已。Lu是La系稀土金属的最后一个,想必有不少研究团队都试过,只是未见正式报道而已。

    早在3月9日,中科院物理所的靳常青研究员团队,就率先贴出了他们自己在这方面的工作。原来,镥氢化物确实是一种超导材料,只不过它无法在只有几GPa的压强下就实现,更不要说室温超导了。靳常青教授的实验结果显示,在218 GPa的压强下,氢化镥的超导转变温度是71 K,如果压强降低到181 GPa的话,转变温度会降低到65 K。需要提醒的是,靳常青团队发现的镥氢化物超导体,分子式是Lu4H23,“含氢量”要远大于Dias团队公布的LuH3-xNy,或许,这才是镥氢化物超导材料的真实情况。
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    靳常青3月9日于arXiv上公布的文章题目及其摘要


    截至发稿,尚未发现有国际实验团队公布对Dias实验的重复结果。但闻海虎等三位中国科学家的上述工作已基本证伪了所谓的“室温超导”。

    轰动全球物理界的大新闻,终于再次没能经受住同行的“拷验”,可谓是科研需认真,论断需谨慎。最后,引用中科院物理所罗会仟研究员点评的一句话:“上一次‘C-S-H室温超导’存活了712天后被Nature编辑部强制撤稿,这一次‘Lu-H-N近常压室温超导’仅仅存活9天就基本上被证伪了,说明科学界对‘室温超导’的求证能力在迅速提升。未来不管是谁,要想宣布‘室温超导’这样的大新闻,一定会更加慎重。总之,室温超导希望之光还在,但前途依旧充满曲折。”

    本文受科普中国·星空计划项目扶持

    (本站转自“返朴”公众号)
    2023-3-17 14:52 引用
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