超導(dǎo)材料已經(jīng)并將有望給人類的生活帶來革命性的變化。時速高達(dá)500千米的超導(dǎo)磁懸浮列車、沒有能耗的超導(dǎo)輸電線……這些令人振奮的應(yīng)用前景，既是人類的美好希望，更是激勵科學(xué)家不斷探索的巨大動力。

尋找新型材料

1911年，荷蘭物理學(xué)家卡茂林·昂尼斯意外發(fā)現(xiàn)，將水銀冷卻到接近絕對零度(-268.98℃)時，其電阻突然消失。后來他又發(fā)現(xiàn)許多金屬(例如鋁、錫)和合金都具有與水銀相類似的特性：在低溫下電阻為零(這一溫度叫超導(dǎo)材料的臨界溫度)，由于它的特殊導(dǎo)電性能，昂尼斯稱之為超導(dǎo)態(tài)。昂尼斯本人也因此獲得了1913年諾貝爾獎。昂尼斯在諾貝爾領(lǐng)獎演說中指出：低溫下金屬電阻的消失，“不是逐漸的，而是突然的”，水銀在4.2K進(jìn)入了一種新狀態(tài)，由于它的特殊導(dǎo)電性能，可以稱為“超導(dǎo)態(tài)”。昂尼斯和其他許多科學(xué)家后來又發(fā)現(xiàn)了28種超導(dǎo)元素和8 000多種超導(dǎo)化合物。但出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象時的溫度大都接近絕對零度(-273℃)，所以這些超導(dǎo)材料沒有太大的實(shí)用可能性和經(jīng)濟(jì)價值。

這一發(fā)現(xiàn)引起了世界范圍內(nèi)的震動。從那時起，科學(xué)家一直不斷嘗試提高超導(dǎo)材料的臨界溫度。直到1973年，英、美科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了鈮鍺合金，其臨界超導(dǎo)溫度為23.2K，才使超導(dǎo)材料研究走上了快速路，這個紀(jì)錄保持了13年。

1986年，在瑞士國際商用公司實(shí)驗(yàn)室工作的德國科學(xué)家貝特諾茨和美國科學(xué)家繆勒發(fā)現(xiàn)，氧化物(鑭-鋇-銅-氧)陶瓷材料在43K(-230℃)的較高溫度下出現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象，打破了傳統(tǒng)“氧化物陶瓷是絕緣體”的觀念，引起了全球科學(xué)界的轟動。他們也因此獲得了1 987年的諾貝爾物理學(xué)獎。

不斷挑戰(zhàn)上限

1957年，庫珀等3位科學(xué)家提出了超導(dǎo)微觀理論，揭示了低溫超導(dǎo)現(xiàn)象。該理論認(rèn)為，電子會因聲子(即量子化的晶格振動)而產(chǎn)生相互作用，當(dāng)其克服電子之間的排斥力時，便會形成電子對，稱為“庫珀對”。而這種能量交換使一些普通金屬材料產(chǎn)生了超導(dǎo)性。然而，在溫度升高時，即使最好的金屬低溫超導(dǎo)材料也會失去其超導(dǎo)性能。其原因是：隨著溫度的不斷升高，超導(dǎo)材料內(nèi)部的原子振動也不斷加劇，電子對不斷地被拆散，該材料原有的電阻得以恢復(fù)。超導(dǎo)材料的臨界溫度取決于三個因素：可以利用的電子數(shù)量、聲子震動的頻率，相互作用的強(qiáng)度(即聲子和電子之間的耦合力)。

1987年底，鉈-鋇-鈣-銅-氧化材料又把臨界超導(dǎo)溫度的紀(jì)錄提高到125K。從1986-1987年的短短一年多的時間里，臨界超導(dǎo)溫度竟然提高了100K以上，這在材料發(fā)展史上，乃至科技發(fā)展史上都堪稱是一大奇跡。遺憾的是，科學(xué)家們一直無法破解銅氧化物材料在非常冷的溫度下(例如液氮的溫度)是如何顯示超導(dǎo)性的，能在較高溫度下變?yōu)槌瑢?dǎo)體的材料很少。

由于鐵基材料和銅氧化物這兩類超導(dǎo)體在很多方面存在相似性，研究人員希望通過研究鐵基超導(dǎo)體找到線索，進(jìn)而探尋銅氧化物的超導(dǎo)機(jī)制。這兩種材料的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他所有已知超導(dǎo)體。它們都有各自的最佳摻雜濃度，即摻雜到某一濃度時，該體系的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度會達(dá)到一個極大值，在此溫度以下，該材料進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)，這個轉(zhuǎn)變溫度也被稱為臨界溫度。

鐵基材料和銅氧化物最大的相似之處在于他們都是層狀結(jié)構(gòu)，但這種結(jié)構(gòu)是不是高溫超導(dǎo)的關(guān)鍵因素還有待證明。銅氧化物和鐵基超導(dǎo)體都由不同原子層相互交錯堆積而成。銅氧化物的主要特征是銅氧層，相應(yīng)地，鐵基化合物也有由鐵和磷族元素構(gòu)成的原子層，在這些層中，鐵元素和元素周期表中氮元素那一列的元素，如磷、砷、銻等結(jié)合在一起。目前研究組發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)體，就是由鑭氧層和鐵砷層交錯構(gòu)成。如果把這兩種超導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)比作三明治，銅氧層和鐵砷層就是夾在三明治里的肉。物理學(xué)家認(rèn)為超導(dǎo)電性就源于這個夾心層。兩邊的“面包片”僅僅為夾心層提供額外的電子，或是從夾心層移走一些電子。往鑭氧鐵砷摻雜了氟之后，氟就會取代部分氧原子，由于每個氟原子比此前的氧原子多出一個電子，這些額外電子就會轉(zhuǎn)移到鐵砷層，進(jìn)而改變它的電學(xué)性質(zhì)。

鐵基超導(dǎo)體最吸引人之處，或許在于它讓高溫超導(dǎo)體家族有了新成員，銅氧化物不再孤獨(dú)。研究者已經(jīng)被銅氧化物困擾了20多年，始終沒有找到一個理論能解釋它的所有性質(zhì)，尤其是超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為什么如此之高?，F(xiàn)在，研究者或許可以比較銅氧化物和鐵基材料這兩種高溫超導(dǎo)體，找到關(guān)鍵線索，最終解開高溫超導(dǎo)這個未解之謎。

常溫超導(dǎo)不再遙遠(yuǎn)

最先進(jìn)的超導(dǎo)電纜可將電能輸送幾千千米而僅有百分之幾的損耗。但麻煩的是，電纜必須一直浸在77K(約-196℃)的液氮之中。因此，如果要架設(shè)這樣的電纜，每隔1 000米左右就必須安裝泵機(jī)和冷卻設(shè)備，大大增加了超導(dǎo)電纜方案的成本和復(fù)雜程度，這本身就消耗巨大的電能。超導(dǎo)體的直流電阻率在一定的低溫下突然消失，被稱作零電阻效應(yīng)。導(dǎo)體沒有了電阻，電流流經(jīng)超導(dǎo)體時就不發(fā)生熱損耗，電流可以毫無阻力地在導(dǎo)線中形成強(qiáng)大的電流，從而產(chǎn)生超強(qiáng)磁場。

多年來，物理研究人員一直在堅(jiān)持不懈地探求常溫超導(dǎo)之謎。在常溫下，傳輸電流零損耗(無電阻)的材料有著巨大的應(yīng)用市場。這種材料可用于磁懸浮高速列車、高效的核磁共振攝影、無損耗的發(fā)電機(jī)、變壓器和輸電線、功能強(qiáng)大的超級計(jì)算機(jī)等等。能在常溫常壓下工作的超導(dǎo)體，將使全球化電力供應(yīng)夢想成真，目前的電網(wǎng)將會徹底改變。通過橫穿地中海底的超導(dǎo)電纜，非洲撒哈拉沙漠的太陽也可以給西歐供電。

2008年，一大類以鐵元素為基質(zhì)的全新超導(dǎo)體(鐵基超導(dǎo)體)被人發(fā)現(xiàn)。2009年10月10日，美國科學(xué)家將超導(dǎo)溫度提高到254K，也就是-19℃，對于推廣常溫超導(dǎo)的實(shí)際應(yīng)用具有重大的意義。理論上能夠找到常溫超導(dǎo)體工作機(jī)制的希望也因此而大增。如果掌握了這一機(jī)制，常溫超導(dǎo)體也許就不再遙不可及。