劉玉柱 翟若宇

2023年3月，美國羅切斯特大學的物理學家朗加·迪亞斯宣布，發(fā)現(xiàn)了一種可以在室溫條件下實現(xiàn)超導的全新材料。面對這一新發(fā)現(xiàn)，有人表示，如果其結果能被復現(xiàn)，那一定是諾貝爾物理學獎級別的成就；也有人質(zhì)疑其結果的真實性，并用實驗證明了其結果無法復現(xiàn)。

雖然朗加·迪亞斯的新發(fā)現(xiàn)有待驗證，但超導卻是一種令人著迷的物理現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)新的超導體也是科學家孜孜以求的目標。那么，超導到底是什么呢？它有哪些應用？讓我們一起來了解一下吧！

?磁場與超導體和木板示意圖

超導體的超能力

超導的英文為superconductivity，直譯為“超級導電”，指的是某一物質(zhì)在一定的溫度下（通常是低溫），電阻為零的狀態(tài)。在實驗中，若導體電阻的測量值低于10-25歐姆，則可以認為電阻為零。科學家把處于超導狀態(tài)的物體稱為超導體或者超導材料，把剛好達到超導狀態(tài)的溫度稱為超導體的臨界溫度。

在一些科學館里，有這樣的展品：一塊冒著白霧的金屬懸浮在磁鐵上。這塊金屬就是超導體，它的溫度遠遠低于室溫，所以會像雪糕一樣向周圍冒出白霧。

超導體之所以能懸浮在磁鐵上，是因為它特有的性質(zhì)——抗磁性，即超導體能阻擋磁場穿過，使材料內(nèi)部沒有磁場。

想象一下，在兩塊磁鐵中間放一塊木板，磁鐵依然可以吸在一起，這說明木板無法阻擋兩塊磁鐵之間的磁場。

然而，超導體卻有著不同于木板的超能力——由于磁場無法穿過超導體，超導體和磁鐵之間會產(chǎn)生很大的斥力，這種斥力足以將超導體“托”起來，使它懸浮在磁鐵上。

科學家利用超導體制造出了超導磁懸浮列車，列車在抗磁性的幫助下能穩(wěn)穩(wěn)地懸浮在磁鐵軌道上。由于列車不與軌道直接接觸，列車在運行時不會受到摩擦力的阻礙，可以超高速運行。目前，世界上最快的超導磁懸浮列車可以達到時速620千米。

超導體的發(fā)現(xiàn)

那么，人們是如何發(fā)現(xiàn)超導體的呢？這要從人類掌握測量低溫的技術說起。1908年，荷蘭物理學家昂內(nèi)斯在實驗室中成功液化了氦氣（關于氦的內(nèi)容，見本期《嗨，氦！》），這使溫度的測量范圍大大延伸，達到4.2開爾文（零下268.95攝氏度）以下。

在創(chuàng)造了極低溫的基礎上，昂內(nèi)斯發(fā)現(xiàn)當溫度下降到4.15開爾文（零下269攝氏度）時，金屬汞的直流電阻率突然變?yōu)橐粋€不可測量的極小量，這種新的熱力學平衡態(tài)被昂內(nèi)斯稱為超導態(tài)。昂內(nèi)斯也因發(fā)現(xiàn)了超導態(tài)而獲得1913年的諾貝爾物理學獎。

汞的電阻曲線

在此后的幾十年間，新的超導體不斷被發(fā)現(xiàn)，但它們的最高臨界溫度均低于零下13.15攝氏度。這使超導體在室溫下的應用看起來遙遙無期，也讓室溫超導成為了無數(shù)科學家追求的目標。

讓“頑皮”的電子聽話

目前發(fā)現(xiàn)的超導體大都是晶體，為了更好地理解這背后的原理，我們可以把這些晶體導電的過程想象成一場游戲，一些同學扮演晶體中的原子核，另一些同學扮演自由電子。

在非超導狀態(tài)下的晶體中，原子核同學就乖巧整齊地排列著，而晶體中的自由電子同學就在整齊的原子核同學構成的隊列中隨意奔跑，由于自由電子同學奔跑的方向是隨機的，所以他們很容易就會撞到排列整齊的原子核同學身上。每一次碰撞之后，原子核同學就會被撞得搖搖晃晃（隨機熱運動變得更加劇烈），而自由電子同學的能量就會減少一部分。到最后，在碰撞中的自由電子同學只有很少一部分能跑出這個隊列（受到電阻），而原子核同學的熱運動在碰撞中變得更劇烈（發(fā)生熱效應）。這就是晶體中的電流熱效應和電阻的成因。

核磁共振

而常規(guī)超導體處于超導狀態(tài)，意味著在極低溫時，自由電子同學與原子核同學以一種“配合”的方式在隊列中運動。在運動時，自由電子同學很少碰撞到原子核同學，因此也很少損失自身的能量，最后個個都跑出了隊列。

1957年，美國物理學家巴丁、庫珀和施里弗將這些想法整理成了一套完整的常規(guī)超導理論，后來被命名為BCS理論。BCS理論用于解釋常規(guī)超導現(xiàn)象已經(jīng)游刃有余，但科學家對高溫超導理論機制的討論仍在繼續(xù)。希望有一天我們可以完全解釋高溫超導現(xiàn)象，并將其大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應用。

應用廣泛的超導體

超導體的一系列神奇特性意味著我們可以在一定溫度下穩(wěn)定地利用超導體。自超導現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)至今，有關超導的研究和超導體的研制迅速發(fā)展，超導的臨界溫度已從開始的幾開爾文升至幾十開爾文甚至100多開爾文，而且超導體的物質(zhì)結構及性質(zhì)已逐漸研究清楚。

除了前面提到的超導磁懸浮列車，超導體還有十分廣泛的應用。在醫(yī)學領域，核磁共振成像作為最常用的成像技術之一，可以直觀呈現(xiàn)人體內(nèi)部的組織結構，已廣泛應用于神經(jīng)學、腫瘤學和心血管學等方面。核磁共振成像需要一個強磁場，而超導電磁體就是核磁共振成像使用的強磁場源。

在能源運輸方面，超導體可用于輸電線路和配電裝置中，由于超導電線不會產(chǎn)生電阻，它可以降低能量損失，將電能輸送到更遠的距離，提高能源運輸效率和減少環(huán)境污染。在計算機領域，超導計算機中的超大規(guī)模集成電路，其元件間的連線用接近零電阻和超微發(fā)熱的超導器件來制作，解決了一般高速計算機所面臨的散熱難度大的問題，同時計算機的運算速度也得到了極大的提高。

超導體還被應用于制造電機、大功率電子器件等高科技設備，以及高靈敏度、高精度的儀器，例如精密測量儀器、精密實驗儀器等。此外，它還被應用于高能物理學研究中的粒子加速器，例如大型強子對撞機等，可以使研究者進行更準確的實驗。

未來，隨著研究人員對超導科學技術的更進一步探索，它的應用領域還將不斷擴大，我們有理由相信它會為我們的生產(chǎn)和生活帶來更多的便利和好處。

歐洲大型強子對撞機

知識拓展? 高溫超導

高溫超導，也被稱為非常規(guī)超導，泛指所有無法被BCS理論解釋的超導現(xiàn)象。但這里的高溫并不是我們想象中的幾百幾千攝氏度的高溫，只是相對常規(guī)超導所需的超低溫高許多的溫度，在液態(tài)氮（常壓下為零下196攝氏度）的環(huán)境下就能產(chǎn)生超導現(xiàn)象。

（責任編輯 / 張麗靜? 美術編輯 / 周游）