超导现象是什么能转化什么能 火爆的超导到底能带来啥

“超导研究的历史虽然只有108年，但是通过超导研究直接获得诺贝尔奖的科学家一共有10位。”

撰文 | 罗会仟

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罗会仟

中国科学院物理研究所副研究员

我今天要讲的超导与市场上的超导空调、冰箱、浴霸无关，与军事上说的超级导弹也没有关系。

神奇的悬浮小矿石

今天讲的超导跟上图神奇的小矿石有关。电影《阿凡达》中给我印象最深的是潘多拉星球上的山。这些山不是长在地上的，而是长在天上的，是一个很神奇的世界。

电影《阿凡达》剧照

这个山非常大，图片中的直升机就是一个小黑点。山为什么能够悬浮在天上？因为山里面有一种神奇的矿石，室温超导矿石。

什么是超导

通过超导获诺贝尔奖的科学家们

超导的研究就像科幻电影一样，特别“高大上”。超导研究的历史虽然只有108年，但是通过超导研究直接获得诺贝尔奖的科学家一共有10位。

超导研究是物理里很小的分支领域，但是有这么多的科学家直接因为超导研究获得诺贝尔奖，可见非常重要。

电子在材料里“跑”

为什么要研究超导呢？这是现在凝聚态物理所研究的一个基本的问题。我们知道，一个材料是由原子组成的，电子在材料里“跑”，必然会受到一定的阻碍，这种阻碍叫电阻。

各种各样的导体

生活中有各种各样的电器，每种电器都有电阻。根据电阻大小可以分出绝缘体、半导体、导体。

物理学家有一个很简单的方法对其进行区分，就是看这个电阻随温度怎样变化。

如果电阻随温度下降而下降，这种物质就叫作导体；如果电阻随温度下降而上升，这种物质就叫作绝缘体。

温度下降到很低的情况下，电阻会有什么变化？早期，物理学家并不能解决这个问题。没有办法做实验，就只能猜想。

著名物理学家开尔文说：材料在很低的温度下，电子会冻住，直接的结果是电阻会上升；但是物理学家马西森预言：随着温度下降，电阻也会减小。

材料里面有杂质，必然产生一部分剩余电阻，这部分电阻不受温度影响。所以到了绝对零度，电阻依然存在。

物理学家杜瓦猜测，如果找到一个没有任何杂质和缺陷的导体，可能就会存在一种理想的材料，到了绝对零度的时候，它的电阻为零。

后来，荷兰物理学家昂尼斯的实验证实，以上三个推测都不对。其实有一种材料，它的电阻随着温度下降而下降，到某一个温度，电阻突然变成了0。

超导材料金属汞

科学家找到的第一个超导材料就是水银温度计里的水银，即金属汞，为什么找这个材料呢？

因为金属汞在常温下是液态的，它就是一个几乎没有杂质和缺陷的完美金属。测量这个材料电阻的时候，发现温度在4.2K以上还有0.1Ω的电阻，一旦低于4.2K，电阻就小于10^-5Ω，测不到了，电阻是0，昂尼斯把这个现象称之为超导。

我们今天要找的超导其实是把这两个字拆开来看，“超级”“导电”。超导体的导电性能特别好，以至于电阻是零，这个研究发现获得了1913年的诺贝尔物理学奖。

超导还有一个很神奇的性质，它还有磁的效应。我们经常说电生磁，磁生电，电和磁不分家。

1933年，德国科学家迈斯纳发现了超导的磁效应，简单来说，超导具有完全的抗磁性。

超导= 完全抗磁

图中蓝色小球就代表超导体，把它放到磁场里，这个磁通线会绕着它走，无论是先加磁场后降温变超导，还是先降温变超导再加磁场，结果都一样。

磁通线进不去，以至于它内部的磁感应强度也是零。有电和磁两个效应，我们就说这是超导体了。

超导的热力学效应

超导还有第三个效应——超导热力学效应。超导是一个热力学现象，也是一种宏观量子的效应。超导热力学效应是三位理论家在1950年提出的，获得了2003年的诺贝尔奖。

超导的基本原理

超导是有相关理论解释的，这个理论就叫作BCS理论，以三位科学家名字命名，一位叫Bardeen，一位是Cooper，一位是Schrieffer，BCS是他们名字的缩写。

在提出这个理论之前，我们很熟悉的一些物理学家，比如爱因斯坦、费曼、海森堡等人都曾试图解决超导的问题，都失败了。但是，这三位科学家成功了。

他们推测了从一个电子变成两个电子的情况，一个电子单独跑肯定会受到阻碍，两个电子配对跑为什么不会受到阻碍呢？

单行苦奔遇阻力 双结生翅成超导

我们可以把电子当成只有一个翅膀的小蜜蜂，一个翅膀的小蜜蜂飞不起来，但是左翅膀抱右翅膀，两个蜜蜂配对就飞起来了，这叫作双结生翅成超导。这是BCS理论的精髓。

三位科学家中有一个重要的人物叫Bardeen，他是世界上唯一一个获得两次诺贝尔物理学奖的人，第一次获诺贝尔物理学奖是因为发明半导体晶体管，改变了整个人类世界。

超导应用

超导有很多重要的效应，有电和磁的效应，有热力学的效应，但是超导材料到底有什么用呢？

无损耗超导输电

首先，一切用到电和磁的地方都可以用到超导体。比如输电，为了减少输电的损耗，只能加几千伏上万伏的电压，即使这样还是会有大约15%的损耗。

如果用超导，就可以把这个损耗省掉，因为它的电阻是零。15%可能意味着以后人类的能源能多用100～200年，这是非常重要的。

高分辨超导核磁共振成像

如果各位去医院做核磁共振，医生会让你把身上的金属物品摘掉，因为我们要进入这个“大圆圈”里去。这个“大圆圈”是超导磁铁，有很强的磁场。

超导磁场的分辨率非常高，以目前的技术水平，把大脑里面上百亿个神经元全部测清楚也是指日可待的。以后想知道你脑袋里想什么，扫一扫就可以了。

高速超导磁悬浮列车

生活中，大家比较熟悉的可能是高速超导磁悬浮列车。现在坐高铁，北京到上海最快的速度是350千米每小时，高铁试验的速度能达到450千米每小时。

超导磁悬浮列车到底有多快呢？日本的试验中，速度能达到600千米每小时以上。

科学家有一个很大胆的想法，如果把这个磁悬浮的轨道放在真空管道里面去，这个时候没有空气阻力，速度有多快呢？

至少能达到3000千米每小时以上，如果以3000千米每小时的速度行驶，北京到上海只有半个小时，人可能不敢坐，但是以后可以用于发快递。

高场超导加速器磁体

基础研究也非常重要，粒子物理学研究这几年非常火。希格斯粒子研究也拿到了诺贝尔奖。

如今做高能物理实验的粒子学家离开超导体就无法工作了，因为要把粒子加速器的能量提到很高，必须依靠很强的超导磁体，没有超导磁体他们也许就无法进行实验。

超精密超导量子干涉仪

超导可以承载很强的磁场和电流，这就是之前讲的超导强电应用，其实超导还有弱电应用。超导体可以做成一个器件——超导量子干涉仪。

这个器件有什么作用呢？它是世界上最精密的磁探测器，一根磁通线都能测出来。

比如，芯片做好之后出现问题，不知道哪里断了，用这个探测器一扫就知道了，极细的纳米级的芯片都可以扫出来。

寻找超导材料之路

讲了这么多超导的应用，但我们发现生活中并没有人使用超导手机、超导电脑、超导电视和超导冰箱等。

什么超导不能像电影中那样普适呢？原因很简单，就是我们找到的所有超导材料都不好用。

一个好用的超导体需要“三高”

要找到一个好用的超导体，必须具备“三高”，“三高”包括高临界温度，高临界磁场和高临界电流。

超导体要有足够的温度才能超导，磁场太强也会破坏超导，电流太大也不行，必须三个条件都很高，这个材料才好用。

三方面都很高很难，物理学家不知道具体怎么样提高临界磁场和临界电流密度。我们就去找合适的高临界温度超导材料。从第一个金属汞开始。

超导单质元素

后来科学家把整个元素周期表都扫一遍，对每一个元素的单质进行测试，看看是不是超导。结果令人惊讶，发现很多元素单质都是超导体，但是导电最好的金、银、铜不是超导体。

超导二元合金

找完单质，就去找元素化合物，比如说最高超导温度的单质是金属铌，金属铌的Tc［超导材料由正常态转变为超导态对应的温度，以Tc表示］是9K，寻找铌的化合物，比如碳化铌、氮化铌。

氮化铌的Tc为16K，还不错。再合成铌三烯、铌三锗一系列的化合物，科学家发现铌三锗这个材料的超导温度可以达到23.5K，很高了（那个时候把Tc高于20K以上的叫作高温超导体）。

麦克米兰红线：看不见的天花板

找了各种化合物之后，理论家还做了个计算，结果比较悲观：超导温度似乎是有上限的，上限是40k。

这个数字相当于看不见的天花板，好像超导材料Tc永远都超不过40K。

马蒂亚斯：老司机的告诫

实验物理学家也喜欢预言。比如，一位名为布兰德·马蒂亚斯的物理学家（发现铌三锗）认为探索新的高温超导材料有6个条件：

晶体结构高对称性，电子的态密度要高，不能有氧，不能有磁性，不能是绝缘体，不要相信理论家的胡说八道。这6条到底哪一条是对的呢？

来自IBM的绝境逆袭

J. Georg Bednorz和K. Alex Muller是来自IBM的两位科学家，他们发现的超导材料是一个氧化物，化学式叫钡镧铜氧。

它是准二维结构，低载流子浓度，氧化物，母体是绝缘体，有磁性，这说明前面5条全错了，只有第6条可能对。这个材料的超导温度能够达到35K，已经逼近40K红线。

这个材料是在1986年12月被发现的，在1987年10月获得诺贝尔奖。为什么他们能这么快获得诺贝尔奖？

这要感谢中国人，是中国人的帮助让两人这么快就获得了诺贝尔奖。

来自华人世界的神助攻

他们主要是中国科学院物理研究所的赵忠贤院士、美国休斯顿大学的朱经武教授以及台湾中央研究院院长吴茂昆。

他们发现一个材料叫做钡钇铜氧，与钡镧铜氧只差了一个元素，换了一个元素之后，这个材料的Tc奇迹般地变成93K。

这是什么概念？40K的红线不存在了，理论家的预言被推翻。93K意味着我们突破了液氮温区。

我们以前做超导只能利用液氦，液氦很贵。一升液氦需要好几百元，而一升液氮只要1元。

铜基高温超导体

因为温度很高且价格便宜，科学家找到了一系列的铜氧化物高温超导材料。铜基高温超导体，目前能达到134K的超导温度，加压可以达到165K。

“高富帅”的烦恼

温度高了就好了吗？虽然温度高，但我们发现这个材料不太适合应用，因为它是铜氧化物，属于陶瓷材料，很脆，一碰就会碎掉。

为了保护这种材料，要覆上多层薄膜等很复杂的东西才勉强能使用，所以这种材料“不好用”。

“印象派”的抓狂

那么我们能不能解释这种材料的超导温度为什么这么高，进而寻找到Tc更高的超导材料呢？

这是高温超导的电子态实验数据，跟印象派的画一样，乱而难懂。我们只能看看有没有新的路可以走。

“大雄哥”来救场

2008年，科学家发现了一种很重要的材料——铁基超导体，发现者是日本科学家细野秀雄。他发现镧铁砷氧氟材料的超导温度可以达到26K。

20k以上已经很高了。中国科学家敏锐地注意到这个材料很重要，接着把镧氧铁砷氟中的镧换成了其他的镧系元素。

奇迹出现了，他们发现换了一个元素的钐铁砷氧氟的超导温度可以达到55K。从26K到55K是质的飞跃，40K的红线又一次突破了。

这意味着新一代的高温超导体已经诞生，那就是第二大高温超导体家族——铁基高温超导体。

见证 “中国速度”

现在，科学家发现了很多铁基高温超导体的家族成员，其实很多铁基超导体是中国人发现的。

铁基超导块体材料目前最高温度可以达到55K，薄膜可以达到65K，而且这个铁硒薄膜很神奇，只有一层原子的厚度。

总结一下什么叫高温超导。需要解释一下，高温超导的温度并不高。

我们以40K的麦克米兰红线为标准，能够超过40K的材料叫作高温超导材料，目前达到这个标准的材料只有两种，铜基和铁基。

不同材料的临界温度

40K是什么概念呢？相当于-233℃，比月球的最低温度还要低。只是相对于第一个超导材料金属汞来说温度高一些而已。

我们人类希望能够找到室温超导体，室温有一个严格的定义，在物理学里面室温就是300K，27℃。

我们最终希望找到300K以上的超导体，物理学家就去找了很多超导材料，找到了1万多种，有机的、无机的，各种各样，统统不好用。

爱喝水的超导 vs 有酒品的超导

物理学家发现两个有趣的超导体，一个爱“喝水”，一个爱“喝酒”。

左图的材料本身不超导，把它放在蒸笼里面蒸一蒸，像蒸包子一样蒸熟了，这个材料就变成超导体了。

右图的材料本身也不超导，把它放到各种酒里面泡几遍，这个材料就超导了。但是将这个材料直接泡在乙醇（酒精）水溶液中是不超导的。这家伙特别有“酒品”，特别喜欢某种红葡萄酒。

防晒霜里有玄机

超导也隐藏在我们身边。大家每天抹的防晒霜中就有超导体，里面有一种材料叫作对三联苯，中国科学家就发现这个材料里面可能存在125K的超导体，当然它还没有被实验证实。

扭扭捏捏石墨烯

超导材料的发现很有趣。去年，来自中国科大少年班的曹原发现了扭角石墨烯，把两层石墨烯堆在一起搭个积木，转个角度，超导便产生了，很神奇，但是这个超导温度很低，只有1K左右。

室温超导的未来

压力山大更超导

我们到底有没有可能实现室温超导呢？其实，压力大一点就可以帮科学家实现室温超导。

比如说氢在常温下是气体，两个金刚石对着压就会变成金属氢，金属氢就是传说中的室温超导体。

制造金属氢很难，前几年两位哈佛大学的教授发现金属氢，但是在测试是否为室温超导体的过程中金刚石碎掉了，氢就没了。

我们可以换一种思路，做氢的化合物，做硫化氢，在材料里面加200万个大气压，也能实现200K以上的超导。

最近，科学家又发现在镧氢10里面加200万个左右的大气压，可以达到临界温度250K。

250K是什么概念？是-23℃，在东北就当作室温了。

一起去木星 挖室温超导矿

200万个大气压不是哪里都有，在地球内部有，在木星内部有。

木星是一个巨大的氢气球，里面有很多的氢气，里面有内核，内核周围就是金属氢。

如果大家想找室温超导怎么办？我们可以钻到木星里面去，就可以找到室温超导体。

如果真正实现室温超导的话，对我们的生活会产生什么影响呢？比如，以后在家里就能搞一个非常酷的悬浮沙发躺着看电视，磕瓜子。

我们走出房间，可以看到天上有悬浮的城市，地上有悬浮的汽车，不只是悬浮的高铁了。

未来超导世界：量子时代

生活中，可以使用超导量子器件，比如，把半导体芯片换成超导芯片就可以造量子计算机。

大家不要觉得量子计算机离我们很远，实际上IBMQ已经存在了。

量子计算机的运算速度非常快，用现在的计算机计算可能需要100年，在量子计算机上只需要0.1秒。

如果实现了超导可能也会帮助我们造一个非常厉害的发动机，这个时候就可以驾驶着飞船流浪整个宇宙。

超导看起来离我们很远，实际上离我们生活非常近。我们中国也有行动计划，计划10年之内要有自己的量子计算机。

也许一二十年之后，大家就可以享受超导带给我们的未来生活了。

本文经授权转载自微信公众号“SELF格致论道讲坛”。

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