神奇的“超导”

2023-05-16刘玉柱翟若宇

知识就是力量 2023年5期

刘玉柱翟若宇

2023年3月，美国罗切斯特大学的物理学家朗加·迪亚斯宣布，发现了一种可以在室温条件下实现超导的全新材料。面对这一新发现，有人表示，如果其结果能被复现，那一定是诺贝尔物理学奖级别的成就；也有人质疑其结果的真实性，并用实验证明了其结果无法复现。

虽然朗加·迪亞斯的新发现有待验证，但超导却是一种令人着迷的物理现象，发现新的超导体也是科学家孜孜以求的目标。那么，超导到底是什么呢？它有哪些应用？让我们一起来了解一下吧！

磁场与超导体和木板示意图

超导体的超能力

超导的英文为superconductivity，直译为“超级导电”，指的是某一物质在一定的温度下（通常是低温），电阻为零的状态。在实验中，若导体电阻的测量值低于10-25欧姆，则可以认为电阻为零。科学家把处于超导状态的物体称为超导体或者超导材料，把刚好达到超导状态的温度称为超导体的临界温度。

在一些科学馆里，有这样的展品：一块冒着白雾的金属悬浮在磁铁上。这块金属就是超导体，它的温度远远低于室温，所以会像雪糕一样向周围冒出白雾。

超导体之所以能悬浮在磁铁上，是因为它特有的性质——抗磁性，即超导体能阻挡磁场穿过，使材料内部没有磁场。

想象一下，在两块磁铁中间放一块木板，磁铁依然可以吸在一起，这说明木板无法阻挡两块磁铁之间的磁场。

然而，超导体却有着不同于木板的超能力——由于磁场无法穿过超导体，超导体和磁铁之间会产生很大的斥力，这种斥力足以将超导体“托”起来，使它悬浮在磁铁上。

科学家利用超导体制造出了超导磁悬浮列车，列车在抗磁性的帮助下能稳稳地悬浮在磁铁轨道上。由于列车不与轨道直接接触，列车在运行时不会受到摩擦力的阻碍，可以超高速运行。目前，世界上最快的超导磁悬浮列车可以达到时速620千米。

超导体的发现

那么，人们是如何发现超导体的呢？这要从人类掌握测量低温的技术说起。1908年，荷兰物理学家昂内斯在实验室中成功液化了氦气（关于氦的内容，见本期《嗨，氦！》），这使温度的测量范围大大延伸，达到4.2开尔文（零下268.95摄氏度）以下。

在创造了极低温的基础上，昂内斯发现当温度下降到4.15开尔文（零下269摄氏度）时，金属汞的直流电阻率突然变为一个不可测量的极小量，这种新的热力学平衡态被昂内斯称为超导态。昂内斯也因发现了超导态而获得1913年的诺贝尔物理学奖。

汞的电阻曲线

在此后的几十年间，新的超导体不断被发现，但它们的最高临界温度均低于零下13.15摄氏度。这使超导体在室温下的应用看起来遥遥无期，也让室温超导成为了无数科学家追求的目标。

让“顽皮”的电子听话

目前发现的超导体大都是晶体，为了更好地理解这背后的原理，我们可以把这些晶体导电的过程想象成一场游戏，一些同学扮演晶体中的原子核，另一些同学扮演自由电子。

在非超导状态下的晶体中，原子核同学就乖巧整齐地排列着，而晶体中的自由电子同学就在整齐的原子核同学构成的队列中随意奔跑，由于自由电子同学奔跑的方向是随机的，所以他们很容易就会撞到排列整齐的原子核同学身上。每一次碰撞之后，原子核同学就会被撞得摇摇晃晃（随机热运动变得更加剧烈），而自由电子同学的能量就会减少一部分。到最后，在碰撞中的自由电子同学只有很少一部分能跑出这个队列（受到电阻），而原子核同学的热运动在碰撞中变得更剧烈（发生热效应）。这就是晶体中的电流热效应和电阻的成因。

核磁共振

而常规超导体处于超导状态，意味着在极低温时，自由电子同学与原子核同学以一种“配合”的方式在队列中运动。在运动时，自由电子同学很少碰撞到原子核同学，因此也很少损失自身的能量，最后个个都跑出了队列。

1957年，美国物理学家巴丁、库珀和施里弗将这些想法整理成了一套完整的常规超导理论，后来被命名为BCS理论。BCS理论用于解释常规超导现象已经游刃有余，但科学家对高温超导理论机制的讨论仍在继续。希望有一天我们可以完全解释高温超导现象，并将其大规模产业化应用。

应用广泛的超导体

超导体的一系列神奇特性意味着我们可以在一定温度下稳定地利用超导体。自超导现象被发现至今，有关超导的研究和超导体的研制迅速发展，超导的临界温度已从开始的几开尔文升至几十开尔文甚至100多开尔文，而且超导体的物质结构及性质已逐渐研究清楚。

除了前面提到的超导磁悬浮列车，超导体还有十分广泛的应用。在医学领域，核磁共振成像作为最常用的成像技术之一，可以直观呈现人体内部的组织结构，已广泛应用于神经学、肿瘤学和心血管学等方面。核磁共振成像需要一个强磁场，而超导电磁体就是核磁共振成像使用的强磁场源。

在能源运输方面，超导体可用于输电线路和配电装置中，由于超导电线不会产生电阻，它可以降低能量损失，将电能输送到更远的距离，提高能源运输效率和减少环境污染。在计算机领域，超导计算机中的超大规模集成电路，其元件间的连线用接近零电阻和超微发热的超导器件来制作，解决了一般高速计算机所面临的散热难度大的问题，同时计算机的运算速度也得到了极大的提高。

超导体还被应用于制造电机、大功率电子器件等高科技设备，以及高灵敏度、高精度的仪器，例如精密测量仪器、精密实验仪器等。此外，它还被应用于高能物理学研究中的粒子加速器，例如大型强子对撞机等，可以使研究者进行更准确的实验。

未来，随着研究人员对超导科学技术的更进一步探索，它的应用领域还将不断扩大，我们有理由相信它会为我们的生产和生活带来更多的便利和好处。