超導體：揭開神奇磁懸浮的秘密

推薦單位：北京科學技術期刊學會、《物理學報》

成果來源：中科院物理所超導國家重點實驗室

轉(zhuǎn)化作者：艷紅

還記得電影《阿凡達》里的潘多拉星球上懸浮在空中的一座座高山嗎？看上去神秘而又壯觀。雖說這些“懸浮之山”是我們在科幻電影里看到的，但從科學的角度來說，在現(xiàn)實世界中人工打造一座懸浮山也不是不可能的。這就需要依靠跟電影中的常溫超導礦石“Unobtanium”有著相同性能的神奇材料——一種蘊含著奇特能量的超導體。

什么是超導體？

超導（Superconductor），就是超級導電的意思，又稱為超導材料，其導電性能非常好，在一定溫度（定義為超導臨界溫度）下電阻為零，以至于電流在流動過程中處于零損耗狀態(tài)，從而跑得更快。盡管嚴格意義上的零電阻無法測量出來，但是精確實驗表明，超導材料的電阻要比目前導電性最好的金屬如銀、銅、金、鋁等（電線的主要成分）整整低了10個數(shù)量級。這意味著，在閉合超導線圈中感應出1A的電流，需要近一千億年才能衰減掉，比我們宇宙存在的年齡還要長得多。

和普通導體相比，超導體不僅具有“零電阻”的特性，還有一個重要特征是完全抗磁性，這也是超導磁懸浮列車的基本原理。1933年德國物理學家邁斯納等人發(fā)現(xiàn)，材料一旦在低溫下進入超導態(tài)，其內(nèi)部的磁力線便會統(tǒng)統(tǒng)被排出，以保證內(nèi)部的磁感應強度恒等于零。這種效應被稱為“邁斯納效應”，又叫完全抗磁性。只有同時具有零電阻效應和完全抗磁性這兩大特性的材料，才能從科學意義上稱之為超導材料。

根據(jù)材料對磁場的響應不同可以把它們分為第一類超導體和第二類超導體：第一類超導體只存在一個單一的臨界磁場，當外界磁場強度超過臨界磁場的時候，超導性消失;第二類超導體則有兩個臨界磁場值，在兩個臨界值之間，材料允許部分磁場穿透材料。

由于超導體“不允許”其內(nèi)部有任何磁力線，如果外界有磁力線要通過超導體內(nèi)部，那么超導體必然會產(chǎn)生一個與之方向相反的磁場來抵消，保證內(nèi)部磁感應強度為零，這就形成了一個斥力。當部分磁力線穿透到超導體內(nèi)部時，又會被超導體牢牢“釘住”，這意味著磁場和超導體之間還可以存在“引力”。此時斥力和引力并存、相互制衡，最終讓超導體既可以“浮”起一定高度，同時也可以“懸”掛在磁鐵下面一定距離。這便是超導磁懸浮的工作原理。

為了更好地科普這一理論，2018年，中科院物理所通過一則抖音視頻，向大眾直觀地展示了超導磁懸浮實驗：將超導材料浸入液氮（-196℃）降溫使其進入超導態(tài)，它便會懸浮在磁性軌道上方一定距離。輕輕一推，超導體就開始沿著軌道快速行進，行進過程中兩者完全沒有接觸，超導體一直被束縛在軌道的上方或下方。這一實驗充分展現(xiàn)了超導體在磁場中的懸浮性能，同時也表明低溫對超導材料的重要性。

超導體的“提溫”之旅

其實，超導并不是一個新名詞，早在100多年前的1911年，荷蘭科學家昂內(nèi)斯等人就發(fā)現(xiàn)了第一個超導材料：金屬汞，就是我們常說的水銀。汞在極低的溫度下，大概在4.2開爾文時，其電阻會消失，呈超導狀態(tài)。超導材料雖然聽起來很神秘，但其實并不稀奇，可以說，元素周期表里的絕大部分金屬，甚至是非金屬單質(zhì)都是超導材料。不過有一個非常重要的前提是，要有足夠低的溫度，抑或足夠高的壓強才能得以實現(xiàn)，像是在電影里邊出現(xiàn)的常溫超導體，目前來說還只能算是一種夢想。

雖然超導材料有著得天獨厚的特性，但需要在極低的溫度條件下才能實現(xiàn)，這極大地限制了超導材料的應用，因此人們一直在探索高溫超導體。自1911年以后，隨著研究的日趨深入，科學家們又發(fā)現(xiàn)了23種純金屬超導材料。包括水銀在內(nèi)，這24種純金屬超導材料的臨界溫度都在0.1開爾文～9.13開爾文，其中鈮元素為最高溫度 9.13開爾文。1950年，科學家將注意力轉(zhuǎn)向了合金和化合物，于兩年后發(fā)現(xiàn)了臨界溫度為17開爾文的硅化釩，不久又發(fā)現(xiàn)了臨界溫度為18開爾文的鈮錫合金。

1986年，IBM公司的柏諾茲和繆勒獨辟蹊徑，在一般認為導電性不好的陶瓷材料中探索超導電性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)鑭-鋇-銅-氧體系可能存在超導電性，其臨界轉(zhuǎn)變溫度高達35 開爾文。1987年，中國科學院物理研究所的趙忠賢研究團隊與美國休斯頓大學的朱經(jīng)武、吳茂昆研究組分別獨立發(fā)現(xiàn)：釔-鋇-銅-氧體系存在90 開爾文以上的臨界溫度。至此，超導研究首次突破了液氮溫區(qū)（液氮沸點為77 開爾文），使得超導的大規(guī)模研究和應用成為可能。1994年，朱經(jīng)武研究組在高壓條件下把Hg2Ba2Ca2Cu3O10體系的臨界溫度提高到了164開爾文，這一最高紀錄一直保持至今。

相對于常規(guī)的金屬和合金超導體（稱為傳統(tǒng)超導體），銅氧化物超導體具有較高的超導臨界溫度，突破了40開爾文的麥克米蘭極限，被稱為高溫超導體。但是由于銅氧化物高溫超導材料屬于氧化物陶瓷，缺乏柔韌性和延展性，容易在承載大電流時失去超導電性而迅速發(fā)熱，實際應用難度較大，于是科學家們又開始尋找新型的高溫超導體。

2008年日本科學家發(fā)現(xiàn)鐵砷化物體系中存在26開爾文的超導電性，這引發(fā)了以鐵基超導為主的高溫超導研究的第二波熱潮。隨后，在中國科學家的努力下，這類材料的超導臨界溫度突破了40開爾文，在塊體材料中實現(xiàn)了55開爾文的高溫超導電性。至此，新一代高溫超導家族——鐵基超導宣告發(fā)現(xiàn)。只是這類超導體大都含砷或堿金屬，本身有毒，又對空氣敏感，應用方面同樣存在不少局限性。

這么多年來，盡管人們在單質(zhì)金屬、合金、氧化物，甚至有機物中都發(fā)現(xiàn)了超導電性，但人們一直渴望能找到一種室溫下的實用超導體。近年來有關發(fā)現(xiàn)室溫超導體的論文報道經(jīng)常出現(xiàn)，但卻都經(jīng)不起驗證或者為學術造假行為，真正意義上的室溫超導體離我們還很遙遠。

超導技術的巨大應用前景

一百多年來，全世界的科學家們之所以一直對超導材料不停地探索，正是因為超導體在應用方面蘊含著巨大的發(fā)展前景，甚至會引起一場新的技術革命，給人類社會帶來翻天覆地的變化。目前，超導技術在輸電、電機、交通運輸、航天、微電子、通信、核物理、新能源、生物工程、醫(yī)療以及軍事裝備等領域，都已展現(xiàn)出燦爛奪目的前景。

1.超導輸電和發(fā)電

凡是用電的地方，都有超導的用武之地。超導輸電可以節(jié)約目前高壓交流輸電技術中15%左右的損耗（送電、變電、配電等每一步都存在電阻，使一部分電能轉(zhuǎn)化成熱量而浪費），拿美國來說，如果實現(xiàn)了超導輸電，每年可減少100億美元的電力損失。用超導制成的發(fā)電機、電動機與常規(guī)發(fā)電機相比，體積小得多，重量只有原來的1/10，成本也降低一半，最關鍵的是可以大大提高電流效率。如果用超導電動汽車來代替燃油汽車，那么全世界一年可節(jié)省汽油10億噸左右。

2.超導儲能

將電力輸入超導線圈中，電流便可在里面長期流動而幾乎不損耗電能。因此，可設計大容量的超導儲能裝置，儲存大量電能以供電網(wǎng)調(diào)峰之用。

3.超導磁體

利用超導線圈制作的超導磁體體積小、重量輕、磁場高、均勻性好、耗能低，是電子顯微鏡、高能加速器、電磁軌道炮、人工可控核聚變等關鍵技術的核心。超導磁體應用在核磁共振計算機斷層診斷裝置上，可以使分辨率大大提高，能診斷出更早期的癌細胞。此外，超導也是發(fā)現(xiàn)希格斯粒子必不可缺的大功臣，因為在歐洲大型強子對撞機上就裝了9300多個超導磁體。

4.超導芯片

用超導芯片代替普通芯片制成的超導計算機，可以大大提高運算速度，減小計算機體積。美國研制的一臺運算速度為800萬次/秒的超導計算機，雖然其體積只有電話機那么小，但其運算速度卻提高了數(shù)十倍。

5.會“飛”的火車——超導磁懸浮列車

與我們所熟知的上海磁懸浮列車通過電實現(xiàn)車體懸浮運行不同，超導磁懸浮列車是利用超導技術實現(xiàn)懸浮的。因為超導對磁力線有特定的鎖定能力，引力和斥力同時存在，并且最大限度地消除了鐵軌與車輪之間的摩擦力，因此磁懸浮列車不但更加快速（可達500千米/小時），也更加穩(wěn)定和安全。

6.超導量子干涉儀

超導具有許多復雜的微觀量子效應，利用超導電流的量子干涉效應制備的超導量子干涉儀，對外磁場感應極其敏感，是目前世界上最靈敏的磁測量儀器，被廣泛用到電子工業(yè)中。它不但能探測礦物，也能探測出人腦的神經(jīng)活動。此外，利用超導制造的新型紅外探測器、超導磁強針、超導重力儀、超導波器及各種微波器件，也將被廣泛應用于地震預測、航空航天事業(yè)以及地質(zhì)勘探等。