神奇的“超導(dǎo)”

劉玉柱 翟若宇

2023年3月，美國(guó)羅切斯特大學(xué)的物理學(xué)家朗加·迪亞斯宣布，發(fā)現(xiàn)了一種可以在室溫條件下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)的全新材料。面對(duì)這一新發(fā)現(xiàn)，有人表示，如果其結(jié)果能被復(fù)現(xiàn)，那一定是諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)級(jí)別的成就；也有人質(zhì)疑其結(jié)果的真實(shí)性，并用實(shí)驗(yàn)證明了其結(jié)果無法復(fù)現(xiàn)。

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

?磁場(chǎng)與超導(dǎo)體和木板示意圖

超導(dǎo)體的超能力

超導(dǎo)的英文為superconductivity，直譯為“超級(jí)導(dǎo)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(shí)驗(yàn)中，若導(dǎo)體電阻的測(cè)量值低于10-25歐姆，則可以認(rèn)為電阻為零?？茖W(xué)家把處于超導(dǎo)狀態(tài)的物體稱為超導(dǎo)體或者超導(dǎo)材料，把剛好達(dá)到超導(dǎo)狀態(tài)的溫度稱為超導(dǎo)體的臨界溫度。

在一些科學(xué)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(dǎo)體，它的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于室溫，所以會(huì)像雪糕一樣向周圍冒出白霧。

超導(dǎo)體之所以能懸浮在磁鐵上，是因?yàn)樗赜械男再|(zhì)——抗磁性，即超導(dǎo)體能阻擋磁場(chǎng)穿過，使材料內(nèi)部沒有磁場(chǎng)。

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(chǎng)。

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

科學(xué)家利用超導(dǎo)體制造出了超導(dǎo)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(yùn)行時(shí)不會(huì)受到摩擦力的阻礙，可以超高速運(yùn)行。目前，世界上最快的超導(dǎo)磁懸浮列車可以達(dá)到時(shí)速620千米。

超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)

那么，人們是如何發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體的呢？這要從人類掌握測(cè)量低溫的技術(shù)說起。1908年，荷蘭物理學(xué)家昂內(nèi)斯在實(shí)驗(yàn)室中成功液化了氦氣（關(guān)于氦的內(nèi)容，見本期《嗨，氦！》），這使溫度的測(cè)量范圍大大延伸，達(dá)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(chǔ)上，昂內(nèi)斯發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度下降到4.15開爾文（零下269攝氏度）時(shí)，金屬汞的直流電阻率突然變?yōu)橐粋€(gè)不可測(cè)量的極小量，這種新的熱力學(xué)平衡態(tài)被昂內(nèi)斯稱為超導(dǎo)態(tài)。昂內(nèi)斯也因發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)態(tài)而獲得1913年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

汞的電阻曲線

在此后的幾十年間，新的超導(dǎo)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(dǎo)體在室溫下的應(yīng)用看起來遙遙無期，也讓室溫超導(dǎo)成為了無數(shù)科學(xué)家追求的目標(biāo)。

讓“頑皮”的電子聽話

目前發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)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(dǎo)電的過程想象成一場(chǎng)游戲，一些同學(xué)扮演晶體中的原子核，另一些同學(xué)扮演自由電子。

在非超導(dǎo)狀態(tài)下的晶體中，原子核同學(xué)就乖巧整齊地排列著，而晶體中的自由電子同學(xué)就在整齊的原子核同學(xué)構(gòu)成的隊(duì)列中隨意奔跑，由于自由電子同學(xué)奔跑的方向是隨機(jī)的，所以他們很容易就會(huì)撞到排列整齊的原子核同學(xué)身上。每一次碰撞之后，原子核同學(xué)就會(huì)被撞得搖搖晃晃（隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)變得更加劇烈），而自由電子同學(xué)的能量就會(huì)減少一部分。到最后，在碰撞中的自由電子同學(xué)只有很少一部分能跑出這個(gè)隊(duì)列（受到電阻），而原子核同學(xué)的熱運(yùn)動(dòng)在碰撞中變得更劇烈（發(fā)生熱效應(yīng)）。這就是晶體中的電流熱效應(yīng)和電阻的成因。

核磁共振

而常規(guī)超導(dǎo)體處于超導(dǎo)狀態(tài)，意味著在極低溫時(shí)，自由電子同學(xué)與原子核同學(xué)以一種“配合”的方式在隊(duì)列中運(yùn)動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)時(shí)，自由電子同學(xué)很少碰撞到原子核同學(xué)，因此也很少損失自身的能量，最后個(gè)個(gè)都跑出了隊(duì)列。

1957年，美國(guó)物理學(xué)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(dǎo)理論，后來被命名為BCS理論。BCS理論用于解釋常規(guī)超導(dǎo)現(xiàn)象已經(jīng)游刃有余，但科學(xué)家對(duì)高溫超導(dǎo)理論機(jī)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(dǎo)現(xiàn)象，并將其大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

應(yīng)用廣泛的超導(dǎo)體

超導(dǎo)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(dǎo)體。自超導(dǎo)現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)至今，有關(guān)超導(dǎo)的研究和超導(dǎo)體的研制迅速發(fā)展，超導(dǎo)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(dǎo)體的物質(zhì)結(jié)構(gòu)及性質(zhì)已逐漸研究清楚。

除了前面提到的超導(dǎo)磁懸浮列車，超導(dǎo)體還有十分廣泛的應(yīng)用。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，核磁共振成像作為最常用的成像技術(shù)之一，可以直觀呈現(xiàn)人體內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)，已廣泛應(yīng)用于神經(jīng)學(xué)、腫瘤學(xué)和心血管學(xué)等方面。核磁共振成像需要一個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)，而超導(dǎo)電磁體就是核磁共振成像使用的強(qiáng)磁場(chǎng)源。

在能源運(yùn)輸方面，超導(dǎo)體可用于輸電線路和配電裝置中，由于超導(dǎo)電線不會(huì)產(chǎn)生電阻，它可以降低能量損失，將電能輸送到更遠(yuǎn)的距離，提高能源運(yùn)輸效率和減少環(huán)境污染。在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，超導(dǎo)計(jì)算機(jī)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(dǎo)器件來制作，解決了一般高速計(jì)算機(jī)所面臨的散熱難度大的問題，同時(shí)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度也得到了極大的提高。

超導(dǎo)體還被應(yīng)用于制造電機(jī)、大功率電子器件等高科技設(shè)備，以及高靈敏度、高精度的儀器，例如精密測(cè)量?jī)x器、精密實(shí)驗(yàn)儀器等。此外，它還被應(yīng)用于高能物理學(xué)研究中的粒子加速器，例如大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)等，可以使研究者進(jìn)行更準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)。

未來，隨著研究人員對(duì)超導(dǎo)科學(xué)技術(shù)的更進(jìn)一步探索，它的應(yīng)用領(lǐng)域還將不斷擴(kuò)大，我們有理由相信它會(huì)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(qiáng)子對(duì)撞機(jī)

知識(shí)拓展? 高溫超導(dǎo)

高溫超導(dǎo)，也被稱為非常規(guī)超導(dǎo)，泛指所有無法被BCS理論解釋的超導(dǎo)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(duì)常規(guī)超導(dǎo)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(dǎo)現(xiàn)象。

（責(zé)任編輯 / 張麗靜? 美術(shù)編輯 / 周游）