神奇的超導(dǎo)現(xiàn)象

文／神們自己 圖／圖蟲創(chuàng)意

2023 年7 月底，一個(gè)名不見(jiàn)經(jīng)傳的韓國(guó)實(shí)驗(yàn)室發(fā)表了一篇非正式論文，介紹他們發(fā)現(xiàn)了一種在常溫常壓下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)的方法，并制備了一些樣品。這個(gè)消息在國(guó)際上引起軒然大波，全世界的實(shí)驗(yàn)室都迅速行動(dòng)起來(lái)，印證該論文的真實(shí)性——如果這個(gè)發(fā)現(xiàn)是真的，那么它將具有重大意義，有人甚至稱它為“第四次工業(yè)革命”。

什么是超導(dǎo)？為什么人們對(duì)它如此重視？讓我來(lái)給大家科普一下。

超導(dǎo)現(xiàn)象最早是由荷蘭科學(xué)家昂尼斯在1911年發(fā)現(xiàn)的：把溫度降低到- 269 ℃后，水銀的電阻突然消失了。昂尼斯把這種物理現(xiàn)象稱為“超導(dǎo)”，即超級(jí)導(dǎo)電。昂尼斯在1913 年獲得了諾貝爾獎(jiǎng)，這相當(dāng)神速。一般來(lái)說(shuō)，諾貝爾獎(jiǎng)需要很長(zhǎng)的時(shí)間驗(yàn)證其重要性才會(huì)頒發(fā)，而發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象只用了2 年就獲獎(jiǎng)，足以說(shuō)明它的重要性。

超導(dǎo)是一種非常神奇的現(xiàn)象，初次看到時(shí)，簡(jiǎn)直感覺(jué)它像是魔法而不是科學(xué)。它具有兩個(gè)特點(diǎn)：第一，電阻為零，而且這個(gè)電阻不是逐漸降低的，而是突然消失的，這意味著在超導(dǎo)材料中，電能可以毫無(wú)損耗的方式傳輸；第二，完全抗磁性，也就是說(shuō)，超導(dǎo)體可以在磁場(chǎng)中懸浮，而不依賴任何外部動(dòng)力。

超導(dǎo)的這兩個(gè)特點(diǎn)，在當(dāng)時(shí)根本無(wú)法用科學(xué)原理來(lái)解釋。一直到1957 年，才出現(xiàn)了超導(dǎo)理論（該理論在1972 年獲諾貝爾獎(jiǎng)）。與其他領(lǐng)域相比，超導(dǎo)的發(fā)展可以說(shuō)是非常不尋常的。通常人們會(huì)說(shuō)，物理學(xué)中最難的是相對(duì)論和量子力學(xué)。但要我說(shuō)，超導(dǎo)才是最難的。相對(duì)論是先提出理論，10 多年后得到了實(shí)驗(yàn)證實(shí)；量子力學(xué)的實(shí)驗(yàn)和理論之間的時(shí)間差并不大，最早關(guān)于量子力學(xué)的實(shí)驗(yàn)是在黑體輻射和氫原子的能級(jí)問(wèn)題中提出的，在一兩年內(nèi)就有了完美的理論解釋；而從發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象到提出超導(dǎo)理論，經(jīng)歷了近50年的時(shí)間，超導(dǎo)理論有多難產(chǎn)，可想而知。

超導(dǎo)理論是由巴丁、庫(kù)珀和施里弗三位科學(xué)家合作提出的，他們?nèi)诵帐系氖鬃帜阜謩e是B、C 和S，因此也稱為“BCS 理論”。在討論BCS 理論之前，我們先來(lái)探討一個(gè)基本概念，那就是電阻為什么存在。電阻是電流流過(guò)時(shí)所受到的阻力，但為什么會(huì)有阻力阻礙電流的流動(dòng)？

以牛頓定律為例，當(dāng)我們把一個(gè)小球扔出去時(shí)，它會(huì)滾動(dòng)一段時(shí)間然后停下來(lái)，小球停下來(lái)是因?yàn)槭艿搅俗枇湍Σ亮Φ挠绊?。同樣，在電流中，電子也?huì)受到阻力，并最終導(dǎo)致電流停止。電阻產(chǎn)生的機(jī)制與金屬內(nèi)部的結(jié)構(gòu)有關(guān)。金屬由原子組成，當(dāng)電子穿過(guò)時(shí)，它可能會(huì)撞到原子上，從而改變方向，停止向前運(yùn)動(dòng)。為什么電子不能從原子的空隙中穿過(guò)呢？原因在于，原子并不是固定不動(dòng)的。如果原子能夠完全靜止不動(dòng)，對(duì)于降低電阻將非常有利。溫度越低，原子的振動(dòng)幅度就越小，電阻將逐漸降低。

BCS 理論提供了一種解釋，當(dāng)溫度足夠低時(shí)，金屬內(nèi)部的電子將以特殊的配對(duì)狀態(tài)存在，形成超導(dǎo)狀態(tài)。超導(dǎo)狀態(tài)是一種量子現(xiàn)象。當(dāng)電流穿過(guò)超導(dǎo)材料時(shí)，它已經(jīng)處于能量最低的狀態(tài)，無(wú)法釋放任何能量到外界，這意味著完全沒(méi)有能量損耗。然而，一旦外界溫度升高，最低能態(tài)就會(huì)被破壞。因此，超導(dǎo)現(xiàn)象需要極低的溫度來(lái)維持。 從最早的- 269 ℃開(kāi)始，科學(xué)家一步步提高了超導(dǎo)體的工作溫度。然而，在過(guò)去的100 多年中，最高紀(jì)錄是- 140 ℃，仍然很低。

BCS 理論解釋了一種超導(dǎo)形成的可能性，但并不代表所有的可能性。在低溫超導(dǎo)之后，出現(xiàn)了另一條途徑，即高壓超導(dǎo)，通過(guò)施加高壓來(lái)實(shí)現(xiàn)在較高溫度下的超導(dǎo)。最近的研究結(jié)果顯示，在室溫15 ℃的情況下，使用一種硫氫化合物能達(dá)到超導(dǎo)狀態(tài)。然而，需要的氣壓相當(dāng)于260 多萬(wàn)個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

從目前來(lái)看，低溫和高壓這兩條路線都不容易，都不可能讓超導(dǎo)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商用。所以，當(dāng)韓國(guó)人聲稱找到了一種常溫常壓的超導(dǎo)材料，這個(gè)材料由銅和鉛的金屬晶體混合制成，只需要加熱到一定程度就可以實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)時(shí)，全世界的目光都投了過(guò)來(lái)。這個(gè)發(fā)現(xiàn)如果屬實(shí)，將對(duì)超導(dǎo)技術(shù)產(chǎn)生巨大影響。哪怕這個(gè)研究是有缺陷的，那也探索了一種全新的思路和方向。

如果超導(dǎo)技術(shù)取得突破，我們的生活將發(fā)生巨大變化。首先，超導(dǎo)材料沒(méi)有電阻，可以用于輸電，能夠大規(guī)模減少電能的損失。其次，超導(dǎo)技術(shù)還可以應(yīng)用于磁懸浮交通，例如飛行汽車。通過(guò)在底部加上磁場(chǎng)，然后使用超導(dǎo)材料來(lái)懸浮汽車，就可以制造安全且高效的飛行汽車。這個(gè)想法有點(diǎn)像科幻電影中的情節(jié)，但是如果超導(dǎo)材料真的變得容易制備和低成本，這個(gè)夢(mèng)想可能會(huì)實(shí)現(xiàn)。

另外，超導(dǎo)材料還可以用來(lái)制造量子計(jì)算機(jī)。量子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，將為人類帶來(lái)更先進(jìn)的技術(shù)和更廣闊的發(fā)展空間。超導(dǎo)材料作為量子計(jì)算機(jī)的基本材料，具有特殊的電流環(huán)狀態(tài)。這個(gè)環(huán)可以同時(shí)存在兩種狀態(tài)，類似于0 和1，這兩種狀態(tài)可以表示量子比特。通過(guò)施加電磁脈沖等操作，可以在這兩種狀態(tài)之間進(jìn)行切換，這是量子計(jì)算的基本操作之一。如果能夠開(kāi)發(fā)出常溫常壓的超導(dǎo)材料，量子計(jì)算機(jī)將變得更加普及和實(shí)用，無(wú)須完全取代現(xiàn)有的顯卡，量子計(jì)算機(jī)只需在1%的計(jì)算任務(wù)上取代顯卡，即可大幅提升計(jì)算速度。量子計(jì)算機(jī)在某些特定計(jì)算問(wèn)題上具有強(qiáng)大的能力，可在1 秒鐘內(nèi)完成傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)需要1 萬(wàn)年才能完成的任務(wù)。

科技發(fā)展從來(lái)沒(méi)有停滯過(guò)，我很樂(lè)觀地相信：在未來(lái)10 年內(nèi)，人類將在量子計(jì)算機(jī)、人工智能大模型、超導(dǎo)技術(shù)、核聚變等多個(gè)領(lǐng)域取得突破。在這個(gè)科技飛速發(fā)展的時(shí)代，也希望你們盡快成長(zhǎng)起來(lái)，用自己的努力創(chuàng)造新的奇跡。