也許十年二十年后，
每個人都可以享受超導給我們帶來的未來生活。
《格致論道》第38期| 2019 年 4 月 28 日
今天我要說的超導，和市面上的超導空調、冰箱、浴室取暖器沒有任何關系，也和軍事上的超級導彈沒有任何關系。
我們今天所說的超導性，就和圖中神奇的懸浮礦石有關。 電影《阿凡達》給我印象最深的就是潘多拉星球上的山脈。 這些山并不是長在地上，而是長在天上。 這是一個非常神奇的世界。
這座山很大，而圖中的直升機只是一個小黑點。 山為什么可以懸浮在空中？ 因為山里有一種神奇的礦石，常溫超導礦石。
什么是超導性？
超導研究就像科幻電影，特別“高端”。
雖然超導研究的歷史只有108年，但通過超導研究直接獲得諾貝爾獎的科學家一共有10位。 超導研究是物理學的一個小分支，但這么多科學家直接因為超導研究獲得諾貝爾獎，可見其非常重要。
為什么要研究超導？ 這是凝聚態物理目前正在研究的一個基本問題。 我們知道物質是由原子組成的。 電子在材料中“奔跑”時，不可避免地會遇到一定的障礙。 這種障礙稱為阻力。
生活中有各種各樣的電器，每種電器都有電阻。 按電阻大小可分為絕緣體、半導體和導體。 物理學家有一個非常簡單的方法來區分，那就是觀察電阻如何隨溫度變化。 如果電阻隨溫度降低而減小，則該物質稱為導體； 如果電阻隨著溫度降低而增加，則該物質稱為絕緣體。
當溫度降至很低的溫度時，電阻會發生什么變化？ 早期，物理學家無法解決這個問題。 沒有辦法做實驗，所以我們只能猜測。
著名物理學家開爾文說：當材料處于很低的溫度時，電子會凍結，直接的結果就是電阻增大； 但物理學家馬西森預測，隨著溫度下降，電阻也會減小。 材料中存在雜質，必然會產生一部分殘余電阻。 這部分電阻不受溫度影響。 因此，在絕對為零的情況下，阻力仍然存在。
物理學家杜瓦推測，如果找到一種沒有任何雜質和缺陷的導體，那么可能就有一種理想的材料。 當達到絕對零時，其電阻為零。
后來荷蘭物理學家奧尼斯的實驗證實了上述三個猜想都是錯誤的。 事實上荷蘭的物理學家，有一種材料的電阻隨著溫度的下降而降低。 在一定溫度下，電阻突然變成0。科學家發現的第一個超導材料是水銀溫度計中的水銀，即金屬汞。 他們為什么要尋找這種材料？
由于金屬汞在室溫下是液態，因此它是一種幾乎沒有雜質和缺陷的完美金屬。 測量這種材料的電阻時發現，當溫度在4.2K以上時，仍有0.1Ω的電阻。 一旦低于4.2K，電阻就小于10-5Ω，無法測量。 阻力為0。奧尼斯稱這種現象為“超導”。
我們今天要找的超導體，其實是分解了“超”和“導”這兩個詞。 超導體的導電性能非常好，其電阻為零。 這項研究發現榮獲1913年諾貝爾物理學獎。
超導還有一個非常神奇的屬性，它同樣具有磁效應。 我們常說電產生磁，磁產生電，電和磁密不可分。
1933年，德國科學家邁斯納發現了超導磁效應。 簡而言之，超導體是完全抗磁性的。 圖中的藍色球代表超導體。 如果將其放入磁場中，磁力線將圍繞其旋轉。 無論是先加磁場然后冷卻超導，還是先冷卻超導再加磁場，結果都是一樣的。 相同的。
磁力線無法進入，因此其內部的磁感應強度也為零。 它同時具有電效應和磁效應，所以我們說它是超導體。
超導性還有第三個效應——超導熱力學效應。 超導是一種熱力學現象，也是一種宏觀量子效應。
超導熱力學效應由三位理論家于1950年提出，并于2003年獲得諾貝爾獎。
超導性是由相關理論解釋的。 這個理論稱為BCS理論，以三位科學家的名字命名，一位是，一位是，一位是，一位是，BCS是他們名字的縮寫。
在這個理論提出之前，我們熟悉的一些物理學家，比如愛因斯坦、費曼、海森堡等，都試圖解決超導問題，但都失敗了。 然而，這三位科學家成功了。 他們推測從一個電子到兩個電子的變化。 一個電子單獨運行時肯定會受到阻礙。 為什么兩個電子成對運行時不會受到阻礙？
我們可以將電子想象成一只只有一只翅膀的蜜蜂。 一只只有一只翅膀的蜜蜂不能飛，但如果左翼按住右翼，兩只蜜蜂就會配對飛行。 這稱為雙翼超導。 這就是BCS理論的精髓。
三位科學家之一是一位重要人物。 他是世界上唯一兩次獲得諾貝爾物理學獎的人。 他第一次獲得諾貝爾物理學獎是因為他發明了半導體晶體管，改變了整個人類世界。
超導的應用
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超導具有許多重要效應，包括電效應、磁效應以及熱力學效應。 但超導材料有什么用途呢？
首先，只要有電和磁的地方就可以使用超導體。 例如，在電力傳輸中，為了減少傳輸損耗，我們只能加幾千到萬伏的電壓。 即便如此，仍然會有15%左右的損失。 如果使用超導，則可以節省這種損耗，因為它的電阻為零。 15%可能意味著人類的能源在未來還可以使用100到200年，這是非常重要的。
如果你去醫院做核磁共振，醫生會要求你把身上的金屬物體摘掉，因為我們要進入這個“大圈子”。 這個“大圓圈”是一個具有強磁場的超導磁體。 超導磁場的分辨率非常高。 以目前的技術水平，可以在短時間內清晰測量大腦中全部數百億個神經元。 如果你想知道你未來腦子里在想什么，只需掃描一下即可。
日常生活中，高速超導磁浮列車可能是大家比較熟悉的一種。 現在乘坐高鐵，北京到上海最快時速為350公里每小時，高鐵測試時速可達450公里每小時。 超導磁浮列車的速度有多快？ 在日本的測試中，速度可以達到每小時600公里以上。
科學家們有一個非常大膽的想法。 如果把這個磁懸浮軌道放在真空管中，在沒有空氣阻力的情況下，它能走多快？ 時速至少可以達到3000公里。 如果以每小時3000公里的速度行駛，從北京到上海只需半小時。 人們可能不敢拿，但是以后可以用來快遞。
基礎研究也很重要，粒子物理研究近年來很熱門。 對希格斯粒子的研究也獲得了諾貝爾獎。 如今，進行高能物理實驗的粒子科學家離不開超導體，因為要將粒子加速器的能量提高到非常高的水平，就必須依靠非常強的超導磁體。 如果沒有高場超導加速器磁體，他們可能無法進行實驗。 。
超導可以承載強磁場和電流。 這就是前面提到的超導的強電應用。 事實上，超導也有弱電應用。 超導體可以制成一種裝置——超精密超導量子干涉儀。
這個設備有什么作用？ 它是世界上最先進的磁性檢測器，甚至可以檢測單個磁通線。 比如芯片做出來之后有問題，你不知道哪里壞了，你可以用這個檢測儀掃描一下就知道了。 它甚至可以掃描出極其精細的納米級芯片。
尋找超導材料
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我們講了那么多超導的應用，但我們發現日常生活中沒有人使用超導手機、超導電腦、超導電視、超導冰箱等。 還有什么超導不能像電影里那樣普遍呢？ 原因很簡單：我們發現的所有超導材料都不容易使用。
要找到有用的超導體，必須具備“三高”。 “三高”包括高臨界溫度、高臨界磁場、高臨界電流。 超導體必須具有足夠的溫度才能實現超導。 磁場太強會破壞超導，電流太大也不起作用。 所有這三個條件都必須滿足，這種材料才能發揮作用。
這三個方面都很高是非常困難的。 物理學家并不確切知道如何增加臨界磁場和臨界電流密度。 讓我們尋找合適的高臨界溫度超導材料。 從第一個金屬汞開始。
后來，科學家掃描了整個元素周期表，并測試了每個元素的元素，看看它們是否具有超導性。 結果令人驚訝。 人們發現，許多元素都是超導體，但導電性能最好的金、銀、銅卻不是超導體。
找到元素后，我們開始尋找元素化合物。 例如，超導溫度最高的元素是金屬鈮。 金屬鈮的Tc[超導材料從常態轉變為超導態所對應的溫度，用Tc表示]為9K。 查找鈮化合物，例如碳化鈮和氮化鈮。
氮化鈮的Tc為16K，還不錯。 在合成了鈮三烯和鈮三鍺的一系列化合物后，科學家發現鈮三烯的超導溫度可??以達到23.5K，這是非常高的（當時Tc高于20K的稱為高溫超導體）。
尋找了各種化合物后，理論家也做了計算，結果比較悲觀：超導溫度似乎有一個上限，上限是40k，被稱為麥克米倫紅線。 這個數字相當于一個看不見的天花板。 看來超導材料的Tc永遠不會超過40K。
實驗物理學家也喜歡預測。 例如，一位名叫布蘭德·馬蒂亞斯（發現鈮和鍺）的物理學家認為，探索新型高溫超導材料有六個條件：晶體結構高度對稱，最好是立方結構； 電子的態密度必須很高； 必須沒有氧氣； 它不能是磁性的； 它不能是絕緣體； 不要相信理論家的廢話。 這 6 項中哪一項是正確的？
J. Georg 和 K. Alex 是來自 IBM 的兩位科學家。 他們發現的超導材料是一種氧化物，其化學式稱為氧化鋇鑭銅。 它具有準二維結構，載流子濃度低，氧化物，基體是絕緣體，具有磁性。 這意味著前五項都是錯誤的，只有第六項可能是正確的。 這種材料的超導溫度可??以達到35K，接近40K紅線。
這種材料是1986年12月發現的，1987年10月獲得諾貝爾獎。為什么他們這么快就獲得諾貝爾獎呢？ 這要感謝中國人的幫助，讓兩人這么快就獲得了諾貝爾獎。
他們主要是中國科學院物理研究所趙忠賢院士、休斯敦大學朱景武教授、臺灣中央研究院院長吳茂琨等。 他們發現了一種名為鋇釔銅氧化物的材料，它與鋇鑭銅氧化物僅存在一種元素不同。 改變一種元素后，這種材料的Tc奇跡般地變成了93K。
這是什么概念？ 40K紅線不復存在，理論家的預測被推翻。 93K意味著我們已經突破了液氮溫度區。 過去我們只能用液氦來進行超導，而且液氦非常昂貴。 一升液氦要幾百元，而一升液氮只要1元。
由于溫度很高且價格便宜，科學家們發現了一系列銅酸鹽高溫超導材料。 銅基高溫超導體目前可以達到134K的超導溫度，加壓時可以達到165K。
溫度越高越好嗎？ 雖然溫度很高，但我們發現這種材料不適合應用，因為它是氧化銅，一種陶瓷材料，非常脆，一碰就會碎。 為了保護這種材料，必須要在其上覆蓋多層薄膜等非常復雜的東西才可以使用，所以這種材料“不好用”。
那么我們能否解釋一下為什么這種材料的超導溫度這么高荷蘭的物理學家，然后找到Tc更高的超導材料呢？ 這是高溫超導的電子態實驗數據。 就像一幅印象派畫作，凌亂難懂。 我們只能看看是否有新的道路可走。
2008年，科學家發現了一種非常重要的材料——鐵基超導體。 發現者是日本科學家細野英夫。 他發現鑭鐵砷氟氧化物材料的超導溫度可??達26K。
20k以上已經很高了。 中國科學家敏銳地注意到這種材料非常重要，進而用其他鑭系元素取代了鑭氧鐵、砷和氟中的鑭。 奇跡發生了。 他們發現，釤鐵、砷、氧和氟化物被另一種元素取代后，超導溫度可??達55K。 從26K到55K是一個質的飛躍，40K的紅線再次被突破。
這意味著新一代高溫超導體已經誕生，這就是高溫超導體第二大家族——鐵基高溫超導體。
見證“中國速度”
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現在，科學家們已經發現了許多鐵基高溫超導體家族成員。 事實上，很多鐵基超導體都是中國人發現的。 目前鐵基超導塊體材料最高溫度可達55K，薄膜可達65K。 而且，這個鐵硒薄膜很神奇，只有一層原子厚。
我們來總結一下什么是高溫超導。 需要說明的是，高溫超導的溫度并不高。 我們使用40K麥克米倫紅線作為標準。 能超過40K的材料稱為高溫超導材料。 目前符合該標準的材料只有銅基和鐵基兩種。
40K是什么概念？ 相當于-233℃，低于月球最低溫度（-180℃）。 只不過溫度比第一種超導材料金屬汞要高。
我們人類希望找到室溫超導體。 室溫有嚴格的定義。 在物理學中，室溫是 300K 和 27°C。 我們最終希望找到溫度在300K以上的超導體。 物理學家尋找了很多超導材料，發現了超過10000種，包括有機和無機材料物理資源網，這些材料都很難使用。
物理學家發現了兩種有趣的超導體，一種愛“喝水”，一種愛“喝酒”。 左圖中的材料本身并不具有超導性。 如果把它放進蒸鍋里像蒸包子一樣蒸，這種材料就會變成超導體。
右邊的材料本身并不是超導的。 如果將其浸泡在各種酒中數次，該材料就會變得超導。 但如果將這種材料直接浸泡在乙醇（酒精）水溶液中，它就不會具有超導性。 這家伙有一種特殊的“酒味”，喜歡某種紅酒。
超導性也隱藏在我們身邊。 大家每天涂的防曬霜里都有超導體。 里面有一種叫做對三聯苯的物質。 中國科學家發現這種材料中可能存在125K超導體。 當然，還沒有得到實驗證實。
超導材料的發現很有趣。 去年（2018年），中國科學技術大學少年班的曹原發現了扭曲角石墨烯。 他將兩層石墨烯堆疊在一起，搭建積木，轉動角度，超導性就產生了。 很神奇，但是這種超導溫度很低，只有1K左右。
室溫超導的未來
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我們有可能實現室溫超導嗎？
事實上，更高的壓力可以幫助科學家實現室溫超導。 例如，氫氣在室溫下是氣體。 當兩顆鉆石相互擠壓時，它會變成金屬氫。 金屬氫是傳說中的室溫超導體。
制造金屬氫很困難。 哈佛大學的兩位教授幾年前發現了金屬氫，但在測試它是否是室溫超導體的過程中，鉆石破裂，氫消失了。 我們可以換個思路，制造氫化合物，制造硫化氫，給材料加上200萬個大氣壓，也可以實現200K以上的超導。
最近，科學家發現，在鑭氫10中加入約200萬個大氣壓，可以達到250K的臨界溫度。 250K是什么概念？ -23℃，在東北算是室溫。
200萬個大氣壓并非隨處可見。 它們存在于地球內部和木星內部。 木星是一個巨大的氫氣球，里面有大量的氫氣。 內部有一個核心，核心被金屬氫包圍。 如果你想找到室溫超導體怎么辦？ 我們可以深入木星并找到室溫超導體。
如果室溫超導真正實現，會對我們的生活產生什么影響？ 比如，將來你可以在家里有一個非常酷的漂浮沙發，你可以躺在上面看電視、嗑瓜子。 當我們走出房間時，我們可以看到天空中懸浮的城市，地面上懸浮的汽車，而不僅僅是懸浮的高鐵。
在日常生活中，可以使用超導量子器件。 例如，可以通過用超導芯片代替半導體芯片來構建量子計算機。 不要以為量子計算機離我們很遠。 事實上，IBMQ 已經存在。 量子計算機的計算速度非常快。 用現在的計算機計算可能需要100年，但在量子計算機上只需要0.1秒。
如果超導得以實現，也可能幫助我們建造一個非常強大的發動機。 這個時候，我們就可以駕駛飛船去漫游整個宇宙了。
超導看似離我們很遙遠，但實際上離我們的生活卻很近。 中國還制定了在10年內擁有自己的量子計算機的行動計劃。
也許十年、二十年后，每個人都能夠享受到超導給我們帶來的未來生活。