科普 | 神奇的超导

超 Super丨导 Conduct

by 科普君

Hello！大家好，春节过后大家吃腻了饕餮美食，是不是很期待一期科普大餐呢？

是的，自从看了《我的太阳》感慨颇深啊，非常期待科普君的开箱大作啊！

感谢大家支持！通过前面几期的科普，相信大家应该对核聚变有了一个整体上的了解。
从今天开始，我们就要从整体转向局部，了解一下“人造太阳”的组成部分。

好呀，一定都是些非常高科技的东东！

没错！前面介绍过，EAST是全世界第一个全超导托卡马克。这里有一个重要的关键词就是“超导”，所以今天科普君首先来和大家聊聊这个超导的神奇之处。

引言——超导的神奇魅力

如果你看过电影《阿凡达》，你一定对那个梦幻般悬浮在云端的哈利路亚山有印象。科普君看这部电影的时候，就被这个奇幻美丽的空中世界所震撼。
在电影里面，哈利路亚山是由一种名为“Unobt-ainum”（中译：不可获得的元素）的室温超导矿石组成，这种矿石通过排斥行星的地磁场来实现悬浮。电影《阿凡达》中的哈利路亚悬浮山

可以说，如果可以实现室温超导，那我们的生活将会发生天翻地覆的变化。然而目前，在地球上还没有获取到室温超导材料，但人们对此一直在追寻。
在过去的百余年中，科学家一直在致力于理解神奇的超导现象，探索现有超导材料中的超导转变机制，努力合成更高临界温度的超导材料并加以利用。
下面，科普君将和大家一起回顾一下科学家对“超导”的发现之旅。

1超导的发现

1911年，荷兰莱顿大学昂内斯(H. Kamerlingh Onnes)在实验中得到一个意外的发现。
当他把汞（水银）冷却到4.2K（零下268.95摄氏度）时，汞的电阻突然降为零，这就意味着电流可以毫无阻碍地通过导体。
之后他又多次实验，最终发现有许多金属和合金都具有类似的特性。于是昂内斯就将这一神奇的现象命名为“超导”（超级导体）。
凭借这一发现，昂内斯获得1913年诺贝尔物理学奖，而1911年也被称为“超导元年”。

  昂内斯                             汞的低温超导特性

超导体都是在冷却到一定温度的时候电阻突变为零，因此，我们就把这个突变发生时的温度命名为“超导转变温度”（可用Tc表示，亦称临界温度）。

关于温度的表示方式

由于超导转变温度都远低于室温，所以用摄氏温度来表示已经不合适，因此一般采用开氏温度来表示。
开氏温度是指以绝对零度为起点表示的温度，因此所有的温度表示数都是正数。
这两种温度之间的关系为：开氏温度（K）=摄氏温度（°C）-273.15
国际上除了摄氏温度、开氏温度，还有一种华氏温度。华氏温度与摄氏温度的关系为：华氏温度（°F）=摄氏温度（°C）*1.8+32
下图展示了这三种温度的区别：

2超导的特性

当导体进入超导态后，就成为超导体。超导体在电、磁、热方面都会表现出一些奇妙的特性。
下面重点介绍超导体的两个主要特性。

1、零电阻特性——永不消逝的电流

零电阻特性是人类对超导体认识到的第一个特性。而“人造太阳”项目之所以采用超导，利用的也正是这一特性。
由于在超导态下超导体是没有电阻的，所以如果在一个超导导线上通入电流，则电流是不会衰减的。
同时，导体也不会发热。因此，很细的超导导线就可以长时间承载非常大的电流，并且电流不会损耗。
而在托卡马克上，正好需要通入超大的电流来产生超强磁场，因而要想让托卡马克长时间运行，超导体的存在就变得异常重要。

科普君，我想知道为什么导体的电阻会突然消失？

这个和导体中导电的电子运动方向有关。

在普通的金属导体中，导电的电子是做杂乱运动的，因此它们在运动时会受到晶格振动、缺陷和杂质散射的影响，从而发生碰撞导致能量损耗，表现在宏观世界中，就是“电阻”。

常规导体电子的运动方向示意图

而在超导体中，导电的电子是做整齐的定向运动，因而可以避免发生碰撞而产生能量损耗。因此，电流可以维持而不衰减。

超导体电子定向运动示意图

超导体的零电阻特性在电力输送领域和储能领域都有着非常广阔的应用前景。

2、迈斯纳效应——拒之门外的磁场

迈纳斯效应是指超导体的完全抗磁性，这个特性是由迈斯纳（W. Meissner）和奥克森菲尔德（R. Ochsenfeld）于1933年发现的。
简单来说，迈纳斯效应就是指超导体可以将磁力线从自身中完全排斥出去，即超导体内的磁场值为零。

迈斯纳效应（完全抗磁性）

产生这一特性的原因是：超导体在靠近磁场时会在其表面感应出超导电流，这个超导电流会在超导体内部产生一个与外磁场方向相反大小相等的磁场，两磁场相互抵消，从而使其内部总磁场为零。

完全抗磁性也是一种神奇的特性，这一特性会产生一个有趣的现象——量子锁定，电影《阿凡达》中的哈利路亚山正式基于此效应才得以悬浮在云端。
产生量子锁定的原因是外加磁场的磁力线包络了超导体，从而抵消了它的重力。
下图就是“量子锁定”现象的一种演示：

量子锁定现象演示

需要注意的是，这里所谓的锁定，不仅仅是悬浮或是悬挂，而是以任意姿态“锁定”于空中。
磁悬浮列车利用的就是“量子锁定”的原理。

3追寻“高温”超导之路

这里说的“高温”，并不是指我们平常理解的高温，而是相对于绝对零度而言的“高温”。事实上，高温超导的追寻“高温”之路是以室温为终极目标的。
之所以把室温定为终极目标，是因为如果实现了室温超导，那么我们就不用为超导材料提供特殊的低温环境，超导的应用范围将会无限扩大，我们的生活将会发生天翻地覆的变化。
如果实现了室温超导，那将引发一次新的现代工业革命。出门能轻松乘坐时速几百公里以上的磁悬浮列车；不用再为电子产品的电量发愁，充一次电可以用几个月……光是想想就觉得美好呢！

科学家们也为了早日实现这种美好愿景而不断努力。
然而这条高温超导追寻之路并没有想象的那么顺畅。在最初的数十年，提高超导转变温度的速度很慢，从1911年至1986年，超导转变温度仅从4.2K提高到23.22K，科学家们用乌龟来形容这个程度。

直到1986年，缪勒(K. Alexander Muller)和柏诺兹(J. Georg Bednorz)发现了铜氧化物高温超导体，人类提高超导转变温度的速度才坐上了火箭，开始飞速攀升。
缪勒(K. Alexander Muller)和柏诺兹(J. Georg Bednorz)也因为开创了高温超导时代而获得诺贝尔物理学奖。诺贝尔奖物理学奖得主——缪勒 & 柏诺兹

这之后，超导转变温度也不断攀升，从最初的几K到目前一百多K，不断向室温靠近。
最近的消息表明，德国马普研究所的研究人员借助短波红外激光脉冲的帮助，成功制成室温下的陶瓷超导体——尽管其维持的时间仅有百万分之几微秒。
道路是曲折的，前途是光明的。科普君相信，室温超导的实现终将到来。

4超导的理论研究进展

在科学发展中，理论和实践都是不可或缺的。实践为理论提供依据，理论为实践指引方向。
在寻找高温超导材料的过程中，科学家们也在不断探究超导的微观机理，希望为进一步提供超导转变温度提供理论指导。
1935年，科学家们提出了伦敦理论。1950年，又提出了金兹堡-朗道理论。这两种理论都给出了唯象的超导图像，并且预测到了一些与超导相关的物理现象。
1957年，“BCS理论”被正式提出。从而实现了真正从微观角度解释了超导转变机制。“BCS理论”的名称来自于它的创立者：巴丁(J. Bardeen)、库珀(L. Cooper)和施里弗(J. Schrieffer)

“BCS理论”创立者——巴丁 & 库珀 & 施里弗

BCS理论的成功之处在于，它不仅可以解释已经观察到的实验现象，而且还预言到了许多新的实验现象并且被实验证实。
BCS理论从微观层次解释了当时发现的大多数常规超导体的转变机制，因而其三位创立者分获1972年的诺贝尔物理学奖。

扩展阅读：关于“BCS理论”BCS理论的基本观点认为：与晶格（或声子）的耦合可导致原本互相排斥的电子之间出现有效的吸引力，自旋和动量相反的两个电子通过声子作为媒介形成一个束缚态，即所谓 “库珀对”，而“库珀对”能不受散射，顺利地通过晶格。“库珀对”示意图
一个比较形象的理解：当一个电子在晶格中运动时，由于异性电荷相吸而导致局域晶格畸变，当另外一个电子通过时，会感受到第一个电子通过时导致的晶格畸变的影响，从而在两个电子之间产生间接吸引相互作用，这就是“库珀对”，其总动量和总自旋为零。所有电子对在运动过程中能够保持“步调一致”（相位相干，即相位相同），即使受到杂质等散射也将保持总动量不变，从而在外加电场作用下能够不损失能量而运动——这种现象就是超导。所以说，超导是微观量子凝聚态的宏观表现。
李政道先生提议的有关BCS超导机理漫画（单翅蜜蜂代表单个电子）题曰：“单行苦奔遇阻力，双结生翅成超导”，下面为蜂窝状的C60系列超导体。

然而，BCS理论并不是完美的理论。之后大量的非常规超导体被陆续发现，而根据BCS理论无法对它们进行解释。
因此科学家根据微观配对机制将超导体大致分为两类：一类是常规超导体（又名“BCS超导体”），另一类便是非常规超导体。最有代表性的非常规超导体就是1986年发现的铜氧化物高温超导材料和2008年发现的铁基超导体。
对于非常规超导体，目前物理学界还没有统一的理论来阐述其微观机制，我国著名超导专家赵忠贤院士从事高温超导研究多年，对高温超导电性探索做出了重大贡献。

5超导的应用前景

鉴于超导材料具有的零电阻、完全抗磁性等一系列神奇的特性，在能源、科研、医疗、通讯等各个领域均有重要用途。
在无数聪慧的科学家的推动下，超导已经逐步走向实用化，并随着研究的深入和发展表现出良好的应用前景。

超导输电线

对于传统导体，由于其电阻的存在，在长距离输电过程中会有很大的能量损耗。数据显示，传统输配电损耗占整个网络传输功率的7%左右，照此比例，当前我国输配电损耗功率约为四个三峡电站总装机容量。

高温超导输电线和带材

超导的零电阻特性则可大大减少这部分损耗，超导技术应用于输电线路，人们得到的不仅是环保还有节能。
实际上超导体就是电力工业革命性的技术储备之一。目前采用常规金属合金制造的超导输电线已经得到了广泛的应用，而高温超导材料制作的超导输电线也即将投入市场。

超导磁体

所谓超导磁体是指采用超导线材或者带材绕制而成的用以产生磁场的超导线圈，超导磁体具有稳定性好、能耗低、磁场强等优势。
在生物学研究和临床医学上采用的高分辨核磁共振成像技术大都是采用超导磁体，其不仅体积小功耗低，还具有高场强高分辨率的特点。

核磁共振成像仪 & 生物核磁共振脑成像

在科学研究中超导磁体更是应用广泛，比如超导托卡马克，比如常规实验室测量设备、大型加速器的加速通道和探测器等。

EAST全超导托卡马克

欧洲大型强子对撞机（LHC）

超导量子干涉仪（SQUID）

超导磁悬浮

超导磁悬浮的原理是利用了超导体的完全抗磁性，由于超导体会将外部磁场的磁通线排出体外，因此当磁体靠近超导体时会受到很强的排斥力，当排斥力与重力抵消就实现了超导悬浮。

磁悬浮列车

以上的这些只是超导应用的一部分。而且目前超导的应用仅仅利用了零电阻、完全抗磁性和超导相位相干等几个主要的物理特征。
由于我们对非常规超导体展现出的新奇量子现象还缺乏理解，在微观量子态的应用更是十分稀少。随着超导研究的深入，新的超导材料也必将会被发现并应用。
如同半导体的发现和应用让人类社会发生翻天覆地的变化一样，超导的应用前景也将十分乐观，并给人类带来无尽的福音。

扩展阅读——超导大事记1911年昂纳斯发现汞的超导特性Tc=4K;1913年昂纳斯获得诺贝尔物理学奖;1913年发现铅的超导特性Tc=7K;1933年发现迈斯纳效应;1941年发现铌氮(NbN)超导体Tc=16K;1950年提出金兹堡-朗道理论;1953年发现V3Si超导体Tc=17.5K;1957年提出BCS超导微观理论;1962年提出约瑟夫森效应;1972年巴丁、库珀和施里弗获诺贝尔物理学奖;1973年约瑟夫森获得诺贝尔物理学奖;1986年发现铜氧化物高温超导Tc=35K;1987年缪勒/柏诺兹获诺贝尔物理学奖;1987年发现Tc=92K高温超导体(>77K);1988年发现铊钡钙铜氧超导Tc=120K;1993年发现汞钡钙铜氧超导Tc=133K;2001年发现MgB2超导体Tc=39K;2003年阿布里科索夫、金兹布尔格、利盖特获得诺贝尔物理学奖;2008年发现铁基超导体;超导研究历史上获得诺贝尔奖的十位科学家

本文供稿：等离子所科普志愿者小组如有错误，敬请指正！邮箱：[e-mail]

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