科學史上365天——高溫超導研究

前言

自然界的很多過程總是傾向沿著阻力最小、能耗最低、方式最簡潔的方向進行，比如氣流或水流朝向低壓處流動，熱量朝著低溫處傳導，電流從高電位流向低電位，液滴用最少的材料形成最穩固的球形等。如果想使這些過程逆向進行，就要多消耗一部分能量。受到這些自然現象的啟示，有人設想，能不能在設計製造各種裝置時，也沿著「自然節約」的法則，儘量減少一些能耗呢？100多年來，人類對「零電阻」的追求就是明顯的一個例子。

高溫超導分子模型

超導現象

某些金屬，在很低的溫度下電阻會消失，電流可以在其中無損耗的流動，這種現象就叫做超導。超導現象是自然界最奇特的現象之一，有人對超導現象做出了解釋，他們認為，在普通狀態下，受到電場的作用，電子在導體中做定向運動時會遇到阻力，這是由於金屬晶格的不完整性、缺陷或雜質的影響，電子在金屬內的運動並不順暢，而是邊走邊跳邊碰撞地損耗著能量，這就出現了電阻。然而在超導現象出現時，電子在特殊條件下成對地結伴而行，這種電子對又叫「庫珀對」，金屬要想阻止電子的運動，就得先拆散庫珀對。然而，當溫度很低時，金屬結構不能提供足夠的能量，無力拆散電子對，於是電子得以暢通無阻地前行，此時電阻消失，即出現了超導現象。1911年4月8日，荷蘭物理學家卡莫林·昂內斯在做超低溫研究，當溫度降低到了1.04開（即零下273.12攝氏度）時，意外地發現了超導現象。

這是我見過的描畫超導的最玄幻的一幅畫

艱難的研究過程

自那以後，人們開始研究超導產生的機制。為了使超導具有實用價值，人們也開始研究在高溫下實現超導的可能。這件事想著簡單，真正實施起來卻沒那麼容易。從20世紀20年代起，有許多人投入研究，但都無果而終，一直到20世紀60年代末，高溫超導一直處於停滯狀態，於是有人認為，超導現象存在著溫度的極限，它只能在物質低溫狀態下出現。進入20世紀80年代，有人擴大了超導材料的搜尋範圍，曙光終於出現。1986年6月1日，瑞士物理學家繆勒和德國物理學家柏諾茲共同在德國《物理》雜誌上發表論文，報導他們找到了一種特殊的氧化物（Ba-La-Cu-O）材料，獲得了33開的高溫超導。這一突破性紀錄來之不易，它是繆勒和柏諾茲堅持不懈二十多年的研究成果。這一突破性進展，燃起了人們探索高溫超導的希望。

追尋高溫超導的腳步

繆勒和柏諾茲的研究進展引起了世界範圍的高溫超導研究狂潮，受到他們所選擇材料的啟發，新的成果如雪崩式地湧現。1986年12月15日，美國休斯敦大學得到了42.2開的超導轉變；1986年12月26日，中國科學院物理研究所成功獲得的轉變溫度為48.6開；1987年2月16日，朱經武實驗組在92開處觀察到了超導轉變，人們開始向著百開大關衝刺。就在這個關鍵時刻，中國科學院物理所趙忠賢研究組不負眾望，在1987年2月24日宣布，他們獲得了氧化物超導體100開的轉變溫度，首先衝進了百開大關。目前全世界在兩種新型銅基和鐵基超導材料的臨界溫度分別已經達到135開和138開。

趙忠賢教授

高溫超導的意義

這些成果來之不易，在實現超導的目標上，人類已經從液態氦級攀登到了液態氮級！液態氦的沸點是4開左右，而液氮的沸點則是77開，獲得液氮要比液氦容易得多，也廉價得多。這一重大的突破，說明實現可實用的高溫超導已經不遠，這一連串激動人心的成果再度激起了世界範圍內的「超導熱」。

自1911年荷蘭物理學家、諾貝爾獎獲得者卡末林·昂內斯發現了超導現象以來，人類找到的超導材料已近5000多種，超導電性的機制研究越來越精細，所發現的超導體性質也越來越豐富。所涉及的高溫超導材料，從最初的單元素汞和鉛、鋅、鈮等金屬超導材料，擴大到超導電性合金、金屬碳化物、氮化物、銅基和鐵基超導體、稀土高溫超導材料等複雜的化合物，從一元繫到二元系以至多元系。這一切的目標只有一個，就是追求更高溫度的超導電現象出現，否則超導現象再奇特也不可能長期得到大規模的發展。

目前，對銅基和鐵基氧化物超導機制的研究已經成為凝聚態物理學中的前沿課題。在研究銅基和鐵基高溫超導機制中人們發現，過去用電子對解釋的超導機制對於這兩種材料不再適合，它們的超導機製成為當今凝聚態物理學中的一個巨大謎團。新老兩種高溫超導材料是否一樣？假如不一樣，那將意味著新材料發現的價值遠遠超出了材料的自身，其意義要比預想重要得多，一來從中能找到全新的、更為合理的超導機制，二來也使人們更清晰地找到新的高溫超導研究的方向和途徑。

氧超導模型

關於超導的未來

2010年和2012年，先後在北京和加州聖巴巴拉召開了「中美新超導體探索雙邊會議」，這次會議為中美科學家的合作提供了平臺，旨在研究新型超導材料的同時研究相關的理論，如界面效應、機制研究，沿著這個方向，有可能促進人類對超導材料有更深層次的理解與掌握。

高溫超導研究成果對人類來說具有劃時代的意義，一旦實現了超導「室溫化」，就意味著實現超導「實用化」和「工業化」已經不遠了，超導對人類文明社會的影響將是深刻而長遠的。

目前超導的應用前景包括：超導大容量發電機、超導輸電、超導電信傳輸、超導核磁共振。超導計算機、超導磁力懸浮與超導核聚變反應的磁約束等，這些都涉及大型技術工程。此外在超導器件上，有高溫超導塗層，高溫超導纜線、帶材、塊材及薄膜，高溫超導儲能磁體等。在理論上有高溫超導機制研究、摻雜研究、電子結構與能帶結構研究等。儘管百年來在高溫超導研究上取得了一波又一波的重大進展，超導開始進入人類的生產和生活，但是，真正實現人們所企盼的、按照自然法則的超導節能生存，還將有很長的路要走。

位於上海的超導磁懸浮列車

#科普一下##科技史上的今天#

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希望你從知識中獲得能力，做真正的自己。——謝飛博士