超導材料:歷史的選擇?

我們還記得幾次工業革命嗎？

第一次：一臺機器的故事，蒸汽機

第二次：一個領域的崛起，電氣時代

第三次：一個時代的到來，生物科技與產業革命

第四次：？？？

為什麼第三次革命是一個時代的到來？一個枝丫難以撼動整顆科技樹幹，無奈之下只能大家一起分頭發展。所以第三次工業革命是沒有明顯的標誌，大家一起發展，一起搖動科技樹這根主幹了，畢竟革命功績不好分呀！

那麼接下來的第四次革命路線怎麼走就是一個問題了，是組團模式憾樹大家一起大雜燴？還是孤膽英雄，挑戰單一技術撼動整個世界？

在群眾的眼裡大家肯定都喜歡美式孤膽英雄，雖然現在是沒什麼指望了，但現在擺在面前的技術哪些可以擔當重任呢？有人說是能源領域：核的可控聚變；也有人說是計算領域：量子計算；還有人說是生物領域：基因突變等等……

現在先說說一位革命老將的故事

最早被認為能引起工業革命的技術應該是：超導技術。結果這傢伙不給力，革命到現在革到現在，依然還需要眾人前赴後繼的往前推進。其中最接近成功的應該是1986-1987年了，有兩位大拿發現了氧化物陶瓷也能超導，臨界溫度是蹭蹭的漲，一下子把世界給掀翻了！

第二年立馬收到了一座諾貝爾獎以示獎勵，也創下了獲獎時間距離成果發表時間最近的記錄（最近熱熱洋洋的引力波也是這個速度，不像屠嗷嗷的青蒿素等了40多年才等到）。

當時在中國也爆發了超導研究的熱潮，研究領域從幾百人蹭的一下漲到幾萬人，全世界颳起研究超導的颱風。僅僅在1987年，中國的權威雜誌、書刊報導的次數不斷遞增，而標題更是一次比一次誇張！

國家官方媒體在一些領域是要求很嚴謹的，在技術方面是要求一而再，再而三的確認，而超導卻在1986年半年內報導N次，還經常是報導在頭版頭條上。這在21世紀是幾乎不可能見到的！

而這不光是中國報導，而是全世界都是這樣，認為第四次工業革命已經到來，大家一起扎進去準備刀子叉子分蛋糕……（這裡說的是技術革命，不要與科學革命混為一談。更準確來說是工業技術的革命，科學革命是以量子力學&相對論為代表的）。

那麼現在問題來了，超導技術為啥能成為革命的種子呢？咱們還是從超導的前身：電說起。

話說當年法拉第發現電磁感應現象，從而折騰出來發電機這麼個怪物，當時是被人紛紛嘲笑，這個東西只能在導體裡按規定的路線運動，能有什麼用呢？而到現在，電是現代科技最重要的載體，所以電革了技術的命，也革了世界的命。

對與金屬導體來說，電的本質是電子的移動，溫度的本質是原子的振動。而超導就是在這個基礎上引導而來。

當電子在導體中移動移動時會與原子發生碰撞，碰撞就會影響電子的速度，這是電阻。而原子被電子碰撞就會產生振動，當振動速率越快，直觀的表現就是溫度上升，這就是導體發熱的原理。當電子的速度越快，與原子的碰撞機率越高，產生的振動越強，導體的溫度也就越高，相應的電阻係數也就越大。這些都是初中課本上的知識。有人就開始腦洞 了，當原子不振動的話，那電子的移動不就沒有阻力了嘛？

咱們也照著這個思路進行下去。氣體的溫度本質上就是分子的移動速度，固體的溫度本質上就是原子的振動速度，如果原子不動了，溫度也就沒有了，這就是：絕對零度，這是溫度的起點：-273.15℃，這就是溫度的起點。不存在比這還低的溫度了，原子達到完全靜止的狀態，而現實中想達到這樣的狀態幾乎不可能，達到這種狀態就像有人想著能達到光速一樣扯。這是當前的現狀，這也是物理學界不可逾越的兩道鴻溝。

我們知道了電阻的本質和溫度的本質，超導技術的方向就出來了，原子的振動頻率要達到什麼樣的狀態才能讓電子完美的運行呢？或者換一個說法，溫度要達到什麼樣的情況下才能實現超導呢？物理學界把這個溫度叫做臨界溫度。如果誰在這個溫度下實現了超導，那這場技術革命就算成功了。

這裡我們得知道一個概念：電阻為零不代表可以產生無限大的電流，第一因為電子的移動速度不是無限大的，第二個也是導體內的電子數目是有限的，而電流的大小是單位時間內通過的電子數量決定。

那麼電阻能不能為零呢？1911年就有一個瘋子做個實驗，把汞的溫度降低到4.2K時，電阻消失了！你沒看錯！是消失了！這個無意中的發現把物理學家一下子整懵逼了，一個理想的世界到來了！還是那句話，管他東南西北，咱們先整個諾獎壓壓驚，大家都是紳士，趕緊去找個說法！這一找就是40年啊，從黑髮找到白髮叢生終於找到個模子：BCS理論。說簡單點就是：兩個電子在正常的情況下是不能結合在一起的，因為電極一樣嘛。但是呢，電子在移動時候，會吸引周邊的正電荷，形成一個局部的高電荷區域，這個區域再吸引自旋相反的電子，於是呢，新電子就與原電子結合成了一對。物理學家用只有他們能看懂的公式算了下，發現這對電子結合的能量比低溫原子振動的能量要高，所以原子振動是很難拆散這對的。

那麼電子結合後有啥好處呢？大概描述一下就是：振動的原子就好比馬路上的減速帶，電子好比汽車，汽車要經過減速帶就需要消耗額外的能量。而成對的電子因為不振動，就好比高速公路，汽車一路疾馳暢通無阻。實際上BCS理論比這個要嚴謹的多的多，這裡就只做個簡單的概述，言歸正傳。

這麼牛逼的電子我們得給他們冠個名字吧，就叫「庫伯電子對」怎麼樣？這電子一路狂飆，邊上的原子攔都攔不下！當然啦，諾獎咱也順帶的拿走！現在道理解釋的差不多了，超導的關鍵是電子得成雙成對的！得是電子對，一人實力不強，得一起走！而現實是讓人絕望的：因為庫伯電子對的結合力要求太高了，只要溫度超過40K，電子對立馬散架！這也就意味著臨界溫度最高上限是40K，也就是零下兩百多度！尼瑪這麼牛逼的溫度，咱們趕緊給他起個名字，叫麥克米蘭極限溫度咋樣？就這樣，超導又熬死一批科學家，在這個界限一混又是近40年過去了，時間來到1986年，在瑞士的美國IBM公司實驗室內，德國科學家柏諾茲和瑞士科學家繆勒發現鑭銅氧的金屬氧化物陶瓷有超導電性，臨界的溫度為35K。在現實中一般金屬都是優良的導體，而陶瓷是絕緣體，可這東西又一次打破了理論，這玩意是沒法解釋了，BCS理論完全駕馭不住啊，如果這樣下去是不是可以打破40K的魔咒呢？要知道從1911年到1986年，超導實驗的溫度從4K提高到23K花費了75年的時間，一直被麥克米蘭極限溫度整的欲死欲活的，人都快絕望了。這是整整75年啊，耗死了多少的科學家！

在1986年，科學家刷新了一項又一項記錄，柏諾茲跟繆勒發現35K的鋇鑭銅氧後，日本的東京也做到了37K，緊接著是美國的休斯頓做到了40.2K，十天後中國科學院宣布找到了48.6K的超導材料，1987年二月，臺灣人在美國飆車飆到了98K，中國不甘落後，飆到了100K以上，日本也不服輸，直接幹到123K……尼瑪，這還是超導材料嗎？諾獎不得瓜分完啊！照這樣下去，超導不得逆天啊！當時全世界颳起超導材料熱！咱們的人民日報也加入這個行列中。這實驗的數據在前面一路開著法拉利飆車，那速度是嗖嗖的，而理論卻在後面騎個摩拜單車，這追的實在是不能再尷尬了。不是說好了不能超過40K的嗎？說好了相親相愛一家人的呢？這100K的絕緣體超導咋解釋呀？

腦子有點轉不過彎來了把，咱們先來擼擼順序，超導現象必須得是電子對是把，這條規則先作為前提。那咱們現在強行關聯下吧，這兩電子還有一種神奇的關聯作用，不管在多少度的情況下，這兩電子都得老老實實形成庫伯對！原理呢咱也不知道，現在這樣吧，好歹能追下法拉利是不。後來，這種某銅氧材料超導刷新的速度越來越快，而理論越奔越乏力，一直追到1993年，法國人發現135K的汞鋇鈣銅氧超導體，然後……進死胡同了……

英國劍橋大學的釔鋇銅氧化物超導困住了17.6特斯拉的磁場，從而打破記錄

鐵基超導 中國的夢想

接下來咋辦呢？先擼一下思路：最早大家只在金屬導體內找到超導，結果冒出個絕緣體超導，繼續反其道而行！鐵磁材料，由於磁性會影響電子，所以大家都認為有磁性就沒法有超導，在2006年以前這理論還算是站的住腳跟，發現的材料也確實跟鐵磁沒啥聯繫。可到了2006年，超導這傢伙估計是換了跑車，性能再一次狂飆！東京工業大學發現第一個以鐵為超導材料的化合物LaFeOP……這個理論沒法解釋啊，只能在原基礎上打個補丁了，庫伯電子對不動的基礎上，就這麼的：鐵和其他的元素形成鐵基平面後，不再具有鐵磁性，這個理論咋樣？

說實話，不咋樣，2008年，中國和日本開始了飆車比賽，中國的老和山也參與其中，大家一起瘋狂的刷新榜單，記錄幾乎是以天為單位刷新，眼看著一場狂歡的到來。當大家還沉醉在喜悅之中，馬上打擊就來了，鐵基超導超導進入了死胡同了！而我們的超導理論打了N個補丁，提出的超導不能奔到77K的液氮溫度。這個結論現在是沒有誰敢斬釘截鐵的說了，也沒人敢提出什麼極限溫度了。

現在就是繼續嘗試各種材料、各種條件了，據東川路上的人說有人把硫化氫發在高壓下獲得過203K的臨界溫度，這也是迄今為止最高的溫度超導了。不得不佩服這一群科學家的敬業精神啊（低濃度硫化氫很臭，是臭彈的製作材料，少量純硫化氫可致人死亡）。

從1987年開始找到釔鋇銅氧化物超導，這個人類首次找到超過液氮溫度的超導材料。要知道，液氮的價格跟瓶裝水價格一樣，材料是便宜的不要不要的，意味著以後找超導材料只要把材料泡在液氮裡洗澡就成了！這在部分領域是不是可以開始應用呢？這意義對物理學家來說不亞於特斯拉發現直流電！

現在超導的應用領域說實話已經不少了，那些需要用到超級大磁場、超級大電流的設備，基本上都是超導開路的，其中的基礎科學實驗應用的最多。比如，可控核聚變裡用於約束等離子的磁場就是超導線圈產生的；大型粒子對撞機中把粒子加速到無限接近光速；最近被IBM和谷歌捧得紅的發紫的量子計算機，這也是屬於超導的類型；其實我們現在在醫院看到的核磁共振很多也是屬於超導的，所以我們現在去檢查費是賊貴的。

液氮的溫度是77K，也就是-196℃，所以把77K以上的超導材料稱為高溫超導。而與之對應的就是低溫超導，得放在液氫或者液氦中洗澡了，這東西可比液氮貴多了。而用液氮的高溫超導雖然有一些領域應用，但是限制的條件太多，我們奢望的是常溫超導，也就是說在室溫的條件實現超導。可理想是美好的，現實是骨感的。現在對高溫超導的理論連皮毛都沒研究出多少，而常溫超導就只能當做牛皮來吹了。

有誰能來拯救一下超導理論，指出一條光明大道呢？

是不是發現在這條超導的技術路上，中國的身影隨處可見？恭喜你，找到了中國的第一梯隊！中國在這條路上發展可以說是甩其他部隊幾條大街的存在！

在遠古時代，你不懂生火的方式估計很難生存下去，那麼現在，連高溫超導的原理還在懵逼當中，至於成熟的技術開發，只能是指望一代又一代科學家的研究了……願中國的物理界大拿在超導世界中獨領風騷。

PS：超導的技術前景是非常廣闊的（以下純屬意淫，看看就好）。

一、現在世界的政治博弈中有兩個側重點，第一：能源，第二：能源的運輸，誰能把這個兩個妹子解決了，諾獎一定有他的一席之地！從技術的角度來說，能源最終採取的運輸方式就是電的形式，考慮到成本的問題，現在還在使用石油和天然氣。但是，電的遠距離傳輸雖然麻煩，導線的電阻導致傳輸的電流需要極其高的電壓作為支撐（這又是中國牛逼的一個方向，特高壓輸電），這玩意極其複雜而且危險，再說超過幾千公裡，傳輸起來也是相當的吃力。所以發電的區域與用電的區域距離有一定的限制，你不可能在中東蓋一個發電廠供應全世界。在加上歷史、經濟、政治等等一些因素，全球的能源還是得用石油，所以，這也是駱駝富的流油的一個原因。假如我們現在有一套覆蓋全球的超導傳輸電網，只要接入電網，就能把電傳輸到全世界，能想像一下對世界格局的影響嗎？說電從哪裡來的朋友可以參考下核聚變，那東西夠用幾萬年了！

二、所有與電相關的東西都可以超導，那性能豈不是蹭蹭的往上飆！功率無限，能耗極低，結構簡單還不發熱！騎臺小毛驢敢跟法拉利拼！一臺發電機帶動一個城市用電！工廠的變速箱、減速器統統甩一邊去，設備簡化…從量變引發質變。將電流存儲在超導線圈裡，比電池容量更大，功率更強。說的哈喇子是譁啦啦的流呀

三、不是說電和磁是相親相愛的一家人嘛，有電就有磁。超導技術解決了，那磁的技術也可以刷新了，尤其是強磁場，到時磁懸浮哪都可以跑了，房子可以再往上長高點，電影裡的隨停隨走的飛機也不是不可能嘛，說不定還可以坐著汽車汽車滿世界飛呢…

這前途是無限美好，問題也有不少啊，我們離成功還有多遠呢？