108年10个诺贝尔奖，火爆的超导到底能带来啥？
“超导研究的汗青固然只有108年，可是经由过程超导研究直接获得诺贝尔奖的科学家一共有10位。”
我今天要讲的超导与市场上的超导空调、冰箱、浴霸无关，与军事上说的超等导弹也没有关系。
神奇的悬浮小矿石
今天讲的超导跟上图神奇的小矿石有关。片子《阿凡达》中给我印象最深的是潘多拉星球上的山。这些山不是长在地上的，而是长在天上的，是一个很神奇的宿世界。
片子《阿凡达》剧照
这个山很是大，图片中的直升机就是一个小黑点。山为什么可以或许悬浮在天上？因为山里面有一种神奇的矿石，室温超导矿石。
什么是超导
经由过程超导获诺贝尔奖的科学家们
超导的研究就像科幻片子一样，出格“高峻上”。超导研究的汗青固然只有108年，可是经由过程超导研究直接获得诺贝尔奖的科学家一共有10位。
超导研究是物理里很小的分支范畴，可是有这么多的科学家直接因为超导研究获得诺贝尔奖，可见很是主要。
电子在材料里“跑”
为什么要研究超导呢？这是此刻凝集态物理所研究的一个根基的问题。我们知道，一个材料是由原子构成的，电子在材料里“跑”，必然会受到必然的阻碍，这种阻碍叫电阻。
各类各样的导体
糊口中有各类各样的电器，每种电器都有电阻。按照电阻巨细可以分出绝缘体、半导体、导体。
物理学家有一个很简单的方式对其进行区分，就是看这个电阻随温度如何转变。
若是电阻随温度下降而下降，这种物质就叫作导体；若是电阻随温度下降而上升，这种物质就叫作绝缘体。
温度下降到很低的环境下，电阻会有什么转变？早期，物理学家并不克不及解决这个问题。没有法子做尝试，就只能猜想。
闻名物理学家开尔文说：材料在很低的温度下，电子会冻住，直接的成果是电阻会上升；可是物理学家马西森预言：跟着温度下降，电阻也会减小。
材料里面有杂质，必然发生一部门残剩电阻，这部门电阻不受温度影响。所以到了绝对零度，电阻依然存在。
物理学家杜瓦猜测，若是找到一个没有任何杂质和缺陷的导体，可能就会存在一种抱负的材料，到了绝对零度的时辰，它的电阻为零。
后来，荷兰物理学家昂尼斯的尝试证实，以上三个猜测都不合错误。其实有一种材料，它的电阻跟着温度下降而下降，到某一个温度，电阻俄然酿成了0。
超导材料金属汞
科学家找到的第一个超导材料就是水银温度计里的水银，即金属汞，为什么找这个材料呢？
因为金属汞在常温下是液态的，它就是一个几乎没有杂质和缺陷的完美金属。测量这个材料电阻的时辰，发现温度在4.2K以上还有0.1Ω的电阻，一旦低于4.2K，电阻就小于10-5Ω，测不到了，电阻是0，昂尼斯把这个现象称之为超导。
我们今天要找的超导其实是把这两个字拆开来看，“超等”“导电”。超导体的导电机能出格好，以至于电阻是零，这个研究发现获得了1913年的诺贝尔物理学奖。
超导还有一个很神奇的性质，它还有磁的效应。我们经常说电生磁，磁生电，电和磁不分炊。
1933年，德国科学家迈斯纳发现了超导的磁效应，简单来说，超导具有完全的抗磁性。
超导= 完全抗磁
图中蓝色小球就代表超导体，把它放到磁场里，这个磁通线会绕着它走，无论是先加磁场后降温变超导，仍是先降温变超导再加磁场，成果都一样。
磁通线进不去，以至于它内部的磁感应强度也是零。有电和磁两个效应，我们就说这是超导体了。
超导的热力学效应
超导还有第三个效应——超导热力学效应。超导是一个热力学现象，也是一种宏不雅量子的效应。超导热力学效应是三位理论家在1950年提出的，获得了2003年的诺贝尔奖。
超导的根基道理
超导是有相关理论诠释的，这个理论就叫作BCS理论，以三位科学家名字定名，一位叫Bardeen，一位是Cooper，一位是Schrieffer，BCS是他们名字的缩写。
在提出这个理论之前，我们很熟悉的一些物理学家，好比爱因斯坦、费曼、海森堡等人都曾试图解决超导的问题，都掉败了。可是，这三位科学家当作功了。
他们猜测了从一个电子酿成两个电子的环境，一个电子零丁跑必定会受到阻碍，两个电子配对跑为什么不会受到阻碍呢？
单行苦奔遇阻力 双结生翅当作超导
我们可以把电子当当作只有一个同党的小蜜蜂，一个同党的小蜜蜂飞不起来，可是左同党抱右同党，两个蜜蜂配对就飞起来了，这叫作双结生翅当作超导。这是BCS理论的精髓。
三位科学家中有一个主要的人物叫Bardeen，他是宿世界上独一一个获得两次诺贝尔物理学奖的人，第一次获诺贝尔物理学奖是因为发现半导体晶体管，改变了整小我类宿世界。
超导应用
超导有良多主要的效应，有电和磁的效应，有热力学的效应，可是超导材料到底有什么用呢？
无损耗超导输电
起首，一切用到电和磁的处所都可以用到超导体。好比输电，为了削减输电的损耗，只能加几千伏上万伏的电压，即使这样仍是会有大约15%的损耗。
若是用超导，就可以把这个损耗免却，因为它的电阻是零。15%可能意味着今后人类的能源能多用100～200年，这长短常主要的。
高分辩超导核磁共振当作像
若是列位去病院做核磁共振，大夫会让你把身上的金属物品摘失落，因为我们要进入这个“大圆圈”里去。这个“大圆圈”是超导磁铁，有很强的磁场。
超导磁场的分辩率很是高，以今朝的手艺程度，把大脑里面上百亿个神经元全数测清晰也是指日可待的。今后想知道你脑壳里想什么，扫一扫就可以了。
高速超导磁悬浮列车
糊口中，大师比力熟悉的可能是高速超导磁悬浮列车。此刻坐高铁，海说神聊京到上海最快的速度是350千米每小时，高铁试验的速度能达到450千米每小时。
超导磁悬浮列车到底有多快呢？日本的试验中，速度能达到600千米每小时以上。
科学家有一个很斗胆的设法，若是把这个磁悬浮的轨道放在真空管道里面去，这个时辰没有空气阻力，速度有多快呢？
至少能达到3000千米每小时以上，若是以3000千米每小时的速度行驶，海说神聊京到上海只有半个小时，人可能不敢坐，可是今后可以用于发快递。
高场超导加快器磁体
根本研究也很是主要，粒子物理学研究这几年很是火。希格斯粒子研究也拿到了诺贝尔奖。
现在做高能物理尝试的粒子学家分开超导体就无法工作了，因为要把粒子加快器的能量提到很高，必需依靠很强的超导磁体，没有超导磁体他们也许就无法进行尝试。
超紧密超导量子干与仪
超导可以承载很强的磁场和电流，这就是之前讲的超导强电应用，其实超导还有弱电应用。超导体可以做当作一个器件——超导量子干与仪。
这个器件有什么感化呢？它是宿世界上最紧密的磁探测器，一根磁通线都能测出来。
好比，芯片做好之后呈现问题，不知道哪里断了，用这个探测器一扫就知道了，极细的纳米级的芯片都可以扫出来。
寻找超导材料之路
讲了这么多超导的应用，但我们发现糊口中并没有人利用超导手机、超导电脑、超导电视和超导冰箱等。
什么超导不克不及像片子中那样普适呢？原因很简单，就是我们找到的所有超导材料都欠好用。
一个好用的超导体需要“三高”
要找到一个好用的超导体，必需具备“三高”，“三高”包罗高临界温度，高临界磁场和高临界电流。
超导体要有足够的温度才能超导，磁场太强也会粉碎超导，电流太大也不可，必需三个前提都很高，这个材料才好用。
三方面都很高很难，物理学家不知道具体怎么样提高临界磁场和临界电流密度。我们就去找合适的高临界温度超导材料。从第一个金属汞起头。
超导单质元素
后来科学家把整个元素周期表都扫一遍，对每一个元素的单质进行测试，看看是不是超导。成果令人惊奇，发现良多元素单质都是超导体，可是导电最好的金、银、铜不是超导体。
超导二元合金
找完单质，就去找元素化合物，好比说最崇高高贵导温度的单质是金属铌，金属铌的Tc［超导材料由正常态改变为超导态对应的温度，以Tc暗示］是9K，寻找铌的化合物，好比碳化铌、氮化铌。
氮化铌的Tc为16K，还不错。再合当作铌三烯、铌三锗一系列的化合物，科学家发现铌三锗这个材料的超导温度可以达到23.5K，很高了（那个时辰把Tc高于20K以上的叫作高温超导体）。
麦克米兰红线：看不见的天花板
找了各类化合物之后，理论家还做了个计较，成果比力灰心：超导温度似乎是有上限的，上限是40k。
这个数字半斤八两于看不见的天花板，仿佛超导材料Tc永远都超不外40K。
马蒂亚斯：老司机的警告
尝试物理学家也喜好预言。好比，一位名为布兰德·马蒂亚斯的物理学家（发现铌三锗）认为摸索新的高温超导材料有6个前提：
晶体布局高对称性，电子的态密度要高，不克不及有氧，不克不及有磁性，不克不及是绝缘体，不要相信理论家的乱说八道。这6条到底哪一条是对的呢？
来自IBM的绝境逆袭
J. Georg Bednorz和K. Alex Muller是来自IBM的两位科学家，他们发现的超导材料是一个氧化物，化学式叫钡镧铜氧。
它是准二维布局，低载流子浓度，氧化物，母体是绝缘体，有磁性，这申明前面5条全错了，只有第6条可能对。这个材料的超导温度可以或许达到35K，已经迫近40K红线。
这个材料是在1986年12月被发现的，在1987年10月获得诺贝尔奖。为什么他们能这么快获得诺贝尔奖？
这要感激中国人，是中国人的帮忙让两人这么快就获得了诺贝尔奖。
来自华人宿世界的神助攻
他们本家儿如果中国科学院物理研究所的赵忠贤院士、美国休斯顿大学的朱经武传授以及台湾中心研究院院长吴茂昆。
他们发现一个材料叫做钡钇铜氧，与钡镧铜氧只差了一个元素，换了一个元素之后，这个材料的Tc古迹般地酿成93K。
这是什么概念？40K的红线不存在了，理论家的预言被推翻。93K意味着我们冲破了液氮温区。
我们以前做超导只能操纵液氦，液氦很贵。一升液氦需要好几百元，而一升液氮只要1元。
铜基高温超导体
因为温度很高且价钱廉价，科学家找到了一系列的铜氧化物高温超导材料。铜基高温超导体，今朝能达到134K的超导温度，加压可以达到165K。
“高富帅”的懊恼
温度高了就好了吗？固然温度高，但我们发现这个材料不太适合应用，因为它是铜氧化物，属于陶瓷材料，很脆，一碰就会碎失落。
为了庇护这种材料，要覆上多层薄膜等很复杂的工具才勉强能利用，所以这种材料“欠好用”。
“印象派”的抓狂
那么我们能不克不及诠释这种材料的超导温度为什么这么高，进而寻找到Tc更高的超导材料呢？
这是高温超导的电子态尝试数据，跟印象派的画一样，乱而难明。我们只能看看有没有新的路可以走。
“大雄哥”来救场
2008年，科学家发现了一种很主要的材料——铁基超导体，发现者是日本科学家细野秀雄。他发现镧铁砷氧氟材料的超导温度可以达到26K。
20k以上已经很高了。中国科学家灵敏地注重到这个材料很主要，接着把镧氧铁砷氟中的镧换当作了其他的镧系元素。
古迹呈现了，他们发现换了一个元素的钐铁砷氧氟的超导温度可以达到55K。从26K到55K是质的飞跃，40K的红线又一次冲破了。
这意味着新一代的高温超导体已经降生，那就是第二大高温超导体家族——铁基高温超导体。
见证 “中国速度”
此刻，科学家发现了良多铁基高温超导体的家族当作员，其实良多铁基超导体是中国人发现的。
铁基超导块体材料今朝最高温度可以达到55K，薄膜可以达到65K，并且这个铁硒薄膜很神奇，只有一层原子的厚度。
总结一下什么叫高温超导。需要诠释一下，高温超导的温度并不高。
我们以40K的麦克米兰红线为尺度，可以或许跨越40K的材料叫作高温超导材料，今朝达到这个尺度的材料只有两种，铜基和铁基。
分歧材料的临界温度
40K是什么概念呢？半斤八两于-233℃，比月球的最低温度还要低。只是相对于第一个超导材料金属汞来说温度高一些罢了。
我们人类但愿可以或许找到室温超导体，室温有一个严酷的界说，在物理学里面室温就是300K，27℃。
我们最终但愿找到300K以上的超导体，物理学家就去找了良多超导材料，找到了1万多种，有机的、无机的，各类各样，十足欠好用。
爱喝水的超导 vs 有酒品的超导
物理学家发现两个有趣的超导体，一个爱“喝水”，一个爱“喝酒”。
左图的材料自己不超导，把它放在蒸笼里面蒸一蒸，像蒸包子一样蒸熟了，这个材料就酿成超导体了。
右图的材料自己也不超导，把它放到各类酒里面泡几遍，这个材料就超导了。可是将这个材料直接泡在乙醇（酒精）水溶液中是不超导的。这家伙出格有“酒品”，出格喜好某种红葡萄酒。
防晒霜里有玄机
超导也埋没在我们身边。大师天天抹的防晒霜中就有超导体，里面有一种材料叫尴尬刁难三联苯，中国科学家就发现这个材料里面可能存在125K的超导体，当然它还没有被尝试证实。
扭扭捏捏石墨烯
超导材料的发现很有趣。客岁，来自中国科大少年班的曹原发现了扭角石墨烯，把两层石墨烯堆在一路搭个积木，转个角度，超导便发生了，很神奇，可是这个超导温度很低，只有1K摆布。
室温超导的将来
压力山大更超导
我们到底有没有可能实现室温超导呢？其实，压力大一点就可以帮科学家实现室温超导。
好比说氢在常温下是气体，两个金刚石对着压就会酿成金属氢，金属氢就是传说中的室温超导体。
制造金属氢很难，前几年两位哈佛大学的传授发现金属氢，可是在测试是否为室温超导体的过程中金刚石碎失落了，氢就没了。
我们可以换一种思绪，做氢的化合物，做硫化氢，在材料里面加200万个大气压，也能实现200K以上的超导。
比来，科学家又发此刻镧氢10里面加200万个摆布的大气压，可以达光临界温度250K。
250K是什么概念？是-23℃，在东海说神聊就看成室温了。
一路去木星 挖室温超导矿
200万个大气压不是哪里都有，在地球内部有，在木星内部有。
木星是一个庞大的氢气球，里面有良多的氢气，里面有内核，内核四周就是金属氢。
若是大师想找室温超导怎么办？我们可以钻到木星里面去，就可以找到室温超导体。
若是真正实现室温超导的话，对我们的糊口会发生什么影响呢？好比，今后在家里就能搞一个很是酷的悬浮沙发躺着看电视，磕瓜子。
我们走出房间，可以看到天上有悬浮的城市，地上有悬浮的汽车，不只是悬浮的高铁了。
将来超导宿世界：量子时代
糊口中，可以利用超导量子器件，好比，把半导体芯片换当作超导芯片就可以造量子计较机。
大师不要感觉量子计较机离我们很远，现实上IBMQ已经存在了。
量子计较机的运算速度很是快，用此刻的计较机计较可能需要100年，在量子计较机上只需要0.1秒。
若是实现了超导可能也会帮忙我们造一个很是厉害的策动机，这个时辰就可以驾驶着飞船流离整个宇宙。
超导看起来离我们很远，现实上离我们糊口很是近。我们中国也有步履打算，打算10年之内要有本身的量子计较机。
也许一二十年之后，大师就可以享受超导带给我们的将来糊口了。
本文经授权转载自公家号“SELF格致论道讲坛”。
撰文 | 罗会仟
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罗会仟
中国科学院物理研究所副研究员
《返朴》，一群大科学家领航的好科普。国际闻名物理学家文小刚与生物学家颜宁配合出任总编纂，与数十位分歧范畴一流学者构成的编委会一路，与你配合求索。存眷《返朴》介入更多会商。二次转载或合作请联系fanpusci@163.com。
- 发表于 2019-08-02 01:00
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