常溫超導不再搖遠

時速高達500公里的超導磁懸浮列車、沒有能耗的超導輸電線……這些令人振奮的應用前景，既是人類的美好希望，更是激勵科學家不斷探索的巨大動力。

尋找新型材料

1911年，荷蘭物理學家卡茂林·昂尼斯意外發現，將水銀冷卻到接近絕對零度(-268.98℃)時，其電阻突然消失。后來，他又發現，許多金屬(例如鋁、錫)和合金都具有與水銀類似的特性：在低溫下電阻為零(這一溫度叫超導材料的臨界溫度)，由于它的特殊導電性能，昂尼斯稱之為超導態。昂尼斯本人也因此獲得了1913年諾貝爾獎。

昂尼斯在諾貝爾領獎演說中指出：低溫下金屬電阻的消失，“不是逐漸的，而是突然的”，水銀在4.2K(-268.98℃)進入了一種新狀態，由于它的特殊導電性能，可以稱為“超導態”。

昂尼斯和其他許多科學家后來又發現了28種超導元素和8000多種超導化合物。但出現超導現象時的溫度大都接近絕對零度(-273℃)，所以，此超導材料沒有太大的實用可能性和經濟價值。

但這一發現引起了范圍內的震動。從那時起，科學家一直不斷嘗試提高超導材料的臨界溫度。直到1973年，英、美科學家發現了鈮鍺合金，其臨界超導溫度為23.2K(-249.8℃)，才使超導材料研究走上了快速路，這個紀錄保持了13年。

1986年，在瑞士國際商用公司實驗室工作的德國科學家貝特諾茨和美國科學家繆勒發現，氧化物(鑭－鋇－銅－氧)陶瓷材料在43K(-230℃)的較高溫度下出現了超導現象，打破了傳統“氧化物陶瓷是絕緣體”的觀念，引起了全球科學界的轟動。他們也因此獲得了1987年的諾貝爾物理學獎。

不斷挑戰上限

1957年，庫珀等3位科學家提出了超導微觀理論，揭示了低溫超導現象。該理論認為，電子會因聲子(即量子化的晶格振動)而產生相互作用，當其克服電子之間的排斥力時，便會形成電子對，稱為“庫珀對”。而這種能量交換使一些普通金屬材料產生了超導性。

然而，在溫度升高時，即使最好的金屬低溫超導材料也會失去其超導性能。其原因是：隨著溫度的不斷升高，超導材料內部的原子振動也不斷加劇，電子對不斷地被拆散，該材料原有的電阻得以恢復。超導材料的臨界溫度取決于三個因素：可以利用的電子數量、聲子震動的頻率、相互作用的強度(即聲子和電子之間的耦合力)。

1987年底，鉈－鋇－鈣－銅－氧化材料又把臨界超導溫度的紀錄提高到125K(-148℃)。從1986～1987年的短短一年多的時間里，臨界超導溫度竟然提高了100K以上，這在材料發展史上，乃至科技發展史上都堪稱是一大奇跡。遺憾的是，科學家們一直無法破解銅氧化物材料在非常冷的溫度下(例如液氮的溫度)是如何顯示超導性的。

由于鐵基材料和銅氧化物這兩類超導體在很多方面存在相似性，研究人員希望通過研究鐵基超導體找到線索，進而探尋銅氧化物的超導機制。

這兩種材料的超導轉變溫度，都遠遠高于其他所有已知超導體。它們都有各自的最佳摻雜溶度，即摻雜到某一溶度時，該體系的超導轉變溫度會達到一個極大值。在此溫度以下，該材料進入超導態，這個轉變溫度也被稱為臨界溫度。

鐵基材料和銅氧化物最大的相似之處在于，它們都是層狀結構，但這種結構是不是高溫超導的關鍵因素還有待證明。

銅氧化物和鐵基超導體都有不同原子層相互交錯堆積而成。銅氧化物的主要特征是銅氧層，相應地，鐵基化合物也有由鐵和磷族元素構成的原子層，在這些層中，鐵元素和元素周期表中氧元素那一列的元素，如磷、砷、銻等結合在一起。

目前研究組發現的超導體，就是由鑭氧層和鐵砷層交錯構成。如果把這兩種超導體的晶體結構比作三明治，銅氧層和鐵層就是夾在三明治里的肉。物理學家認為，超導電性就源于這個夾心層。

兩邊的“面包片”僅僅為夾心層提供額外的電子，或是從夾心層移走一些電子。往鑭氧鐵砷摻雜了氟之后，氟就會取代部分氧原子，由于每個氟原子比此前的氧原子多出一個電子，這些額外電子就會轉移到鐵砷層，進而改變它的電學性質。

鐵基超導體最吸引人之處，或許在于它讓高溫超導體家族有了新成員，銅氧化物不再孤獨。研究者已經被銅氧化物困擾了20多年，始終沒有找到一個理論能解釋它的所有性質，尤其是超導轉變溫度為什么如此之高。

現在，研究者或許可以比較銅氧化物和鐵基材料這兩種高溫超導體，找到關鍵線索，最終解開高溫超導這個未解之謎。

常溫超導不再遙遠

最先進的超導電纜可將電能輸送幾千公里而僅有百分之幾的損耗。但麻煩的是，電纜必須一直浸在77K(約-196℃)的液氧之中。因此，如果要架設這樣的電纜，每隔1000米左右就必須安裝泵機和冷卻設備，大大增加了超導電纜方案的成本和復雜程度，而且本身要消耗巨大的電能。

超導體的直流電阻率在一定的低溫下突然消失，被稱作零電阻效應。導體沒有了電阻，電流流經超導體時就不發生熱損耗，電流可以毫無阻力地在導線中形成強大的電流，從而產生超強磁場。

多年來，物理研究人員一直在堅持不懈地探求常溫超導之謎。在常溫下，傳輸電流零損耗(無電阻)的材料有著巨大的應用市場。這種材料可用于磁懸浮高速列車高效的核磁共振攝影、無損耗的發電機、變壓器和輸電線、功能強大的超級計算機等等。

能在常溫常壓下工作的超導體，將使全球化電力供應夢想成真，目前的電網將會徹底改變。通過橫穿地中海底的超導電纜，非洲撒哈拉沙漠的太陽能也可以給西歐供電。

2008年，一大類以鐵元素為基質的全新超導體(鐵基超導體)被人發現。2009年10月10日，美國科學家將超導溫度提高到254K(-19℃)，對于推廣常溫超導的實際應用具有重大的意義，理論上能夠找到常溫超導體工作機制的希望也因此而大增。

如果掌握了這一機制，常溫超導體也許就不再遙不可及。