為啥科學家一個勁地想找到高溫超導體？

李登仟

2017年1月19日，劍橋大學的研究人員在《自然》雜志的子刊《自然通訊》上發表文章稱，找到了實現石墨烯超導的方法。1月26日，哈佛大學的研究人員又在《科學》雜志上發文宣稱他們發現了金屬氫（研究人員在兩塊金剛石上施加了500萬個大氣壓來壓縮氫氣才得以形成金屬氫的），而金屬氫被科學家們認為是極有可能作為室溫超導體的。為什么科學家們一個勁地想找到越來越多的高溫超導體，高溫超導體對人們的日常生活會有怎樣的意義呢？

性格高冷

超導體這個名字貌似聽著挺耳熟的，但是似乎又離我們很遙遠，它到底是個啥呢？通俗來講，具備這兩個特性的物體就可以稱為超導體：零電阻和完全抗磁性。零電阻指的是電流流過超導體時，電流不會有一丁點的衰減，而恰恰這一特性可以使得通過電流的超導體產生無損耗的強大磁場。完全抗磁性指的是，當超導體處于磁場中時，超導體由于自身的“特異功能”而完全排斥外界磁場，不讓磁場穿過自身。

超導體最初是由荷蘭的物理學家昂納斯發現的。他最先發現的是液態金屬汞具有超導性，并且汞的超導電性只有在-268.95℃才能表現出來。即在通常的情況下汞具有一定的電阻，但是如果將汞冷卻到-268.95℃時，汞的電阻突變為零了并且還具有完全抗磁性。超導體并不是隨處可見的，即便到了今天，都要在-200℃左右才能實現超導狀態。超導的發現已經有100多年了，為了提高超導體的轉變溫度，科學家們可是煞費苦心。

才華出眾

超導體所產生的超強磁場和完全抗拒外界磁場的性能讓科學家們驚嘆不已。對于具有零電流損耗的超導體來說，如果能將其應用到醫療、電力、交通、科研和軍事方面的話，人們的生活將會發生翻天覆地的變化。不信？往下看。

超導電纜

相對于傳統的電纜而言，超導電纜由于其零電阻的特性，可大大節約電力實現無阻力輸送。超導電纜大致由液氮、支撐骨架、超導帶材、絕熱層、電絕緣層、銅屏蔽層和外保護層組成。制造長距離的超導電纜最棘手的問題之一在于電纜中液氮的保溫。只有當超導帶材完全處于臨界溫度之下才能實現超導，所以這就對保溫層的材料提出了高要求。另外，由于液氮的溫度為-196℃左右，這也對超導電纜線中裝液氮的支撐管的材料提出了要求——在如此低的溫度下，支撐管的材料要不易受冷脆化。

相對于傳統輸電線而言，超導電纜的輸送效率提高了5倍左右，質量相比傳統電纜減輕了近80%，超導電纜如果能廣泛投入使用，全球的能源消耗將會大幅度減少。

超導殺菌

隨著生活水平的不斷提高，人們對食品安全的關注度也在日益加深，新的環保、高效以及不受環境溫度影響的殺菌方法也相繼被提出來，并應用到實際生產中。其中，脈沖超導強磁場殺菌法就是這樣一種環保、高效并且不改變環境溫度的殺菌“黑馬”。

它是怎么辦到的呢？一般而言，想要利用脈沖磁場進行殺菌，只需將脈沖的交變磁場施加在細菌所處的空間中。當細菌切割磁感線運動時，細菌的內部就會產生相應的變化的磁通量，變化的磁通量必然會激勵起感應電流。研究表明當感應電流達到一定強度時，會使得細胞的蛋白質結構和酶的活性受到破壞，進而讓細菌死亡，以達到殺菌的作用。為了減少能量的損耗，我們可以利用超導體在其臨界溫度下的無阻性，進而產生源源不斷的脈沖磁場來殺菌。

相對于其他的殺菌方式而言，脈沖磁場殺菌不受環境溫度的影響并且殺菌的過程中幾乎不改變環境的溫度，殺菌后的食物還具有風味佳和耐儲存等優點。因而，我們有理由相信脈沖強磁場殺菌技術將會惠及更多的民眾。

超導處理廢水

現代工業的發展，很多都是以犧牲環境為代價的。工廠的一個“代謝物”就是工業廢水，現在處理廢水的方法不外乎化學沉降、物理吸附和電解法。當然，不管采用哪種方法，廢水處理均不徹底。

這時，科學家們就想出了一個極為有效的辦法：超導強磁分離廢水。不過用超導強磁處理廢水之前需要在廢水中添加磁種，將非磁性物質磁化。磁化之后，超導體就派上用場了。因為超導體通上電流之后所產生的強磁場可以讓磁化后的廢水受到一個磁場力，有了力的作用之后，磁場力的拖拽作用就可以將廢水中的有害物質相互分離，剩下的就是簡單的過濾了。

超導粒子對撞機

2016年9月初，諾貝爾物理學獎獲得者楊振寧和中科院院士王貽芳，對于中國是否應該建設大型對撞機一事有過激烈的爭論。楊振寧并不主張中國目前建設巨型粒子對撞機，而王貽芳則持相反的態度。雙方言論一出，物理學界的各路英雄好漢統統跑來圍觀。過了幾個月，有物理學家感嘆道：這是有史以來，中國科學界關于科學問題的最激烈的論戰。

對于中國是否建造世界上最大的粒子對撞機，我們現在還不得而知。我們所知道的是，在這個粒子對撞機上就有著超導的應用之一——超導強磁場。

一般而言，要想實現粒子的對撞（這就好像用兩個小彈珠相互正面碰撞），就需要控制粒子的路徑。通常物理學家們把粒子對撞機做成環形的，讓粒子在環形的對撞機里用電場加速，因為電場會給帶電粒子一個電場力，推動它們前進。加速的同時就要好好控制粒子的運動方向了，這時就要用到磁場了。帶電粒子在磁場中運動時，會受到一個所謂的“洛倫茲力”，洛倫茲力會使得粒子做圓周運動，這樣就可以很好地把帶電粒子限制在環形的對撞機里，這樣的裝置稱為“托卡馬克裝置”。

前面已經說過了，超導體具有零電阻性能，只要超導體通上電流，就可以無損耗地產生強大的磁場了。一般的磁場無法束縛住高能量的帶電粒子，而超導強磁場就可以輕輕松松搞定。

目前，研究超導的物理學家們兵分兩路。一小部分人加班加點研究超導的理論機制，想弄清楚超導到底遵循怎樣的物理定律。另一部分人馬不停蹄地通過改變超導體的各項結構參數來制備超導體。但是他們的目的都只有一個——提高超導體的臨界轉變溫度，進而提高其利用率。事實上，超導體不僅可以應用于殺菌、處理廢水、電力輸送和對撞機，還能廣泛地應用于醫療（比如超導核磁共振儀）和超導計算機等。但是鑒于目前超導體需要在-200℃左右才能實現，所以要想達到近室溫的溫度還有很長的路要走啊。