超導(dǎo)體：揭開(kāi)神奇磁懸浮的秘密

推薦單位：北京科學(xué)技術(shù)期刊學(xué)會(huì)、《物理學(xué)報(bào)》

成果來(lái)源：中科院物理所超導(dǎo)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

轉(zhuǎn)化作者：艷紅

還記得電影《阿凡達(dá)》里的潘多拉星球上懸浮在空中的一座座高山嗎？看上去神秘而又壯觀。雖說(shuō)這些“懸浮之山”是我們?cè)诳苹秒娪袄锟吹降模珡目茖W(xué)的角度來(lái)說(shuō)，在現(xiàn)實(shí)世界中人工打造一座懸浮山也不是不可能的。這就需要依靠跟電影中的常溫超導(dǎo)礦石“Unobtanium”有著相同性能的神奇材料——一種蘊(yùn)含著奇特能量的超導(dǎo)體。

什么是超導(dǎo)體？

超導(dǎo)（Superconductor），就是超級(jí)導(dǎo)電的意思，又稱(chēng)為超導(dǎo)材料，其導(dǎo)電性能非常好，在一定溫度（定義為超導(dǎo)臨界溫度）下電阻為零，以至于電流在流動(dòng)過(guò)程中處于零損耗狀態(tài)，從而跑得更快。盡管?chē)?yán)格意義上的零電阻無(wú)法測(cè)量出來(lái)，但是精確實(shí)驗(yàn)表明，超導(dǎo)材料的電阻要比目前導(dǎo)電性最好的金屬如銀、銅、金、鋁等（電線的主要成分）整整低了10個(gè)數(shù)量級(jí)。這意味著，在閉合超導(dǎo)線圈中感應(yīng)出1A的電流，需要近一千億年才能衰減掉，比我們宇宙存在的年齡還要長(zhǎng)得多。

和普通導(dǎo)體相比，超導(dǎo)體不僅具有“零電阻”的特性，還有一個(gè)重要特征是完全抗磁性，這也是超導(dǎo)磁懸浮列車(chē)的基本原理。1933年德國(guó)物理學(xué)家邁斯納等人發(fā)現(xiàn)，材料一旦在低溫下進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)，其內(nèi)部的磁力線便會(huì)統(tǒng)統(tǒng)被排出，以保證內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度恒等于零。這種效應(yīng)被稱(chēng)為“邁斯納效應(yīng)”，又叫完全抗磁性。只有同時(shí)具有零電阻效應(yīng)和完全抗磁性這兩大特性的材料，才能從科學(xué)意義上稱(chēng)之為超導(dǎo)材料。

根據(jù)材料對(duì)磁場(chǎng)的響應(yīng)不同可以把它們分為第一類(lèi)超導(dǎo)體和第二類(lèi)超導(dǎo)體：第一類(lèi)超導(dǎo)體只存在一個(gè)單一的臨界磁場(chǎng)，當(dāng)外界磁場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)臨界磁場(chǎng)的時(shí)候，超導(dǎo)性消失;第二類(lèi)超導(dǎo)體則有兩個(gè)臨界磁場(chǎng)值，在兩個(gè)臨界值之間，材料允許部分磁場(chǎng)穿透材料。

由于超導(dǎo)體“不允許”其內(nèi)部有任何磁力線，如果外界有磁力線要通過(guò)超導(dǎo)體內(nèi)部，那么超導(dǎo)體必然會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與之方向相反的磁場(chǎng)來(lái)抵消，保證內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，這就形成了一個(gè)斥力。當(dāng)部分磁力線穿透到超導(dǎo)體內(nèi)部時(shí)，又會(huì)被超導(dǎo)體牢牢“釘住”，這意味著磁場(chǎng)和超導(dǎo)體之間還可以存在“引力”。此時(shí)斥力和引力并存、相互制衡，最終讓超導(dǎo)體既可以“浮”起一定高度，同時(shí)也可以“懸”掛在磁鐵下面一定距離。這便是超導(dǎo)磁懸浮的工作原理。

為了更好地科普這一理論，2018年，中科院物理所通過(guò)一則抖音視頻，向大眾直觀地展示了超導(dǎo)磁懸浮實(shí)驗(yàn)：將超導(dǎo)材料浸入液氮（-196℃）降溫使其進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)，它便會(huì)懸浮在磁性軌道上方一定距離。輕輕一推，超導(dǎo)體就開(kāi)始沿著軌道快速行進(jìn)，行進(jìn)過(guò)程中兩者完全沒(méi)有接觸，超導(dǎo)體一直被束縛在軌道的上方或下方。這一實(shí)驗(yàn)充分展現(xiàn)了超導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的懸浮性能，同時(shí)也表明低溫對(duì)超導(dǎo)材料的重要性。

超導(dǎo)體的“提溫”之旅

其實(shí)，超導(dǎo)并不是一個(gè)新名詞，早在100多年前的1911年，荷蘭科學(xué)家昂內(nèi)斯等人就發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)超導(dǎo)材料：金屬汞，就是我們常說(shuō)的水銀。汞在極低的溫度下，大概在4.2開(kāi)爾文時(shí)，其電阻會(huì)消失，呈超導(dǎo)狀態(tài)。超導(dǎo)材料雖然聽(tīng)起來(lái)很神秘，但其實(shí)并不稀奇，可以說(shuō)，元素周期表里的絕大部分金屬，甚至是非金屬單質(zhì)都是超導(dǎo)材料。不過(guò)有一個(gè)非常重要的前提是，要有足夠低的溫度，抑或足夠高的壓強(qiáng)才能得以實(shí)現(xiàn)，像是在電影里邊出現(xiàn)的常溫超導(dǎo)體，目前來(lái)說(shuō)還只能算是一種夢(mèng)想。

雖然超導(dǎo)材料有著得天獨(dú)厚的特性，但需要在極低的溫度條件下才能實(shí)現(xiàn)，這極大地限制了超導(dǎo)材料的應(yīng)用，因此人們一直在探索高溫超導(dǎo)體。自1911年以后，隨著研究的日趨深入，科學(xué)家們又發(fā)現(xiàn)了23種純金屬超導(dǎo)材料。包括水銀在內(nèi)，這24種純金屬超導(dǎo)材料的臨界溫度都在0.1開(kāi)爾文～9.13開(kāi)爾文，其中鈮元素為最高溫度 9.13開(kāi)爾文。1950年，科學(xué)家將注意力轉(zhuǎn)向了合金和化合物，于兩年后發(fā)現(xiàn)了臨界溫度為17開(kāi)爾文的硅化釩，不久又發(fā)現(xiàn)了臨界溫度為18開(kāi)爾文的鈮錫合金。

1986年，IBM公司的柏諾茲和繆勒獨(dú)辟蹊徑，在一般認(rèn)為導(dǎo)電性不好的陶瓷材料中探索超導(dǎo)電性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)鑭-鋇-銅-氧體系可能存在超導(dǎo)電性，其臨界轉(zhuǎn)變溫度高達(dá)35 開(kāi)爾文。1987年，中國(guó)科學(xué)院物理研究所的趙忠賢研究團(tuán)隊(duì)與美國(guó)休斯頓大學(xué)的朱經(jīng)武、吳茂昆研究組分別獨(dú)立發(fā)現(xiàn)：釔-鋇-銅-氧體系存在90 開(kāi)爾文以上的臨界溫度。至此，超導(dǎo)研究首次突破了液氮溫區(qū)（液氮沸點(diǎn)為77 開(kāi)爾文），使得超導(dǎo)的大規(guī)模研究和應(yīng)用成為可能。1994年，朱經(jīng)武研究組在高壓條件下把Hg2Ba2Ca2Cu3O10體系的臨界溫度提高到了164開(kāi)爾文，這一最高紀(jì)錄一直保持至今。

相對(duì)于常規(guī)的金屬和合金超導(dǎo)體（稱(chēng)為傳統(tǒng)超導(dǎo)體），銅氧化物超導(dǎo)體具有較高的超導(dǎo)臨界溫度，突破了40開(kāi)爾文的麥克米蘭極限，被稱(chēng)為高溫超導(dǎo)體。但是由于銅氧化物高溫超導(dǎo)材料屬于氧化物陶瓷，缺乏柔韌性和延展性，容易在承載大電流時(shí)失去超導(dǎo)電性而迅速發(fā)熱，實(shí)際應(yīng)用難度較大，于是科學(xué)家們又開(kāi)始尋找新型的高溫超導(dǎo)體。

2008年日本科學(xué)家發(fā)現(xiàn)鐵砷化物體系中存在26開(kāi)爾文的超導(dǎo)電性，這引發(fā)了以鐵基超導(dǎo)為主的高溫超導(dǎo)研究的第二波熱潮。隨后，在中國(guó)科學(xué)家的努力下，這類(lèi)材料的超導(dǎo)臨界溫度突破了40開(kāi)爾文，在塊體材料中實(shí)現(xiàn)了55開(kāi)爾文的高溫超導(dǎo)電性。至此，新一代高溫超導(dǎo)家族——鐵基超導(dǎo)宣告發(fā)現(xiàn)。只是這類(lèi)超導(dǎo)體大都含砷或堿金屬，本身有毒，又對(duì)空氣敏感，應(yīng)用方面同樣存在不少局限性。

這么多年來(lái)，盡管人們?cè)趩钨|(zhì)金屬、合金、氧化物，甚至有機(jī)物中都發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)電性，但人們一直渴望能找到一種室溫下的實(shí)用超導(dǎo)體。近年來(lái)有關(guān)發(fā)現(xiàn)室溫超導(dǎo)體的論文報(bào)道經(jīng)常出現(xiàn)，但卻都經(jīng)不起驗(yàn)證或者為學(xué)術(shù)造假行為，真正意義上的室溫超導(dǎo)體離我們還很遙遠(yuǎn)。

超導(dǎo)技術(shù)的巨大應(yīng)用前景

一百多年來(lái)，全世界的科學(xué)家們之所以一直對(duì)超導(dǎo)材料不停地探索，正是因?yàn)槌瑢?dǎo)體在應(yīng)用方面蘊(yùn)含著巨大的發(fā)展前景，甚至?xí)鹨粓?chǎng)新的技術(shù)革命，給人類(lèi)社會(huì)帶來(lái)翻天覆地的變化。目前，超導(dǎo)技術(shù)在輸電、電機(jī)、交通運(yùn)輸、航天、微電子、通信、核物理、新能源、生物工程、醫(yī)療以及軍事裝備等領(lǐng)域，都已展現(xiàn)出燦爛奪目的前景。

1.超導(dǎo)輸電和發(fā)電

凡是用電的地方，都有超導(dǎo)的用武之地。超導(dǎo)輸電可以節(jié)約目前高壓交流輸電技術(shù)中15%左右的損耗（送電、變電、配電等每一步都存在電阻，使一部分電能轉(zhuǎn)化成熱量而浪費(fèi)），拿美國(guó)來(lái)說(shuō)，如果實(shí)現(xiàn)了超導(dǎo)輸電，每年可減少100億美元的電力損失。用超導(dǎo)制成的發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)與常規(guī)發(fā)電機(jī)相比，體積小得多，重量只有原來(lái)的1/10，成本也降低一半，最關(guān)鍵的是可以大大提高電流效率。如果用超導(dǎo)電動(dòng)汽車(chē)來(lái)代替燃油汽車(chē)，那么全世界一年可節(jié)省汽油10億噸左右。

2.超導(dǎo)儲(chǔ)能

將電力輸入超導(dǎo)線圈中，電流便可在里面長(zhǎng)期流動(dòng)而幾乎不損耗電能。因此，可設(shè)計(jì)大容量的超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置，儲(chǔ)存大量電能以供電網(wǎng)調(diào)峰之用。

3.超導(dǎo)磁體

利用超導(dǎo)線圈制作的超導(dǎo)磁體體積小、重量輕、磁場(chǎng)高、均勻性好、耗能低，是電子顯微鏡、高能加速器、電磁軌道炮、人工可控核聚變等關(guān)鍵技術(shù)的核心。超導(dǎo)磁體應(yīng)用在核磁共振計(jì)算機(jī)斷層診斷裝置上，可以使分辨率大大提高，能診斷出更早期的癌細(xì)胞。此外，超導(dǎo)也是發(fā)現(xiàn)希格斯粒子必不可缺的大功臣，因?yàn)樵跉W洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上就裝了9300多個(gè)超導(dǎo)磁體。

4.超導(dǎo)芯片

用超導(dǎo)芯片代替普通芯片制成的超導(dǎo)計(jì)算機(jī)，可以大大提高運(yùn)算速度，減小計(jì)算機(jī)體積。美國(guó)研制的一臺(tái)運(yùn)算速度為800萬(wàn)次/秒的超導(dǎo)計(jì)算機(jī)，雖然其體積只有電話機(jī)那么小，但其運(yùn)算速度卻提高了數(shù)十倍。

5.會(huì)“飛”的火車(chē)——超導(dǎo)磁懸浮列車(chē)

與我們所熟知的上海磁懸浮列車(chē)通過(guò)電實(shí)現(xiàn)車(chē)體懸浮運(yùn)行不同，超導(dǎo)磁懸浮列車(chē)是利用超導(dǎo)技術(shù)實(shí)現(xiàn)懸浮的。因?yàn)槌瑢?dǎo)對(duì)磁力線有特定的鎖定能力，引力和斥力同時(shí)存在，并且最大限度地消除了鐵軌與車(chē)輪之間的摩擦力，因此磁懸浮列車(chē)不但更加快速（可達(dá)500千米/小時(shí)），也更加穩(wěn)定和安全。

6.超導(dǎo)量子干涉儀

超導(dǎo)具有許多復(fù)雜的微觀量子效應(yīng)，利用超導(dǎo)電流的量子干涉效應(yīng)制備的超導(dǎo)量子干涉儀，對(duì)外磁場(chǎng)感應(yīng)極其敏感，是目前世界上最靈敏的磁測(cè)量?jī)x器，被廣泛用到電子工業(yè)中。它不但能探測(cè)礦物，也能探測(cè)出人腦的神經(jīng)活動(dòng)。此外，利用超導(dǎo)制造的新型紅外探測(cè)器、超導(dǎo)磁強(qiáng)針、超導(dǎo)重力儀、超導(dǎo)波器及各種微波器件，也將被廣泛應(yīng)用于地震預(yù)測(cè)、航空航天事業(yè)以及地質(zhì)勘探等。