超 Super丨導(dǎo) Conductby 科普君

Hello！大家好，春節(jié)過后大家吃膩了饕餮美食，是不是很期待一期科普大餐呢？

是的，自從看了《我的太陽》感慨頗深啊，非常期待科普君的開箱大作??！

感謝大家支持！通過前面幾期的科普，相信大家應(yīng)該對核聚變有了一個(gè)整體上的了解。

從今天開始，我們就要從整體轉(zhuǎn)向局部，了解一下“人造太陽”的組成部分。

好呀，一定都是些非常高科技的東東！

沒錯(cuò)！前面介紹過，EAST是全世界第一個(gè)全超導(dǎo)托卡馬克。這里有一個(gè)重要的關(guān)鍵詞就是“超導(dǎo)”，所以今天科普君首先來和大家聊聊這個(gè)超導(dǎo)的神奇之處。

引言——超導(dǎo)的神奇魅力如果你看過電影《阿凡達(dá)》，你一定對那個(gè)夢幻般懸浮在云端的哈利路亞山有印象?？破站催@部電影的時(shí)候，就被這個(gè)奇幻美麗的空中世界所震撼。

在電影里面，哈利路亞山是由一種名為“Unobt-ainum”（中譯：不可獲得的元素）的室溫超導(dǎo)礦石組成，這種礦石通過排斥行星的地磁場來實(shí)現(xiàn)懸浮。

電影《阿凡達(dá)》中的哈利路亞懸浮山

可以說，如果可以實(shí)現(xiàn)室溫超導(dǎo)，那我們的生活將會(huì)發(fā)生天翻地覆的變化。然而目前，在地球上還沒有獲取到室溫超導(dǎo)材料，但人們對此一直在追尋。

在過去的百余年中，科學(xué)家一直在致力于理解神奇的超導(dǎo)現(xiàn)象，探索現(xiàn)有超導(dǎo)材料中的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變機(jī)制，努力合成更高臨界溫度的超導(dǎo)材料并加以利用。

下面，科普君將和大家一起回顧一下科學(xué)家對“超導(dǎo)”的發(fā)現(xiàn)之旅。

1超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)1911年，荷蘭萊頓大學(xué)昂內(nèi)斯(H. Kamerlingh Onnes)在實(shí)驗(yàn)中得到一個(gè)意外的發(fā)現(xiàn)。

當(dāng)他把汞（水銀）冷卻到4.2K（零下268.95攝氏度）時(shí)，汞的電阻突然降為零，這就意味著電流可以毫無阻礙地通過導(dǎo)體。

之后他又多次實(shí)驗(yàn)，最終發(fā)現(xiàn)有許多金屬和合金都具有類似的特性。于是昂內(nèi)斯就將這一神奇的現(xiàn)象命名為“超導(dǎo)”（超級導(dǎo)體）。

憑借這一發(fā)現(xiàn)，昂內(nèi)斯獲得1913年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，而1911年也被稱為“超導(dǎo)元年”。

昂內(nèi)斯                             汞的低溫超導(dǎo)特性

超導(dǎo)體都是在冷卻到一定溫度的時(shí)候電阻突變?yōu)榱悖虼?，我們就把這個(gè)突變發(fā)生時(shí)的溫度命名為“超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度”（可用Tc表示，亦稱臨界溫度）。

關(guān)于溫度的表示方式由于超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度都遠(yuǎn)低于室溫，所以用攝氏溫度來表示已經(jīng)不合適，因此一般采用開氏溫度來表示。

開氏溫度是指以絕對零度為起點(diǎn)表示的溫度，因此所有的溫度表示數(shù)都是正數(shù)。

這兩種溫度之間的關(guān)系為：開氏溫度（K）=攝氏溫度（°C）-273.15

國際上除了攝氏溫度、開氏溫度，還有一種華氏溫度。華氏溫度與攝氏溫度的關(guān)系為：華氏溫度（°F）=攝氏溫度（°C）*1.8+32

下圖展示了這三種溫度的區(qū)別：

2超導(dǎo)的特性當(dāng)導(dǎo)體進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)后，就成為超導(dǎo)體。超導(dǎo)體在電、磁、熱方面都會(huì)表現(xiàn)出一些奇妙的特性。

下面重點(diǎn)介紹超導(dǎo)體的兩個(gè)主要特性。

1、零電阻特性——永不消逝的電流

零電阻特性是人類對超導(dǎo)體認(rèn)識到的第一個(gè)特性。而“人造太陽”項(xiàng)目之所以采用超導(dǎo)，利用的也正是這一特性。

由于在超導(dǎo)態(tài)下超導(dǎo)體是沒有電阻的，所以如果在一個(gè)超導(dǎo)導(dǎo)線上通入電流，則電流是不會(huì)衰減的。

同時(shí)，導(dǎo)體也不會(huì)發(fā)熱。因此，很細(xì)的超導(dǎo)導(dǎo)線就可以長時(shí)間承載非常大的電流，并且電流不會(huì)損耗。

而在托卡馬克上，正好需要通入超大的電流來產(chǎn)生超強(qiáng)磁場，因而要想讓托卡馬克長時(shí)間運(yùn)行，超導(dǎo)體的存在就變得異常重要。

科普君，我想知道為什么導(dǎo)體的電阻會(huì)突然消失？

這個(gè)和導(dǎo)體中導(dǎo)電的電子運(yùn)動(dòng)方向有關(guān)。在普通的金屬導(dǎo)體中，導(dǎo)電的電子是做雜亂運(yùn)動(dòng)的，因此它們在運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)受到晶格振動(dòng)、缺陷和雜質(zhì)散射的影響，從而發(fā)生碰撞導(dǎo)致能量損耗，表現(xiàn)在宏觀世界中，就是“電阻”。

常規(guī)導(dǎo)體電子的運(yùn)動(dòng)方向示意圖

而在超導(dǎo)體中，導(dǎo)電的電子是做整齊的定向運(yùn)動(dòng)，因而可以避免發(fā)生碰撞而產(chǎn)生能量損耗。因此，電流可以維持而不衰減。

超導(dǎo)體電子定向運(yùn)動(dòng)示意圖超導(dǎo)體的零電阻特性在電力輸送領(lǐng)域和儲(chǔ)能領(lǐng)域都有著非常廣闊的應(yīng)用前景。

2、邁斯納效應(yīng)——拒之門外的磁場

邁納斯效應(yīng)是指超導(dǎo)體的完全抗磁性，這個(gè)特性是由邁斯納（W. Meissner）和奧克森菲爾德（R. Ochsenfeld）于1933年發(fā)現(xiàn)的。

簡單來說，邁納斯效應(yīng)就是指超導(dǎo)體可以將磁力線從自身中完全排斥出去，即超導(dǎo)體內(nèi)的磁場值為零。

邁斯納效應(yīng)（完全抗磁性）

產(chǎn)生這一特性的原因是：超導(dǎo)體在靠近磁場時(shí)會(huì)在其表面感應(yīng)出超導(dǎo)電流，這個(gè)超導(dǎo)電流會(huì)在超導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)與外磁場方向相反大小相等的磁場，兩磁場相互抵消，從而使其內(nèi)部總磁場為零。

完全抗磁性也是一種神奇的特性，這一特性會(huì)產(chǎn)生一個(gè)有趣的現(xiàn)象——量子鎖定，電影《阿凡達(dá)》中的哈利路亞山正式基于此效應(yīng)才得以懸浮在云端。

產(chǎn)生量子鎖定的原因是外加磁場的磁力線包絡(luò)了超導(dǎo)體，從而抵消了它的重力。

下圖就是“量子鎖定”現(xiàn)象的一種演示：

量子鎖定現(xiàn)象演示

需要注意的是，這里所謂的鎖定，不僅僅是懸浮或是懸掛，而是以任意姿態(tài)“鎖定”于空中。

磁懸浮列車?yán)玫木褪恰傲孔渔i定”的原理。

3追尋“高溫”超導(dǎo)之路

這里說的“高溫”，并不是指我們平常理解的高溫，而是相對于絕對零度而言的“高溫”。事實(shí)上，高溫超導(dǎo)的追尋“高溫”之路是以室溫為終極目標(biāo)的。

之所以把室溫定為終極目標(biāo)，是因?yàn)槿绻麑?shí)現(xiàn)了室溫超導(dǎo)，那么我們就不用為超導(dǎo)材料提供特殊的低溫環(huán)境，超導(dǎo)的應(yīng)用范圍將會(huì)無限擴(kuò)大，我們的生活將會(huì)發(fā)生天翻地覆的變化。

如果實(shí)現(xiàn)了室溫超導(dǎo)，那將引發(fā)一次新的現(xiàn)代工業(yè)革命。出門能輕松乘坐時(shí)速幾百公里以上的磁懸浮列車；不用再為電子產(chǎn)品的電量發(fā)愁，充一次電可以用幾個(gè)月……光是想想就覺得美好呢！

科學(xué)家們也為了早日實(shí)現(xiàn)這種美好愿景而不斷努力。

然而這條高溫超導(dǎo)追尋之路并沒有想象的那么順暢。在最初的數(shù)十年，提高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的速度很慢，從1911年至1986年，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度僅從4.2K提高到23.22K，科學(xué)家們用烏龜來形容這個(gè)程度。

直到1986年，繆勒(K. Alexander Muller)和柏諾茲(J. Georg Bednorz)發(fā)現(xiàn)了銅氧化物高溫超導(dǎo)體，人類提高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的速度才坐上了火箭，開始飛速攀升。

繆勒(K. Alexander Muller)和柏諾茲(J. Georg Bednorz)也因?yàn)殚_創(chuàng)了高溫超導(dǎo)時(shí)代而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

諾貝爾獎(jiǎng)物理學(xué)獎(jiǎng)得主——繆勒 & 柏諾茲

這之后，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度也不斷攀升，從最初的幾K到目前一百多K，不斷向室溫靠近。

最近的消息表明，德國馬普研究所的研究人員借助短波紅外激光脈沖的幫助，成功制成室溫下的陶瓷超導(dǎo)體——盡管其維持的時(shí)間僅有百萬分之幾微秒。

道路是曲折的，前途是光明的?？破站嘈牛覝爻瑢?dǎo)的實(shí)現(xiàn)終將到來。

4超導(dǎo)的理論研究進(jìn)展在科學(xué)發(fā)展中，理論和實(shí)踐都是不可或缺的。實(shí)踐為理論提供依據(jù)，理論為實(shí)踐指引方向。

在尋找高溫超導(dǎo)材料的過程中，科學(xué)家們也在不斷探究超導(dǎo)的微觀機(jī)理，希望為進(jìn)一步提供超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度提供理論指導(dǎo)。

1935年，科學(xué)家們提出了倫敦理論。1950年，又提出了金茲堡-朗道理論。這兩種理論都給出了唯象的超導(dǎo)圖像，并且預(yù)測到了一些與超導(dǎo)相關(guān)的物理現(xiàn)象。

1957年，“BCS理論”被正式提出。從而實(shí)現(xiàn)了真正從微觀角度解釋了超導(dǎo)轉(zhuǎn)變機(jī)制?！癇CS理論”的名稱來自于它的創(chuàng)立者：巴丁(J. Bardeen)、庫珀(L. Cooper)和施里弗(J. Schrieffer)

“BCS理論”創(chuàng)立者——巴丁 & 庫珀 & 施里弗

BCS理論的成功之處在于，它不僅可以解釋已經(jīng)觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，而且還預(yù)言到了許多新的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并且被實(shí)驗(yàn)證實(shí)。

BCS理論從微觀層次解釋了當(dāng)時(shí)發(fā)現(xiàn)的大多數(shù)常規(guī)超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變機(jī)制，因而其三位創(chuàng)立者分獲1972年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

擴(kuò)展閱讀：關(guān)于“BCS理論”BCS理論的基本觀點(diǎn)認(rèn)為：與晶格（或聲子）的耦合可導(dǎo)致原本互相排斥的電子之間出現(xiàn)有效的吸引力，自旋和動(dòng)量相反的兩個(gè)電子通過聲子作為媒介形成一個(gè)束縛態(tài)，即所謂 “庫珀對”，而“庫珀對”能不受散射，順利地通過晶格。

“庫珀對”示意圖

一個(gè)比較形象的理解：當(dāng)一個(gè)電子在晶格中運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于異性電荷相吸而導(dǎo)致局域晶格畸變，當(dāng)另外一個(gè)電子通過時(shí)，會(huì)感受到第一個(gè)電子通過時(shí)導(dǎo)致的晶格畸變的影響，從而在兩個(gè)電子之間產(chǎn)生間接吸引相互作用，這就是“庫珀對”，其總動(dòng)量和總自旋為零。所有電子對在運(yùn)動(dòng)過程中能夠保持“步調(diào)一致”（相位相干，即相位相同），即使受到雜質(zhì)等散射也將保持總動(dòng)量不變，從而在外加電場作用下能夠不損失能量而運(yùn)動(dòng)——這種現(xiàn)象就是超導(dǎo)。所以說，超導(dǎo)是微觀量子凝聚態(tài)的宏觀表現(xiàn)。

李政道先生提議的有關(guān)BCS超導(dǎo)機(jī)理漫畫（單翅蜜蜂代表單個(gè)電子）題曰：“單行苦奔遇阻力，雙結(jié)生翅成超導(dǎo)”，下面為蜂窩狀的C60系列超導(dǎo)體。

然而，BCS理論并不是完美的理論。之后大量的非常規(guī)超導(dǎo)體被陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，而根據(jù)BCS理論無法對它們進(jìn)行解釋。

因此科學(xué)家根據(jù)微觀配對機(jī)制將超導(dǎo)體大致分為兩類：一類是常規(guī)超導(dǎo)體（又名“BCS超導(dǎo)體”），另一類便是非常規(guī)超導(dǎo)體。最有代表性的非常規(guī)超導(dǎo)體就是1986年發(fā)現(xiàn)的銅氧化物高溫超導(dǎo)材料和2008年發(fā)現(xiàn)的鐵基超導(dǎo)體。

對于非常規(guī)超導(dǎo)體，目前物理學(xué)界還沒有統(tǒng)一的理論來闡述其微觀機(jī)制，我國著名超導(dǎo)專家趙忠賢院士從事高溫超導(dǎo)研究多年，對高溫超導(dǎo)電性探索做出了重大貢獻(xiàn)。

5超導(dǎo)的應(yīng)用前景鑒于超導(dǎo)材料具有的零電阻、完全抗磁性等一系列神奇的特性，在能源、科研、醫(yī)療、通訊等各個(gè)領(lǐng)域均有重要用途。

在無數(shù)聰慧的科學(xué)家的推動(dòng)下，超導(dǎo)已經(jīng)逐步走向?qū)嵱没?，并隨著研究的深入和發(fā)展表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。

超導(dǎo)輸電線對于傳統(tǒng)導(dǎo)體，由于其電阻的存在，在長距離輸電過程中會(huì)有很大的能量損耗。數(shù)據(jù)顯示，傳統(tǒng)輸配電損耗占整個(gè)網(wǎng)絡(luò)傳輸功率的7%左右，照此比例，當(dāng)前我國輸配電損耗功率約為四個(gè)三峽電站總裝機(jī)容量。

高溫超導(dǎo)輸電線和帶材

超導(dǎo)的零電阻特性則可大大減少這部分損耗，超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用于輸電線路，人們得到的不僅是環(huán)保還有節(jié)能。

實(shí)際上超導(dǎo)體就是電力工業(yè)革命性的技術(shù)儲(chǔ)備之一。目前采用常規(guī)金屬合金制造的超導(dǎo)輸電線已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，而高溫超導(dǎo)材料制作的超導(dǎo)輸電線也即將投入市場。

超導(dǎo)磁體所謂超導(dǎo)磁體是指采用超導(dǎo)線材或者帶材繞制而成的用以產(chǎn)生磁場的超導(dǎo)線圈，超導(dǎo)磁體具有穩(wěn)定性好、能耗低、磁場強(qiáng)等優(yōu)勢。

在生物學(xué)研究和臨床醫(yī)學(xué)上采用的高分辨核磁共振成像技術(shù)大都是采用超導(dǎo)磁體，其不僅體積小功耗低，還具有高場強(qiáng)高分辨率的特點(diǎn)。

核磁共振成像儀 & 生物核磁共振腦成像

在科學(xué)研究中超導(dǎo)磁體更是應(yīng)用廣泛，比如超導(dǎo)托卡馬克，比如常規(guī)實(shí)驗(yàn)室測量設(shè)備、大型加速器的加速通道和探測器等。

EAST全超導(dǎo)托卡馬克

歐洲大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）超導(dǎo)量子干涉儀（SQUID）

超導(dǎo)磁懸浮超導(dǎo)磁懸浮的原理是利用了超導(dǎo)體的完全抗磁性，由于超導(dǎo)體會(huì)將外部磁場的磁通線排出體外，因此當(dāng)磁體靠近超導(dǎo)體時(shí)會(huì)受到很強(qiáng)的排斥力，當(dāng)排斥力與重力抵消就實(shí)現(xiàn)了超導(dǎo)懸浮。磁懸浮列車

以上的這些只是超導(dǎo)應(yīng)用的一部分。而且目前超導(dǎo)的應(yīng)用僅僅利用了零電阻、完全抗磁性和超導(dǎo)相位相干等幾個(gè)主要的物理特征。

由于我們對非常規(guī)超導(dǎo)體展現(xiàn)出的新奇量子現(xiàn)象還缺乏理解，在微觀量子態(tài)的應(yīng)用更是十分稀少。隨著超導(dǎo)研究的深入，新的超導(dǎo)材料也必將會(huì)被發(fā)現(xiàn)并應(yīng)用。

如同半導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用讓人類社會(huì)發(fā)生翻天覆地的變化一樣，超導(dǎo)的應(yīng)用前景也將十分樂觀，并給人類帶來無盡的福音。

擴(kuò)展閱讀——超導(dǎo)大事記1911年昂納斯發(fā)現(xiàn)汞的超導(dǎo)特性Tc=4K;1913年昂納斯獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng);1913年發(fā)現(xiàn)鉛的超導(dǎo)特性Tc=7K;1933年發(fā)現(xiàn)邁斯納效應(yīng);1941年發(fā)現(xiàn)鈮氮(NbN)超導(dǎo)體Tc=16K;1950年提出金茲堡-朗道理論;1953年發(fā)現(xiàn)V3Si超導(dǎo)體Tc=17.5K;1957年提出BCS超導(dǎo)微觀理論;1962年提出約瑟夫森效應(yīng);1972年巴丁、庫珀和施里弗獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng);1973年約瑟夫森獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng);1986年發(fā)現(xiàn)銅氧化物高溫超導(dǎo)Tc=35K;1987年繆勒/柏諾茲獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng);1987年發(fā)現(xiàn)Tc=92K高溫超導(dǎo)體(>77K);1988年發(fā)現(xiàn)鉈鋇鈣銅氧超導(dǎo)Tc=120K;1993年發(fā)現(xiàn)汞鋇鈣銅氧超導(dǎo)Tc=133K;2001年發(fā)現(xiàn)MgB2超導(dǎo)體Tc=39K;2003年阿布里科索夫、金茲布爾格、利蓋特獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng);2008年發(fā)現(xiàn)鐵基超導(dǎo)體;超導(dǎo)研究歷史上獲得諾貝爾獎(jiǎng)的十位科學(xué)家本文供稿：等離子所科普志愿者小組如有錯(cuò)誤，敬請指正！郵箱：weixin@ipp.cas.cn

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