​來源 | SELF格緻論道講壇

作者 | 羅會遷（中國科學院物理研究所副研究員）

“超導研究的曆史雖然隻有108年，但是通過超導研究直接獲得諾貝爾獎的科學家一共有10位。”

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羅會仟：室溫超導之夢_騰訊視頻

圖文

我今天要講的超導與市場上的超導空調、冰箱、浴霸無關，與軍事上說的超級導彈也沒有關系。

神奇的懸浮小礦石

今天講的超導跟上圖神奇的小礦石有關。電影《阿凡達》中給我印象最深的是潘多拉星球上的山。這些山不是長在地上的，而是長在天上的，是一個很神奇的世界。

電影《阿凡達》劇照

這個山非常大，圖片中的直升機就是一個小黑點。山為什麼能夠懸浮在天上？因為山裡面有一種神奇的礦石，室溫超導礦石。

什麼是超導

通過超導獲諾貝爾獎的科學家們

超導的研究就像科幻電影一樣，特别“高大上”。超導研究的曆史雖然隻有108年，但是通過超導研究直接獲得諾貝爾獎的科學家一共有10位。

超導研究是物理裡很小的分支領域，但是有這麼多的科學家直接因為超導研究獲得諾貝爾獎，可見非常重要。

電子在材料裡“跑”

為什麼要研究超導呢？這是現在凝聚态物理所研究的一個基本的問題。我們知道，一個材料是由原子組成的，電子在材料裡“跑”，必然會受到一定的阻礙，這種阻礙叫電阻。

各種各樣的導體

生活中有各種各樣的電器，每種電器都有電阻。根據電阻大小可以分出絕緣體、半導體、導體。

物理學家有一個很簡單的方法對其進行區分，就是看這個電阻随溫度怎樣變化。

如果電阻随溫度下降而下降，這種物質就叫作導體；如果電阻随溫度下降而上升，這種物質就叫作絕緣體。

溫度下降到很低的情況下，電阻會有什麼變化？早期，物理學家并不能解決這個問題。沒有辦法做實驗，就隻能猜想。

著名物理學家開爾文說：材料在很低的溫度下，電子會凍住，直接的結果是電阻會上升；但是物理學家馬西森預言：随着溫度下降，電阻也會減小。

材料裡面有雜質，必然産生一部分剩餘電阻，這部分電阻不受溫度影響。所以到了絕對零度，電阻依然存在。

物理學家杜瓦猜測，如果找到一個沒有任何雜質和缺陷的導體，可能就會存在一種理想的材料，到了絕對零度的時候，它的電阻為零。

後來，荷蘭物理學家昂尼斯的實驗證實，以上三個推測都不對。其實有一種材料，它的電阻随着溫度下降而下降，到某一個溫度，電阻突然變成了0。

超導材料金屬汞

科學家找到的第一個超導材料就是水銀溫度計裡的水銀，即金屬汞，為什麼找這個材料呢？

因為金屬汞在常溫下是液态的，它就是一個幾乎沒有雜質和缺陷的完美金屬。測量這個材料電阻的時候，發現溫度在4.2K以上還有0.1Ω的電阻，一旦低于4.2K，電阻就小于10^-5Ω，測不到了，電阻是0，昂尼斯把這個現象稱之為超導。

我們今天要找的超導其實是把這兩個字拆開來看，“超級”“導電”。超導體的導電性能特别好，以至于電阻是零，這個研究發現獲得了1913年的諾貝爾物理學獎。

超導還有一個很神奇的性質，它還有磁的效應。我們經常說電生磁，磁生電，電和磁不分家。

1933年，德國科學家邁斯納發現了超導的磁效應，簡單來說，超導具有完全的抗磁性。

超導= 完全抗磁

圖中藍色小球就代表超導體，把它放到磁場裡，這個磁通線會繞着它走，無論是先加磁場後降溫變超導，還是先降溫變超導再加磁場，結果都一樣。

磁通線進不去，以至于它内部的磁感應強度也是零。有電和磁兩個效應，我們就說這是超導體了。

超導的熱力學效應

超導還有第三個效應——超導熱力學效應。超導是一個熱力學現象，也是一種宏觀量子的效應。超導熱力學效應是三位理論家在1950年提出的，獲得了2003年的諾貝爾獎。

超導的基本原理

超導是有相關理論解釋的，這個理論就叫作BCS理論，以三位科學家名字命名，一位叫Bardeen，一位是Cooper，一位是Schrieffer，BCS是他們名字的縮寫。

在提出這個理論之前，我們很熟悉的一些物理學家，比如愛因斯坦、費曼、海森堡等人都曾試圖解決超導的問題，都失敗了。但是，這三位科學家成功了。

他們推測了從一個電子變成兩個電子的情況，一個電子單獨跑肯定會受到阻礙，兩個電子配對跑為什麼不會受到阻礙呢？

單行苦奔遇阻力 雙結生翅成超導

我們可以把電子當成隻有一個翅膀的小蜜蜂，一個翅膀的小蜜蜂飛不起來，但是左翅膀抱右翅膀，兩個蜜蜂配對就飛起來了，這叫作雙結生翅成超導。這是BCS理論的精髓。

三位科學家中有一個重要的人物叫Bardeen，他是世界上唯一一個獲得兩次諾貝爾物理學獎的人，第一次獲諾貝爾物理學獎是因為發明半導體晶體管，改變了整個人類世界。

超導應用

超導有很多重要的效應，有電和磁的效應，有熱力學的效應，但是超導材料到底有什麼用呢？

無損耗超導輸電

首先，一切用到電和磁的地方都可以用到超導體。比如輸電，為了減少輸電的損耗，隻能加幾千伏上萬伏的電壓，即使這樣還是會有大約15%的損耗。

如果用超導，就可以把這個損耗省掉，因為它的電阻是零。15%可能意味着以後人類的能源能多用100～200年，這是非常重要的。

高分辨超導核磁共振成像

如果各位去醫院做核磁共振，醫生會讓你把身上的金屬物品摘掉，因為我們要進入這個“大圓圈”裡去。這個“大圓圈”是超導磁鐵，有很強的磁場。

超導磁場的分辨率非常高，以目前的技術水平，把大腦裡面上百億個神經元全部測清楚也是指日可待的。以後想知道你腦袋裡想什麼，掃一掃就可以了。

高速超導磁懸浮列車

生活中，大家比較熟悉的可能是高速超導磁懸浮列車。現在坐高鐵，北京到上海最快的速度是350千米每小時，高鐵試驗的速度能達到450千米每小時。

超導磁懸浮列車到底有多快呢？日本的試驗中，速度能達到600千米每小時以上。

科學家有一個很大膽的想法，如果把這個磁懸浮的軌道放在真空管道裡面去，這個時候沒有空氣阻力，速度有多快呢？

至少能達到3000千米每小時以上，如果以3000千米每小時的速度行駛，北京到上海隻有半個小時，人可能不敢坐，但是以後可以用于發快遞。

高場超導加速器磁體

基礎研究也非常重要，粒子物理學研究這幾年非常火。希格斯粒子研究也拿到了諾貝爾獎。

如今做高能物理實驗的粒子學家離開超導體就無法工作了，因為要把粒子加速器的能量提到很高，必須依靠很強的超導磁體，沒有超導磁體他們也許就無法進行實驗。

超精密超導量子幹涉儀

超導可以承載很強的磁場和電流,這就是之前講的超導強電應用，其實超導還有弱電應用。超導體可以做成一個器件——超導量子幹涉儀。

這個器件有什麼作用呢？它是世界上最精密的磁探測器，一根磁通線都能測出來。

比如，芯片做好之後出現問題，不知道哪裡斷了，用這個探測器一掃就知道了，極細的納米級的芯片都可以掃出來。

尋找超導材料之路

講了這麼多超導的應用，但我們發現生活中并沒有人使用超導手機、超導電腦、超導電視和超導冰箱等。

什麼超導不能像電影中那樣普适呢？原因很簡單，就是我們找到的所有超導材料都不好用。

一個好用的超導體需要“三高”

要找到一個好用的超導體，必須具備“三高”，“三高”包括高臨界溫度，高臨界磁場和高臨界電流。

超導體要有足夠的溫度才能超導，磁場太強也會破壞超導，電流太大也不行，必須三個條件都很高，這個材料才好用。

三方面都很高很難，物理學家不知道具體怎麼樣提高臨界磁場和臨界電流密度。我們就去找合适的高臨界溫度超導材料。從第一個金屬汞開始。

超導單質元素

後來科學家把整個元素周期表都掃一遍，對每一個元素的單質進行測試，看看是不是超導。結果令人驚訝，發現很多元素單質都是超導體，但是導電最好的金、銀、銅不是超導體。

超導二元合金

找完單質，就去找元素化合物，比如說最高超導溫度的單質是金屬铌，金屬铌的Tc［超導材料由正常态轉變為超導态對應的溫度，以Tc表示］是9K，尋找铌的化合物，比如碳化铌、氮化铌。

氮化铌的Tc為16K，還不錯。再合成铌三烯、铌三鍺一系列的化合物，科學家發現铌三鍺這個材料的超導溫度可以達到23.5K，很高了（那個時候把Tc高于20K以上的叫作高溫超導體）。

麥克米蘭紅線：看不見的天花闆

找了各種化合物之後，理論家還做了個計算，結果比較悲觀：超導溫度似乎是有上限的，上限是40k。

這個數字相當于看不見的天花闆，好像超導材料Tc永遠都超不過40K。

馬蒂亞斯：老司機的告誡

實驗物理學家也喜歡預言。比如，一位名為布蘭德·馬蒂亞斯的物理學家（發現铌三鍺）認為探索新的高溫超導材料有6個條件：

晶體結構高對稱性，電子的态密度要高，不能有氧，不能有磁性，不能是絕緣體，不要相信理論家的胡說八道。這6條到底哪一條是對的呢？

來自IBM的絕境逆襲

J. Georg Bednorz和K. Alex Muller是來自IBM的兩位科學家，他們發現的超導材料是一個氧化物，化學式叫鋇镧銅氧。

它是準二維結構，低載流子濃度，氧化物，母體是絕緣體，有磁性，這說明前面5條全錯了，隻有第6條可能對。這個材料的超導溫度能夠達到35K，已經逼近40K紅線。

這個材料是在1986年12月被發現的，在1987年10月獲得諾貝爾獎。為什麼他們能這麼快獲得諾貝爾獎？

這要感謝中國人，是中國人的幫助讓兩人這麼快就獲得了諾貝爾獎。

來自華人世界的神助攻

他們主要是中國科學院物理研究所的趙忠賢院士、美國休斯頓大學的朱經武教授以及台灣中央研究院院長吳茂昆。

他們發現一個材料叫做鋇钇銅氧，與鋇镧銅氧隻差了一個元素，換了一個元素之後，這個材料的Tc奇迹般地變成93K。

這是什麼概念？40K的紅線不存在了，理論家的預言被推翻。93K意味着我們突破了液氮溫區。

我們以前做超導隻能利用液氦，液氦很貴。一升液氦需要好幾百元，而一升液氮隻要1元。

銅基高溫超導體

因為溫度很高且價格便宜，科學家找到了一系列的銅氧化物高溫超導材料。銅基高溫超導體，目前能達到134K的超導溫度，加壓可以達到165K。

“高富帥”的煩惱

溫度高了就好了嗎？雖然溫度高，但我們發現這個材料不太适合應用，因為它是銅氧化物，屬于陶瓷材料，很脆，一碰就會碎掉。

為了保護這種材料，要覆上多層薄膜等很複雜的東西才勉強能使用，所以這種材料“不好用”。

“印象派”的抓狂

那麼我們能不能解釋這種材料的超導溫度為什麼這麼高，進而尋找到Tc更高的超導材料呢？

這是高溫超導的電子态實驗數據，跟印象派的畫一樣，亂而難懂。我們隻能看看有沒有新的路可以走。

“大雄哥”來救場

2008年，科學家發現了一種很重要的材料——鐵基超導體，發現者是日本科學家細野秀雄。他發現镧鐵砷氧氟材料的超導溫度可以達到26K。

20k以上已經很高了。中國科學家敏銳地注意到這個材料很重要，接着把镧氧鐵砷氟中的镧換成了其他的镧系元素。

奇迹出現了，他們發現換了一個元素的钐鐵砷氧氟的超導溫度可以達到55K。從26K到55K是質的飛躍，40K的紅線又一次突破了。

這意味着新一代的高溫超導體已經誕生，那就是第二大高溫超導體家族——鐵基高溫超導體。

見證 “中國速度”

現在，科學家發現了很多鐵基高溫超導體的家族成員，其實很多鐵基超導體是中國人發現的。

鐵基超導塊體材料目前最高溫度可以達到55K，薄膜可以達到65K，而且這個鐵硒薄膜很神奇，隻有一層原子的厚度。

總結一下什麼叫高溫超導。需要解釋一下，高溫超導的溫度并不高。

我們以40K的麥克米蘭紅線為标準，能夠超過40K的材料叫作高溫超導材料，目前達到這個标準的材料隻有兩種，銅基和鐵基。

不同材料的臨界溫度

40K是什麼概念呢？相當于-233℃，比月球的最低溫度還要低。隻是相對于第一個超導材料金屬汞來說溫度高一些而已。

我們人類希望能夠找到室溫超導體，室溫有一個嚴格的定義，在物理學裡面室溫就是300K，27℃。

我們最終希望找到300K以上的超導體，物理學家就去找了很多超導材料，找到了1萬多種，有機的、無機的，各種各樣，統統不好用。

愛喝水的超導 vs 有酒品的超導

物理學家發現兩個有趣的超導體，一個愛“喝水”，一個愛“喝酒”。

左圖的材料本身不超導，把它放在蒸籠裡面蒸一蒸，像蒸包子一樣蒸熟了,這個材料就變成超導體了。

右圖的材料本身也不超導，把它放到各種酒裡面泡幾遍，這個材料就超導了。但是将這個材料直接泡在乙醇（酒精）水溶液中是不超導的。這家夥特别有“酒品”，特别喜歡某種紅葡萄酒。

防曬霜裡有玄機

超導也隐藏在我們身邊。大家每天抹的防曬霜中就有超導體，裡面有一種材料叫作對三聯苯，中國科學家就發現這個材料裡面可能存在125K的超導體，當然它還沒有被實驗證實。

扭扭捏捏石墨烯

超導材料的發現很有趣。去年，來自中國科大少年班的曹原發現了扭角石墨烯，把兩層石墨烯堆在一起搭個積木，轉個角度，超導便産生了，很神奇，但是這個超導溫度很低，隻有1K左右。

室溫超導的未來

壓力山大更超導

我們到底有沒有可能實現室溫超導呢？其實，壓力大一點就可以幫科學家實現室溫超導。

比如說氫在常溫下是氣體，兩個金剛石對着壓就會變成金屬氫，金屬氫就是傳說中的室溫超導體。

制造金屬氫很難，前幾年兩位哈佛大學的教授發現金屬氫，但是在測試是否為室溫超導體的過程中金剛石碎掉了，氫就沒了。

我們可以換一種思路，做氫的化合物，做硫化氫，在材料裡面加200萬個大氣壓，也能實現200K以上的超導。

最近，科學家又發現在镧氫10裡面加200萬個左右的大氣壓，可以達到臨界溫度250K。

250K是什麼概念？是-23℃，在東北就當作室溫了。

一起去木星 挖室溫超導礦

200萬個大氣壓不是哪裡都有，在地球内部有，在木星内部有。

木星是一個巨大的氫氣球，裡面有很多的氫氣，裡面有内核，内核周圍就是金屬氫。

如果大家想找室溫超導怎麼辦？我們可以鑽到木星裡面去，就可以找到室溫超導體。

如果真正實現室溫超導的話，對我們的生活會産生什麼影響呢？比如，以後在家裡就能搞一個非常酷的懸浮沙發躺着看電視，磕瓜子。

我們走出房間，可以看到天上有懸浮的城市，地上有懸浮的汽車，不隻是懸浮的高鐵了。

未來超導世界：量子時代

生活中，可以使用超導量子器件，比如，把半導體芯片換成超導芯片就可以造量子計算機。

大家不要覺得量子計算機離我們很遠，實際上IBMQ已經存在了。

量子計算機的運算速度非常快，用現在的計算機計算可能需要100年，在量子計算機上隻需要0.1秒。

如果實現了超導可能也會幫助我們造一個非常厲害的發動機，這個時候就可以駕駛着飛船流浪整個宇宙。

超導看起來離我們很遠，實際上離我們生活非常近。我們中國也有行動計劃，計劃10年之内要有自己的量子計算機。

也許一二十年之後，大家就可以享受超導帶給我們的未來生活了。

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關于“墨子沙龍”

墨子沙龍是由中國科學技術大學上海研究院主辦、上海市浦東新區科學技術協會及中國科大新創校友基金會協辦的公益性大型科普論壇。沙龍的科普對象為對科學有濃厚興趣、熱愛科普的普通民衆，力圖打造具有中學生學力便可以了解當下全球最尖端科學資訊的科普講壇。

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