百年研究歷史,10次摘得諾獎,這個“小學科”為何如此重要？

超導研究的歷史雖然只有112年，但通過超導研究直接獲得諾貝爾獎的科學家迄今已有10位。超導研究是物理學中一個很小的分支領域，卻誕生了這么多諾獎，可見它非常重要。

超導是凝聚態物理研究的一個基本問題。我們知道，材料是由原子組成的，電子在材料里“跑”，必然會受到一定的阻礙，這種阻礙叫“電阻”。根據電阻大小，我們可以分出絕緣體、半導體、導體。物理學家有一個很簡單的方法對其進行區分，就是看電阻隨溫度怎樣變化。如果電阻隨溫度下降而下降，這種物質叫作“導體”；如果電阻隨溫度下降而上升，這種物質叫作“絕緣體”。

那么，超導體是如何發現并不斷發展的呢？我們來簡單追溯一下它的發展歷史。

（圖片來源：www.gizmag.com）

超導體三大特性逐步揭秘

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

1911年，荷蘭物理學家昂尼斯發現金屬汞在-269℃時電阻突然消失，并因發現“超導電性”而獲得1913年諾貝爾物理學獎。

所謂“超導”，指的是“超級導電”。不過，超導還有一個很神奇的磁效應。1933年，德國科學家邁斯納因發現了超導的完全抗磁性，即磁場不能穿越超導體內部——磁通線進不去，以至于它內部的磁感應強度也是零。

有零電阻和抗磁性兩個效應，我們就說這是超導體了。然而，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物理學家在1950年左右提出的，他們先后獲得了諾貝爾物理學獎。

目前比較成熟的超導理論解釋是BCS理論，以其發明者巴丁（J.Bardeen）、庫珀（L.V.Cooper）、施里弗（J.R.Schrieffer）的名字首字母命名。這三位科學家推測了一種情況：在材料內部，一個電子單獨跑肯定會受到阻礙，兩個電子配對跑為什么不會受到阻礙呢？我們可以把電子當成只有一只翅膀的小蜜蜂，一只翅膀的小蜜蜂飛不起來，但是左翅膀抱右翅膀，兩只小蜜蜂配對就飛起來了，這叫作“雙結生翅成超導”。這就是BCS理論的精髓。

這三位科學家中，巴丁還是世界上唯一一位兩次獲得諾貝爾物理學獎的人。他第一次獲諾獎是因為發明半導體晶體管，改變了整個人類世界。

不懈追尋“三高”超導體

要找到一個好用的超導體，必須具備“三高”，即高臨界溫度、高臨界磁場和高臨界電流密度。但要同時達到“三高”很難，物理學家并不知道具體怎么做才能提高臨界磁場和臨界電流密度。于是，大家就去找合適的高臨界溫度超導材料。

從元素單質到元素化合物，科學家努力尋找更高超導溫度的材料。曾經，科學家認為超導溫度的上限是40K，并將之稱為“麥克米蘭極限”。

不過，1986年，兩位來自IBM的科學家發現一種氧化物的超導溫度能夠達到35K，已經逼近40K紅線。他們在1987年獲得諾貝爾獎。緊隨其后，中國科學院物理研究所的趙忠賢、美國休斯頓大學的朱經武和阿拉巴馬大學的吳茂昆等人發現了一種名為鋇釔銅氧的材料，其超導溫度高達93K。

93K不僅意味著40K的極限不復存在，還意味著科學家從此進入了液氮溫區，可以用液氮做超導實驗。而之前做超導只能利用液氦——一升液氦需要好幾百元，而一升液氮只要幾元。

此后，科學家找到了一系列的銅氧化物高溫超導材料，目前已能達到134K的超導溫度，加壓可以達到165K。雖然溫度高，但人們發現銅氧化物屬于陶瓷材料，一碰就會碎，為了更好使用這種材料，需要做成復雜的復合結構線帶材。

2008年，日本科學家細野秀雄家發現了一種很重要的材料——鐵基超導體鑭鐵砷氧氟，其超導溫度可達26K。

中國科學家敏銳地注意到這個材料很重要，接著把鑭氧鐵砷氟中的鑭換成了其他的鑭系元素，結果他們獲得的釤鐵砷氧氟，超導溫度可以達到55K。

這就是第二大高溫超導體家族——鐵基高溫超導體。現在，科學家發現了這個家族的很多成員，其中很多是中國人發現的。鐵基超導塊體材料目前最高超導溫度可以達到55K，鐵硒薄膜材料至少可以達到65K，而且這個鐵硒薄膜很神奇，只有一層原子的厚度。

（圖源：視覺中國）

未來生活期待室溫超導

超導有很多重要的效應，但是超導材料到底有什么用呢？

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，只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。節約下來的這15%的電能，可能意味著人類的能源能多用100至200年，這是非常重要的。

再以超導磁懸浮列車為例。現在坐高鐵，北京到上海最快的速度是每小時350千米，而日本試驗的超導磁懸浮列車能達到時速600千米以上。如果再去除空氣阻力，其時速至少能達到3000千米以上——北京到上海只需半小時就到了。即使人不一定受得了這個速度，但可以用于貨物運輸。

超導體在基礎研究領域的應用也非常重要。比如，粒子物理學中希格斯粒子的發現已經獲得了諾貝爾物理學獎。可以說，如今做高能粒子對撞實驗的物理學家離開超導體就無法工作。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，沒有高場超導加速器磁體，他們也許就無法進行實驗。

除了可以承載很強的磁場和電流，超導還有弱電應用。超導體可以做成一個器件——超精密超導量子干涉儀。這是世界上最精密的一種磁探測器。比如，芯片做好之后如果出現問題，不知道哪里斷了，用這個探測器一掃就知道了，哪怕極細的納米級芯片都可以檢測出來。