也许十年二十年后，
每个人都可以享受超导给我们带来的未来生活。
《格致论道》第38期| 2019 年 4 月 28 日
今天我要说的超导，和市面上的超导空调、冰箱、浴室取暖器没有任何关系，也和军事上的超级导弹没有任何关系。
我们今天所说的超导性，就和图中神奇的悬浮矿石有关。 电影《阿凡达》给我印象最深的就是潘多拉星球上的山脉。 这些山并不是长在地上，而是长在天上。 这是一个非常神奇的世界。
这座山很大，而图中的直升机只是一个小黑点。 山为什么可以悬浮在空中？ 因为山里有一种神奇的矿石，常温超导矿石。
什么是超导性？
超导研究就像科幻电影，特别“高端”。
虽然超导研究的历史只有108年，但通过超导研究直接获得诺贝尔奖的科学家一共有10位。 超导研究是物理学的一个小分支，但这么多科学家直接因为超导研究获得诺贝尔奖，可见其非常重要。
为什么要研究超导？ 这是凝聚态物理目前正在研究的一个基本问题。 我们知道物质是由原子组成的。 电子在材料中“奔跑”时，不可避免地会遇到一定的障碍。 这种障碍称为阻力。
生活中有各种各样的电器，每种电器都有电阻。 按电阻大小可分为绝缘体、半导体和导体。 物理学家有一个非常简单的方法来区分，那就是观察电阻如何随温度变化。 如果电阻随温度降低而减小，则该物质称为导体； 如果电阻随着温度降低而增加，则该物质称为绝缘体。
当温度降至很低的温度时，电阻会发生什么变化？ 早期，物理学家无法解决这个问题。 没有办法做实验，所以我们只能猜测。
著名物理学家开尔文说：当材料处于很低的温度时，电子会冻结，直接的结果就是电阻增大； 但物理学家马西森预测，随着温度下降，电阻也会减小。 材料中存在杂质，必然会产生一部分残余电阻。 这部分电阻不受温度影响。 因此，在绝对为零的情况下，阻力仍然存在。
物理学家杜瓦推测，如果找到一种没有任何杂质和缺陷的导体，那么可能就有一种理想的材料。 当达到绝对零时，其电阻为零。
后来荷兰物理学家奥尼斯的实验证实了上述三个猜想都是错误的。 事实上荷兰的物理学家，有一种材料的电阻随着温度的下降而降低。 在一定温度下，电阻突然变成0。科学家发现的第一个超导材料是水银温度计中的水银，即金属汞。 他们为什么要寻找这种材料？
由于金属汞在室温下是液态，因此它是一种几乎没有杂质和缺陷的完美金属。 测量这种材料的电阻时发现，当温度在4.2K以上时，仍有0.1Ω的电阻。 一旦低于4.2K，电阻就小于10-5Ω，无法测量。 阻力为0。奥尼斯称这种现象为“超导”。
我们今天要找的超导体，其实是分解了“超”和“导”这两个词。 超导体的导电性能非常好，其电阻为零。 这项研究发现荣获1913年诺贝尔物理学奖。
超导还有一个非常神奇的属性，它同样具有磁效应。 我们常说电产生磁，磁产生电，电和磁密不可分。
1933年，德国科学家迈斯纳发现了超导磁效应。 简而言之，超导体是完全抗磁性的。 图中的蓝色球代表超导体。 如果将其放入磁场中，磁力线将围绕其旋转。 无论是先加磁场然后冷却超导，还是先冷却超导再加磁场，结果都是一样的。 相同的。
磁力线无法进入，因此其内部的磁感应强度也为零。 它同时具有电效应和磁效应，所以我们说它是超导体。
超导性还有第三个效应——超导热力学效应。 超导是一种热力学现象，也是一种宏观量子效应。
超导热力学效应由三位理论家于1950年提出，并于2003年获得诺贝尔奖。
超导性是由相关理论解释的。 这个理论称为BCS理论，以三位科学家的名字命名，一位是，一位是，一位是，一位是，BCS是他们名字的缩写。
在这个理论提出之前，我们熟悉的一些物理学家，比如爱因斯坦、费曼、海森堡等，都试图解决超导问题，但都失败了。 然而，这三位科学家成功了。 他们推测从一个电子到两个电子的变化。 一个电子单独运行时肯定会受到阻碍。 为什么两个电子成对运行时不会受到阻碍？
我们可以将电子想象成一只只有一只翅膀的蜜蜂。 一只只有一只翅膀的蜜蜂不能飞，但如果左翼按住右翼，两只蜜蜂就会配对飞行。 这称为双翼超导。 这就是BCS理论的精髓。
三位科学家之一是一位重要人物。 他是世界上唯一两次获得诺贝尔物理学奖的人。 他第一次获得诺贝尔物理学奖是因为他发明了半导体晶体管，改变了整个人类世界。
超导的应用
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超导具有许多重要效应，包括电效应、磁效应以及热力学效应。 但超导材料有什么用途呢？
首先，只要有电和磁的地方就可以使用超导体。 例如，在电力传输中，为了减少传输损耗，我们只能加几千到万伏的电压。 即便如此，仍然会有15%左右的损失。 如果使用超导，则可以节省这种损耗，因为它的电阻为零。 15%可能意味着人类的能源在未来还可以使用100到200年，这是非常重要的。
如果你去医院做核磁共振，医生会要求你把身上的金属物体摘掉，因为我们要进入这个“大圈子”。 这个“大圆圈”是一个具有强磁场的超导磁体。 超导磁场的分辨率非常高。 以目前的技术水平，可以在短时间内清晰测量大脑中全部数百亿个神经元。 如果你想知道你未来脑子里在想什么，只需扫描一下即可。
日常生活中，高速超导磁浮列车可能是大家比较熟悉的一种。 现在乘坐高铁，北京到上海最快时速为350公里每小时，高铁测试时速可达450公里每小时。 超导磁浮列车的速度有多快？ 在日本的测试中，速度可以达到每小时600公里以上。
科学家们有一个非常大胆的想法。 如果把这个磁悬浮轨道放在真空管中，在没有空气阻力的情况下，它能走多快？ 时速至少可以达到3000公里。 如果以每小时3000公里的速度行驶，从北京到上海只需半小时。 人们可能不敢拿，但是以后可以用来快递。
基础研究也很重要，粒子物理研究近年来很热门。 对希格斯粒子的研究也获得了诺贝尔奖。 如今，进行高能物理实验的粒子科学家离不开超导体，因为要将粒子加速器的能量提高到非常高的水平，就必须依靠非常强的超导磁体。 如果没有高场超导加速器磁体，他们可能无法进行实验。 。
超导可以承载强磁场和电流。 这就是前面提到的超导的强电应用。 事实上，超导也有弱电应用。 超导体可以制成一种装置——超精密超导量子干涉仪。
这个设备有什么作用？ 它是世界上最先进的磁性检测器，甚至可以检测单个磁通线。 比如芯片做出来之后有问题，你不知道哪里坏了，你可以用这个检测仪扫描一下就知道了。 它甚至可以扫描出极其精细的纳米级芯片。
寻找超导材料
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我们讲了那么多超导的应用，但我们发现日常生活中没有人使用超导手机、超导电脑、超导电视、超导冰箱等。 还有什么超导不能像电影里那样普遍呢？ 原因很简单：我们发现的所有超导材料都不容易使用。
要找到有用的超导体，必须具备“三高”。 “三高”包括高临界温度、高临界磁场、高临界电流。 超导体必须具有足够的温度才能实现超导。 磁场太强会破坏超导，电流太大也不起作用。 所有这三个条件都必须满足，这种材料才能发挥作用。
这三个方面都很高是非常困难的。 物理学家并不确切知道如何增加临界磁场和临界电流密度。 让我们寻找合适的高临界温度超导材料。 从第一个金属汞开始。
后来，科学家扫描了整个元素周期表，并测试了每个元素的元素，看看它们是否具有超导性。 结果令人惊讶。 人们发现，许多元素都是超导体，但导电性能最好的金、银、铜却不是超导体。
找到元素后，我们开始寻找元素化合物。 例如，超导温度最高的元素是金属铌。 金属铌的Tc[超导材料从常态转变为超导态所对应的温度，用Tc表示]为9K。 查找铌化合物，例如碳化铌和氮化铌。
氮化铌的Tc为16K，还不错。 在合成了铌三烯和铌三锗的一系列化合物后，科学家发现铌三烯的超导温度可以达到23.5K，这是非常高的（当时Tc高于20K的称为高温超导体）。
寻找了各种化合物后，理论家也做了计算，结果比较悲观：超导温度似乎有一个上限，上限是40k，被称为麦克米伦红线。 这个数字相当于一个看不见的天花板。 看来超导材料的Tc永远不会超过40K。
实验物理学家也喜欢预测。 例如，一位名叫布兰德·马蒂亚斯（发现铌和锗）的物理学家认为，探索新型高温超导材料有六个条件：晶体结构高度对称，最好是立方结构； 电子的态密度必须很高； 必须没有氧气； 它不能是磁性的； 它不能是绝缘体； 不要相信理论家的废话。 这 6 项中哪一项是正确的？
J. Georg 和 K. Alex 是来自 IBM 的两位科学家。 他们发现的超导材料是一种氧化物，其化学式称为氧化钡镧铜。 它具有准二维结构，载流子浓度低，氧化物，基体是绝缘体，具有磁性。 这意味着前五项都是错误的，只有第六项可能是正确的。 这种材料的超导温度可以达到35K，接近40K红线。
这种材料是1986年12月发现的，1987年10月获得诺贝尔奖。为什么他们这么快就获得诺贝尔奖呢？ 这要感谢中国人的帮助，让两人这么快就获得了诺贝尔奖。
他们主要是中国科学院物理研究所赵忠贤院士、休斯敦大学朱景武教授、台湾中央研究院院长吴茂琨等。 他们发现了一种名为钡钇铜氧化物的材料，它与钡镧铜氧化物仅存在一种元素不同。 改变一种元素后，这种材料的Tc奇迹般地变成了93K。
这是什么概念？ 40K红线不复存在，理论家的预测被推翻。 93K意味着我们已经突破了液氮温度区。 过去我们只能用液氦来进行超导，而且液氦非常昂贵。 一升液氦要几百元，而一升液氮只要1元。
由于温度很高且价格便宜，科学家们发现了一系列铜酸盐高温超导材料。 铜基高温超导体目前可以达到134K的超导温度，加压时可以达到165K。
温度越高越好吗？ 虽然温度很高，但我们发现这种材料不适合应用，因为它是氧化铜，一种陶瓷材料，非常脆，一碰就会碎。 为了保护这种材料，必须要在其上覆盖多层薄膜等非常复杂的东西才可以使用，所以这种材料“不好用”。
那么我们能否解释一下为什么这种材料的超导温度这么高荷兰的物理学家，然后找到Tc更高的超导材料呢？ 这是高温超导的电子态实验数据。 就像一幅印象派画作，凌乱难懂。 我们只能看看是否有新的道路可走。
2008年，科学家发现了一种非常重要的材料——铁基超导体。 发现者是日本科学家细野英夫。 他发现镧铁砷氟氧化物材料的超导温度可达26K。
20k以上已经很高了。 中国科学家敏锐地注意到这种材料非常重要，进而用其他镧系元素取代了镧氧铁、砷和氟中的镧。 奇迹发生了。 他们发现，钐铁、砷、氧和氟化物被另一种元素取代后，超导温度可达55K。 从26K到55K是一个质的飞跃，40K的红线再次被突破。
这意味着新一代高温超导体已经诞生，这就是高温超导体第二大家族——铁基高温超导体。
见证“中国速度”
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现在，科学家们已经发现了许多铁基高温超导体家族成员。 事实上，很多铁基超导体都是中国人发现的。 目前铁基超导块体材料最高温度可达55K，薄膜可达65K。 而且，这个铁硒薄膜很神奇，只有一层原子厚。
我们来总结一下什么是高温超导。 需要说明的是，高温超导的温度并不高。 我们使用40K麦克米伦红线作为标准。 能超过40K的材料称为高温超导材料。 目前符合该标准的材料只有铜基和铁基两种。
40K是什么概念？ 相当于-233℃，低于月球最低温度（-180℃）。 只不过温度比第一种超导材料金属汞要高。
我们人类希望找到室温超导体。 室温有严格的定义。 在物理学中，室温是 300K 和 27°C。 我们最终希望找到温度在300K以上的超导体。 物理学家寻找了很多超导材料，发现了超过10000种，包括有机和无机材料物理资源网，这些材料都很难使用。
物理学家发现了两种有趣的超导体，一种爱“喝水”，一种爱“喝酒”。 左图中的材料本身并不具有超导性。 如果把它放进蒸锅里像蒸包子一样蒸，这种材料就会变成超导体。
右边的材料本身并不是超导的。 如果将其浸泡在各种酒中数次，该材料就会变得超导。 但如果将这种材料直接浸泡在乙醇（酒精）水溶液中，它就不会具有超导性。 这家伙有一种特殊的“酒味”，喜欢某种红酒。
超导性也隐藏在我们身边。 大家每天涂的防晒霜里都有超导体。 里面有一种叫做对三联苯的物质。 中国科学家发现这种材料中可能存在125K超导体。 当然，还没有得到实验证实。
超导材料的发现很有趣。 去年（2018年），中国科学技术大学少年班的曹原发现了扭曲角石墨烯。 他将两层石墨烯堆叠在一起，搭建积木，转动角度，超导性就产生了。 很神奇，但是这种超导温度很低，只有1K左右。
室温超导的未来
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我们有可能实现室温超导吗？
事实上，更高的压力可以帮助科学家实现室温超导。 例如，氢气在室温下是气体。 当两颗钻石相互挤压时，它会变成金属氢。 金属氢是传说中的室温超导体。
制造金属氢很困难。 哈佛大学的两位教授几年前发现了金属氢，但在测试它是否是室温超导体的过程中，钻石破裂，氢消失了。 我们可以换个思路，制造氢化合物，制造硫化氢，给材料加上200万个大气压，也可以实现200K以上的超导。
最近，科学家发现，在镧氢10中加入约200万个大气压，可以达到250K的临界温度。 250K是什么概念？ -23℃，在东北算是室温。
200万个大气压并非随处可见。 它们存在于地球内部和木星内部。 木星是一个巨大的氢气球，里面有大量的氢气。 内部有一个核心，核心被金属氢包围。 如果你想找到室温超导体怎么办？ 我们可以深入木星并找到室温超导体。
如果室温超导真正实现，会对我们的生活产生什么影响？ 比如，将来你可以在家里有一个非常酷的漂浮沙发，你可以躺在上面看电视、嗑瓜子。 当我们走出房间时，我们可以看到天空中悬浮的城市，地面上悬浮的汽车，而不仅仅是悬浮的高铁。
在日常生活中，可以使用超导量子器件。 例如，可以通过用超导芯片代替半导体芯片来构建量子计算机。 不要以为量子计算机离我们很远。 事实上，IBMQ 已经存在。 量子计算机的计算速度非常快。 用现在的计算机计算可能需要100年，但在量子计算机上只需要0.1秒。
如果超导得以实现，也可能帮助我们建造一个非常强大的发动机。 这个时候，我们就可以驾驶飞船去漫游整个宇宙了。
超导看似离我们很遥远，但实际上离我们的生活却很近。 中国还制定了在10年内拥有自己的量子计算机的行动计划。
也许十年、二十年后，每个人都能够享受到超导给我们带来的未来生活。