108年10個諾貝爾獎，火爆的超導到底能帶來啥？
“超導研究的汗青固然只有108年，可是經由過程超導研究直接獲得諾貝爾獎的科學家一共有10位。”
我今天要講的超導與市場上的超導空調、冰箱、浴霸無關，與軍事上說的超等導彈也沒有關系。
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。片子《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，是一個很神奇的宿世界。
片子《阿凡達》劇照
這個山很是大，圖片中的直升機就是一個小黑點。山為什么可以或許懸浮在天上？因為山里面有一種神奇的礦石，室溫超導礦石。
什么是超導
經由過程超導獲諾貝爾獎的科學家們
超導的研究就像科幻片子一樣，出格“高峻上”。超導研究的汗青固然只有108年，可是經由過程超導研究直接獲得諾貝爾獎的科學家一共有10位。
超導研究是物理里很小的分支范疇，可是有這么多的科學家直接因為超導研究獲得諾貝爾獎，可見很是主要。
電子在材料里“跑”
為什么要研究超導呢？這是此刻凝集態物理所研究的一個根基的問題。我們知道，一個材料是由原子構成的，電子在材料里“跑”，必然會受到必然的阻礙，這種阻礙叫電阻。
各類各樣的導體
糊口中有各類各樣的電器，每種電器都有電阻。按照電阻巨細可以分出絕緣體、半導體、導體。
物理學家有一個很簡單的方式對其進行區分，就是看這個電阻隨溫度如何轉變。
若是電阻隨溫度下降而下降，這種物質就叫作導體；若是電阻隨溫度下降而上升，這種物質就叫作絕緣體。
溫度下降到很低的環境下，電阻會有什么轉變？早期，物理學家并不克不及解決這個問題。沒有法子做嘗試，就只能猜想。
聞名物理學家開爾文說：材料在很低的溫度下，電子會凍住，直接的成果是電阻會上升；可是物理學家馬西森預言：跟著溫度下降，電阻也會減小。
材料里面有雜質，必然發生一部門殘剩電阻，這部門電阻不受溫度影響。所以到了絕對零度，電阻依然存在。
物理學家杜瓦猜測，若是找到一個沒有任何雜質和缺陷的導體，可能就會存在一種抱負的材料，到了絕對零度的時辰，它的電阻為零。
后來，荷蘭物理學家昂尼斯的嘗試證實，以上三個猜測都不合錯誤。其實有一種材料，它的電阻跟著溫度下降而下降，到某一個溫度，電阻俄然釀成了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里的水銀，即金屬汞，為什么找這個材料呢？
因為金屬汞在常溫下是液態的，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辰，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，“超等”“導電”。超導體的導電機能出格好，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，電和磁不分炊。
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，把它放到磁場里，這個磁通線會繞著它走，無論是先加磁場后降溫變超導，仍是先降溫變超導再加磁場，成果都一樣。
磁通線進不去，以至于它內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，也是一種宏不雅量子的效應。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。
超導的根基道理
超導是有相關理論詮釋的，這個理論就叫作BCS理論，以三位科學家名字定名，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，好比愛因斯坦、費曼、海森堡等人都曾試圖解決超導的問題，都掉敗了。可是，這三位科學家當作功了。
他們猜測了從一個電子釀成兩個電子的環境，一個電子零丁跑必定會受到阻礙，兩個電子配對跑為什么不會受到阻礙呢？
單行苦奔遇阻力 雙結生翅當作超導
我們可以把電子當當作只有一個同黨的小蜜蜂，一個同黨的小蜜蜂飛不起來，可是左同黨抱右同黨，兩個蜜蜂配對就飛起來了，這叫作雙結生翅當作超導。這是BCS理論的精髓。
三位科學家中有一個主要的人物叫Bardeen，他是宿世界上獨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現半導體晶體管，改變了整小我類宿世界。
超導應用
超導有良多主要的效應，有電和磁的效應，有熱力學的效應，可是超導材料到底有什么用呢？
無損耗超導輸電
起首，一切用到電和磁的處所都可以用到超導體。好比輸電，為了削減輸電的損耗，只能加幾千伏上萬伏的電壓，即使這樣仍是會有大約15%的損耗。
若是用超導，就可以把這個損耗免卻，因為它的電阻是零。15%可能意味著今后人類的能源能多用100～200年，這長短常主要的。
高分辯超導核磁共振當作像
若是列位去病院做核磁共振，大夫會讓你把身上的金屬物品摘失落，因為我們要進入這個“大圓圈”里去。這個“大圓圈”是超導磁鐵，有很強的磁場。
超導磁場的分辯率很是高，以今朝的手藝程度，把大腦里面上百億個神經元全數測清晰也是指日可待的。今后想知道你腦殼里想什么，掃一掃就可以了。
高速超導磁懸浮列車
糊口中，大師比力熟悉的可能是高速超導磁懸浮列車。此刻坐高鐵，海說神聊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。
科學家有一個很斗膽的設法，若是把這個磁懸浮的軌道放在真空管道里面去，這個時辰沒有空氣阻力，速度有多快呢？
至少能達到3000千米每小時以上，若是以3000千米每小時的速度行駛，海說神聊京到上海只有半個小時，人可能不敢坐，可是今后可以用于發快遞。
高場超導加快器磁體
根本研究也很是主要，粒子物理學研究這幾年很是火。希格斯粒子研究也拿到了諾貝爾獎。
現在做高能物理嘗試的粒子學家分開超導體就無法工作了，因為要把粒子加快器的能量提到很高，必需依靠很強的超導磁體，沒有超導磁體他們也許就無法進行嘗試。
超緊密超導量子干與儀
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。超導體可以做當作一個器件——超導量子干與儀。
這個器件有什么感化呢？它是宿世界上最緊密的磁探測器，一根磁通線都能測出來。
好比，芯片做好之后呈現問題，不知道哪里斷了，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
講了這么多超導的應用，但我們發現糊口中并沒有人利用超導手機、超導電腦、超導電視和超導冰箱等。
什么超導不克不及像片子中那樣普適呢？原因很簡單，就是我們找到的所有超導材料都欠好用。
一個好用的超導體需要“三高”
要找到一個好用的超導體，必需具備“三高”，“三高”包羅高臨界溫度，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，磁場太強也會粉碎超導，電流太大也不可，必需三個前提都很高，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么樣提高臨界磁場和臨界電流密度。我們就去找合適的高臨界溫度超導材料。從第一個金屬汞起頭。
超導單質元素
后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。成果令人驚奇，發現良多元素單質都是超導體，可是導電最好的金、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，好比說最崇高高貴導溫度的單質是金屬鈮，金屬鈮的Tc［超導材料由正常態改變為超導態對應的溫度，以Tc暗示］是9K，尋找鈮的化合物，好比碳化鈮、氮化鈮。
氮化鈮的Tc為16K，還不錯。再合當作鈮三烯、鈮三鍺一系列的化合物，科學家發現鈮三鍺這個材料的超導溫度可以達到23.5K，很高了（那個時辰把Tc高于20K以上的叫作高溫超導體）。
麥克米蘭紅線：看不見的天花板
找了各類化合物之后，理論家還做了個計較，成果比力灰心：超導溫度似乎是有上限的，上限是40k。
這個數字半斤八兩于看不見的天花板，仿佛超導材料Tc永遠都超不外40K。
馬蒂亞斯：老司機的警告
嘗試物理學家也喜好預言。好比，一位名為布蘭德·馬蒂亞斯的物理學家（發現鈮三鍺）認為摸索新的高溫超導材料有6個前提：
晶體布局高對稱性，電子的態密度要高，不克不及有氧，不克不及有磁性，不克不及是絕緣體，不要相信理論家的亂說八道。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，化學式叫鋇鑭銅氧。
它是準二維布局，低載流子濃度，氧化物，母體是絕緣體，有磁性，這申明前面5條全錯了，只有第6條可能對。這個材料的超導溫度可以或許達到35K，已經迫近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。為什么他們能這么快獲得諾貝爾獎？
這要感激中國人，是中國人的幫忙讓兩人這么快就獲得了諾貝爾獎。
來自華人宿世界的神助攻
他們本家兒如果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傳授以及臺灣中心研究院院長吳茂昆。
他們發現一個材料叫做鋇釔銅氧，與鋇鑭銅氧只差了一個元素，換了一個元素之后，這個材料的Tc古跡般地釀成93K。
這是什么概念？40K的紅線不存在了，理論家的預言被推翻。93K意味著我們沖破了液氮溫區。
我們以前做超導只能操縱液氦，液氦很貴。一升液氦需要好幾百元，而一升液氮只要1元。
銅基高溫超導體
因為溫度很高且價錢廉價，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，今朝能達到134K的超導溫度，加壓可以達到165K。
“高富帥”的懊惱
溫度高了就好了嗎？固然溫度高，但我們發現這個材料不太適合應用，因為它是銅氧化物，屬于陶瓷材料，很脆，一碰就會碎失落。
為了庇護這種材料，要覆上多層薄膜等很復雜的工具才勉強能利用，所以這種材料“欠好用”。
“印象派”的抓狂
那么我們能不克不及詮釋這種材料的超導溫度為什么這么高，進而尋找到Tc更高的超導材料呢？
這是高溫超導的電子態嘗試數據，跟印象派的畫一樣，亂而難明。我們只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主要的材料——鐵基超導體，發現者是日本科學家細野秀雄。他發現鑭鐵砷氧氟材料的超導溫度可以達到26K。
20k以上已經很高了。中國科學家靈敏地注重到這個材料很主要，接著把鑭氧鐵砷氟中的鑭換當作了其他的鑭系元素。
古跡呈現了，他們發現換了一個元素的釤鐵砷氧氟的超導溫度可以達到55K。從26K到55K是質的飛躍，40K的紅線又一次沖破了。
這意味著新一代的高溫超導體已經降生，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”
此刻，科學家發現了良多鐵基高溫超導體的家族當作員，其實良多鐵基超導體是中國人發現的。
鐵基超導塊體材料今朝最高溫度可以達到55K，薄膜可以達到65K，并且這個鐵硒薄膜很神奇，只有一層原子的厚度。
總結一下什么叫高溫超導。需要詮釋一下，高溫超導的溫度并不高。
我們以40K的麥克米蘭紅線為尺度，可以或許跨越40K的材料叫作高溫超導材料，今朝達到這個尺度的材料只有兩種，銅基和鐵基。
分歧材料的臨界溫度
40K是什么概念呢？半斤八兩于-233℃，比月球的最低溫度還要低。只是相對于第一個超導材料金屬汞來說溫度高一些罷了。
我們人類但愿可以或許找到室溫超導體，室溫有一個嚴酷的界說，在物理學里面室溫就是300K，27℃。
我們最終但愿找到300K以上的超導體，物理學家就去找了良多超導材料，找到了1萬多種，有機的、無機的，各類各樣，十足欠好用。
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”。
左圖的材料自己不超導，把它放在蒸籠里面蒸一蒸，像蒸包子一樣蒸熟了，這個材料就釀成超導體了。
右圖的材料自己也不超導，把它放到各類酒里面泡幾遍，這個材料就超導了。可是將這個材料直接泡在乙醇（酒精）水溶液中是不超導的。這家伙出格有“酒品”，出格喜好某種紅葡萄酒。
防曬霜里有玄機
超導也埋沒在我們身邊。大師天天抹的防曬霜中就有超導體，里面有一種材料叫尷尬刁難三聯苯，中國科學家就發現這個材料里面可能存在125K的超導體，當然它還沒有被嘗試證實。
扭扭捏捏石墨烯
超導材料的發現很有趣。客歲，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路搭個積木，轉個角度，超導便發生了，很神奇，可是這個超導溫度很低，只有1K擺布。
室溫超導的將來
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。
好比說氫在常溫下是氣體，兩個金剛石對著壓就會釀成金屬氫，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傳授發現金屬氫，可是在測試是否為室溫超導體的過程中金剛石碎失落了，氫就沒了。
我們可以換一種思緒，做氫的化合物，做硫化氫，在材料里面加200萬個大氣壓，也能實現200K以上的超導。
比來，科學家又發此刻鑭氫10里面加200萬個擺布的大氣壓，可以達光臨界溫度250K。
250K是什么概念？是-23℃，在東海說神聊就看成室溫了。
一路去木星 挖室溫超導礦
200萬個大氣壓不是哪里都有，在地球內部有，在木星內部有。
木星是一個龐大的氫氣球，里面有良多的氫氣，里面有內核，內核四周就是金屬氫。
若是大師想找室溫超導怎么辦？我們可以鉆到木星里面去，就可以找到室溫超導體。
若是真正實現室溫超導的話，對我們的糊口會發生什么影響呢？好比，今后在家里就能搞一個很是酷的懸浮沙發躺著看電視，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，不只是懸浮的高鐵了。
將來超導宿世界：量子時代
糊口中，可以利用超導量子器件，好比，把半導體芯片換當作超導芯片就可以造量子計較機。
大師不要感覺量子計較機離我們很遠，現實上IBMQ已經存在了。
量子計較機的運算速度很是快，用此刻的計較機計較可能需要100年，在量子計較機上只需要0.1秒。
若是實現了超導可能也會幫忙我們造一個很是厲害的策動機，這個時辰就可以駕駛著飛船流離整個宇宙。
超導看起來離我們很遠，現實上離我們糊口很是近。我們中國也有步履打算，打算10年之內要有本身的量子計較機。
也許一二十年之后，大師就可以享受超導帶給我們的將來糊口了。
本文經授權轉載自公家號“SELF格致論道講壇”。
撰文 | 羅會仟
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羅會仟
中國科學院物理研究所副研究員
《返樸》，一群大科學家領航的好科普。國際聞名物理學家文小剛與生物學家顏寧配合出任總編纂，與數十位分歧范疇一流學者構成的編委會一路，與你配合求索。存眷《返樸》介入更多會商。二次轉載或合作請聯系fanpusci@163.com。
- 發表于 2019-08-02 01:00
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