超導材料

 

借助氣、聲、磁、電等外界作用力，只要能抵消重力的影響就可以使物體懸浮。現實世界中，我們身邊的懸浮現象比比皆是。飛鳥和魚蝦利用空氣或水的浮力、火箭依靠往下劇烈噴射的氣體推力都可以實現懸浮，而超導磁懸浮似乎是最具有神秘魅力的。

那么，究竟什么是超導呢？超導是指某些材料在溫度降到低于某一特定溫度的時候，電阻突然變為零的現象。這類材料被稱為超導材料，對應發生超導現象的溫度點就叫作超導臨界溫度。如果你給一個環形的超導體通上電流并斷開回路的話，電流將持續不斷地在超導環里面流動而幾乎不衰減。這是因為材料內部的電子在低溫下已經兩兩配對，并且電子對都是步調一致的，從而抵消了運動過程中可能產生的電阻效應。如果將超導體置于磁場環境下的話，超導感應電流的存在將使得超導體內自動形成一個如“金鐘罩”“鐵布衫”一樣的屏蔽場，有效抵消了外界磁場，導致超導體內磁場為零。這便是超導體的另一種特性——完全抗磁性。完全抗磁性的存在，導致磁力線無法進入超導體內部，超導體對靠近的磁性材料有著強烈的排斥作用，如果排斥力正好抵消重力，磁懸浮也就實現了。

 

提出常規金屬超導理論的美國物理學家巴丁（左）、庫珀（中）、施里弗（右）

 

其實，超導材料在現實生活中并不罕見，元素周期表中大部分金屬元素單質都是超導體，一些非金屬材料在高壓下也是超導體。遺憾的是，這些超導體的臨界溫度都非常苛刻，比如，于1911年發現的第一個超導體金屬汞的臨界溫度在4開（ 269℃），已經接近絕對零度，直到1986年以前，最高臨界溫度的超導體是鈮鍺合金（Nb3Ge），僅為23開。要達到如此低的溫度需要依賴昂貴的液氦來制冷，這就為超導實驗帶來了諸多局限，超導用于實際生活更是遙不可及。

1957年，物理學家巴丁、庫珀和施里弗建立了傳統超導體的BCS理論并成功解釋了金屬單質和合金中的超導現象。理論物理學家據此預言，超導臨界溫度將不可能超越40開（ 233℃）。然而實驗物理學家并沒有放棄對更高轉變溫度超導體的探索。功夫不負有心人，1986年，德國科學家柏諾茲和瑞士科學家穆勒在通常認為是絕緣體的鑭鋇銅氧（La-Ba-Cu-O）陶瓷材料中發現了35開（-238℃）的超導電性，緊接著華人科學家朱經武、吳茂坤以及中國科學家趙忠賢等人發現了具有93開（ 180℃）超導的釔鋇銅氧（Y-Ba-Cu-O）體系。最終這類銅氧化物超導體最高臨界溫度提高到了165開（ 108℃）附近，從而被稱為高溫超導體。高溫超導體的臨界溫度邁入了液氮溫區，大大降低了研究和應用的成本。然而人們很快發現這種高溫超導材料具有陶瓷特性因而存在可塑性差、臨界電流密度低等先天缺陷，而且其超導微觀機理比常規金屬超導體要復雜得多，至今人們也沒有一致的認識。于是，科學家又加快了超導材料探索的腳步，陸續發現了許多超導新家族，其中具有代表性的是：2001年臨界溫度高達39開的二硼化鎂超導體被日本科學家發現；2008年日本科學家細野秀雄等發現了26開超導的鑭鐵砷氧（La-Fe-As-O）體系，隨后在中、美、德、日等多國科學家努力下在短短3個月內將臨界溫度提升到了56開，并在這個超導家族發現了更多新成員。這類超導體被稱為“鐵基超導體”，是目前最為龐大的超導家族。諸多新超導體的不斷涌現，讓超導研究領域高潮迭起，人類對超導的不斷深入認識也極大地推進了現代凝聚態物理的研究。

 

用超導磁發射太空飛船（設計圖）

 

歷史上，已經至少有10位科學家因超導研究獲得了諾貝爾物理學獎。在新超導材料探索和超導機理研究隊伍中，華人的身影越來越多，他們為超導研究做出了許多重要貢獻。如今，從合金到氧化物，再到鐵基超導，乃至有機超導材料等，超導的微觀機理都不盡相同，似乎暗示“條條大路通超導”。人們完全有理由相信在不久的將來，科學家有可能發現臨界溫度在室溫300開（約25℃）附近的室溫超導體。

高溫超導材料釔鋇銅氧

電影中的懸浮山在現實中會存在嗎

圖文簡介

借助氣、聲、磁、電等外界作用力，只要能抵消重力的影響就可以使物體懸浮。1957年，物理學家巴丁、庫珀和施里弗建立了傳統超導體的BCS理論并成功解釋了金屬單質和合金中的超導現象。