108年10個諾貝爾獎，火爆的超導能帶來什麼？

「超導研究的歷史雖然只有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。」在SELF格致論道講壇上，中國科學院物理研究所副研究員羅會仟講述了超導的過去與未來。

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係。

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，特別「高大上」。超導研究的歷史雖然只有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。

超導研究是物理里很小的分支領域，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。

電子在材料里「跑」

為什麼要研究超導呢？這是現在凝聚態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，電子在材料里「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，就是看這個電阻隨溫度怎樣變化。

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

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

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：隨著溫度下降，電阻也會減小。

材料裡面有雜質，必然產生一部分剩餘電阻，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，它的電阻隨著溫度下降而下降，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里的水銀，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候，發現溫度在4.2K以上還有0.1Ω的電阻，一旦低於4.2K，電阻就小於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別好，以至於電阻是零，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，把它放到磁場里，這個磁通線會繞著它走，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，以至於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只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，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。15%可能意味著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」里去。這個「大圓圈」是超導磁鐵，有很強的磁場。

超導磁場的解析度非常高，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，北京到上海只有半個小時，人可能不敢坐，但是以後可以用於發快遞。

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。

超精密超導量子干涉儀

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——超導量子干涉儀。

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

尋找超導材料之路

講了這麼多超導的應用，但我們發現生活中並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適呢？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。我們就去找合適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鈮，金屬鈮的Tc［超導材料由正常態轉變為超導態對應的溫度，以Tc表示］是9K，尋找鈮的化合物，比如碳化鈮、氮化鈮。

氮化鈮的Tc為16K，還不錯。再合成鈮三烯、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（那個時候把Tc高於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。

這個數字相當於看不見的天花板，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（發現鈮三鍺）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，電子的態密度要高，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，化學式叫鋇鑭銅氧。

它是准二維結構，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，只有第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釔銅氧，與鋇鑭銅氧只差了一個元素，換了一個元素之後，這個材料的Tc奇蹟般地變成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意味著我們突破了液氮溫區。

我們以前做超導只能利用液氦，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適合應用，因為它是銅氧化物，屬於陶瓷材料，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態實驗數據，跟印象派的畫一樣，亂而難懂。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。

奇蹟出現了，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的紅線又一次突破了。

這意味著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，只有一層原子的厚度。

總結一下什麼叫高溫超導。需要解釋一下，高溫超導的溫度並不高。

我們以40K的麥克米蘭紅線為標準，能夠超過40K的材料叫作高溫超導材料，目前達到這個標準的材料只有兩種，銅基和鐵基。

不同材料的臨界溫度

40K是什麼概念呢？相當於-233℃，比月球的最低溫度還要低。只是相對於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。但是將這個材料直接泡在乙醇（酒精）水溶液中是不超導的。這傢伙特別有「酒品」，特別喜歡某種紅葡萄酒。

防晒霜里有玄機

超導也隱藏在我們身邊。大家每天抹的防晒霜中就有超導體，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，超導便產生了，很神奇，但是這個超導溫度很低，只有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，兩個金剛石對著壓就會變成金屬氫，金屬氫就是傳說中的室溫超導體。

製造金屬氫很難，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，科學家又發現在鑭氫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，在地球內部有，在木星內部有。

木星是一個巨大的氫氣球，裡面有很多的氫氣，裡面有內核，內核周圍就是金屬氫。

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，對我們的生活會產生什麼影響呢？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。

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，把半導體晶元換成超導晶元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，在量子計算機上只需要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著飛船流浪整個宇宙。

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年之內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。

本文轉載自"SELF格致論道講壇"（ID:SELFtalks）

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！