劉興亮 | 極簡超導(dǎo)技術(shù)史

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偉大作家馬爾克斯在小說《百年孤獨》中描繪了一個奇幻的故事開頭：「多年以后，面對行刑隊，奧雷里亞諾·布恩迪亞上校將會回想起父親帶他去見識冰塊的那個遙遠(yuǎn)的下午。」

生活在熱帶的人從未見過冰這種神奇的事物，超出自然感知范圍的溫度在接觸者狂熱的頭腦中激起了神秘莫測的幻覺，自然的深邃廣大、宇宙的無窮無盡，因一種奇怪的觸覺變化而顯現(xiàn)。

它的背后是一種能被規(guī)定和把握的物理現(xiàn)象，即液體隨溫度降低而凝結(jié)，反之則氣化。

溫度變化無論在物理學(xué)領(lǐng)域，還是化學(xué)領(lǐng)域，都是實驗者對不同物質(zhì)進(jìn)行觀察、審思、追求差異結(jié)果的主要途徑。

1911年，荷蘭科學(xué)家海克·卡末林·昂內(nèi)斯（Heike Kamerlingh Onnes）在研究低溫下金屬的電阻行為時，意外發(fā)現(xiàn)將汞冷卻到極低的溫度時，其電阻突然完全消失了。這種電阻為零的現(xiàn)象（同時會把外加磁場完全排斥出去，表現(xiàn)出完全抗磁性），他稱之為超導(dǎo)態(tài)（Superconductivity）。

昂內(nèi)斯因這一發(fā)現(xiàn)以及氦液化技術(shù)，榮獲了1913年諾貝爾物理學(xué)獎，超導(dǎo)研究的大門從此被打開。

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這意味著什么呢？

由于多數(shù)導(dǎo)體靠電子的活躍性實現(xiàn)電力的傳輸，電在傳導(dǎo)過程中是有損耗的，所以電線才會發(fā)熱，阻力太大就會燒斷，導(dǎo)致短路。倘若輸電線都用超導(dǎo)體的話，那就意味著能量運輸?shù)某嚯x，完整快速地抵達(dá)目的地，最大限度地發(fā)揮功用。

試想，某人沿著一條擁擠的街道騎自行車，為了避開行人和障礙物（這就像普通導(dǎo)體的晶格缺陷和雜質(zhì)），每蹬一腳都會損失一些能量，導(dǎo)致速度變慢，要到達(dá)目的地必須付出更多能量。就如同對電而言，電阻消耗了它的能量，并將其轉(zhuǎn)化為熱量（摩擦）。

有了超導(dǎo)體，相當(dāng)于一條神奇的「空中高速公路」出現(xiàn)，沒有行人和障礙物，沒有任何空氣阻力。騎行者進(jìn)入這條高速公路，只需在初始階段蹬一腳，就可以永遠(yuǎn)地滑行下去，完全不需要再用力，速度也不會有絲毫損失。

這已經(jīng)不僅僅是物理學(xué)的美好場景了，簡直充滿詩意！

當(dāng)電流面對絕緣體時，由于缺乏能夠輸送電能的自由電子，停滯不前。當(dāng)電流通過普通導(dǎo)體，電子能夠前行，但會不斷與原子核的振動和晶格缺陷發(fā)生碰撞，從而損失能量，產(chǎn)生電阻。當(dāng)電流通過半導(dǎo)體時，則要么通過（此時是普通導(dǎo)體），要么絕緣。

倘若電流沖入超導(dǎo)體，由于在極低的溫度下超導(dǎo)體內(nèi)部形成特殊的狀態(tài)，電子不再像單個個體那樣運動，而是成對地結(jié)合成「庫珀對」，可以像一個整體一樣，無視晶格的阻礙，毫無阻力地向前運動，不會有任何能量損耗，這就是超導(dǎo)體的零電阻特性。

科學(xué)的探索充滿詩意，它在最后的時刻往往是依賴無意識的試探性動作來實現(xiàn)的。超導(dǎo)體所預(yù)示的世界正好說明了這種過程的詩意，乃至結(jié)果的詩意。

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現(xiàn)在，我們回顧一下這充滿詩意的技術(shù)的發(fā)展史。

第一階段：發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象

1908年，荷蘭物理學(xué)家海克·卡末林·昂內(nèi)斯成功將氦氣液化。

1911年4月8日，海克·卡末林·昂內(nèi)斯在使用當(dāng)時剛剛生成的液氦作為制冷劑，研究低溫下固態(tài)汞的電阻時，他赫然發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度達(dá)到4.2 K時，電阻突然消失了。在同一個實驗中，他還觀察到了2.2 K時氦的超流體轉(zhuǎn)變，但并沒有意識到其重要性。

1913年，人們發(fā)現(xiàn)鉛在7 K時具有超導(dǎo)性。

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第二階段：隨后的發(fā)展和理論研究

1933年，德國物理學(xué)家瓦爾特·邁斯納和羅伯特·奧克森菲爾德發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)體的完全抗磁性，即當(dāng)超導(dǎo)體處于超導(dǎo)狀態(tài)時，超導(dǎo)體內(nèi)部磁場為零，對磁場完全排斥，即邁斯納效應(yīng)。但當(dāng)外部磁場大于臨界值時，超導(dǎo)性被破壞。

1935年，解釋超導(dǎo)現(xiàn)象最早的理論出現(xiàn)。弗里茨·倫敦和海因茨·倫敦兄弟在提出倫敦方程，這套方程基于經(jīng)典電磁學(xué)理論并能有效的解釋邁斯納效應(yīng)。根據(jù)倫敦方程，超導(dǎo)體內(nèi)部的電場E以及磁場B可以表述為以下關(guān)系(高斯單位制cgs)：

第一個方程說明了超導(dǎo)體零電阻，即無窮大電導(dǎo)的特性；第二個方程結(jié)合麥克斯韋方程組可以推導(dǎo)出磁場只能穿透超導(dǎo)體的表面，這個穿透深度稱之為倫敦穿透深度，超導(dǎo)體內(nèi)部的磁場則為零，即是邁斯納效應(yīng)。

1953年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了合金超導(dǎo)體硅化釩。

1957年，美國物理學(xué)家約翰·巴丁、利昂·庫珀和約翰·施里弗提出了以他們姓氏首字母命名的BCS理論，用于解釋超導(dǎo)現(xiàn)象的微觀原理。

按這一理論解釋，在極低的溫度下，金屬晶格的振動（聲子）作為「媒介」，使自旋和動量都相反的兩個電子組成動量為零、總自旋為零的「庫珀對」，從而配對形成庫珀對（Cooper pair）。這些庫珀對作為一個整體運動，不會被晶格中的缺陷或雜質(zhì)散射，因此能夠?qū)崿F(xiàn)零電阻的超導(dǎo)電流。

BCS理論的建立標(biāo)志著超導(dǎo)研究進(jìn)入了新的階段，巴丁、庫珀、施里弗因此獲得1972年的諾貝爾物理學(xué)獎。

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第三階段：高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)

BCS理論成功解釋了常規(guī)超導(dǎo)現(xiàn)象，根據(jù)該理論預(yù)測，超導(dǎo)的臨界溫度存在一個極限，即麥克米蘭極限（McMillan limit），約為30 K至40 K。這一限制曾讓很多人認(rèn)為，超導(dǎo)體的臨界溫度不可能超過這個范圍。

1986年，瑞士IBM公司的研究員貝德諾爾茨（Bednorz）和米勒（Müller）在一種銅氧化物（鋇鑭銅氧化物）中發(fā)現(xiàn)了高達(dá)35 K的超導(dǎo)電性，打破了麥克米蘭極限，被稱為高溫超導(dǎo)體。

這一驚人發(fā)現(xiàn)迅速引發(fā)了全球性的超導(dǎo)研究熱潮，貝德諾爾茨和米勒因此在次年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。

1987年，中國科學(xué)院物理研究所的趙忠賢團隊和美國休斯頓大學(xué)的朱經(jīng)武團隊幾乎同時發(fā)現(xiàn)了一種釔鋇銅氧化物（YBCO），其臨界溫度達(dá)到了93 K，成功突破了液氮的沸點（77 K）。

液氮比液氦便宜得多，這一突破極大地降低了超導(dǎo)體的冷卻成本，為超導(dǎo)技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用帶來了巨大的希望。

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第四階段：近期與現(xiàn)在

2008年，日本科學(xué)家細(xì)野秀雄在鐵砷化合物中發(fā)現(xiàn)了臨界溫度為26 K的超導(dǎo)電性，開啟了鐵基超導(dǎo)體的研究浪潮。

隨后，中國科學(xué)院物理研究所的陳仙輝、趙忠賢等科學(xué)家團隊在鐵基超導(dǎo)體材料上取得了突破，將其臨界溫度提升至55 K。

2015年，物理學(xué)者發(fā)現(xiàn)，硫化氫在極度高壓的環(huán)境下(至少150GPa，也就是約150萬標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)，約于溫度203K（-70 °C）時會發(fā)生超導(dǎo)相變，是目前已知最高溫度的超導(dǎo)體。

2018年3月，21歲的中國物理學(xué)生曹原在《自然》期刊上以第一作者發(fā)表兩篇論文，內(nèi)容是試驗發(fā)現(xiàn)兩層石墨烯以1.1度的偏轉(zhuǎn)夾角疊起來時實現(xiàn)了1.7K溫度下的超導(dǎo)。

這種超導(dǎo)方式雖然離高溫超導(dǎo)很遠(yuǎn)，其價值在于向揭開超導(dǎo)原理的成因邁出一大步，一種絕緣體或不良導(dǎo)體透過參雜與變換突然變成超導(dǎo)體，是眾多當(dāng)前熱門銅氧系超導(dǎo)材料的特性。

羅伯特·勞夫林（1998年諾貝爾物理獎得主）發(fā)表文章認(rèn)為這種思路給出了「一個令人目眩的暗示」，也許超導(dǎo)體成因沒有想像中復(fù)雜，終有一天能輕易用一套物理計算法算出怎樣的物質(zhì)在怎樣情境下能超導(dǎo)，那時瞬間就能推理設(shè)計出常溫超導(dǎo)體，大幅改變科技進(jìn)程。

2023年，韓國團隊聲稱發(fā)現(xiàn)了一種常壓下的室溫超導(dǎo)體LK-99，引發(fā)了巨大的轟動和爭議。可惜，隨后的復(fù)現(xiàn)實驗并未能證實其超導(dǎo)性，大多數(shù)科學(xué)家認(rèn)為該材料不具備超導(dǎo)特性。