超导体：揭开神奇磁悬浮的秘密

推荐单位：北京科学技术期刊学会、《物理学报》

成果来源：中科院物理所超导国家重点实验室

转化作者：艳红

还记得电影《阿凡达》里的潘多拉星球上悬浮在空中的一座座高山吗？看上去神秘而又壮观。虽说这些“悬浮之山”是我们在科幻电影里看到的，但从科学的角度来说，在现实世界中人工打造一座悬浮山也不是不可能的。这就需要依靠跟电影中的常温超导矿石“Unobtanium”有着相同性能的神奇材料——一种蕴含着奇特能量的超导体。

什么是超导体？

超导（Superconductor），就是超级导电的意思，又称为超导材料，其导电性能非常好，在一定温度（定义为超导临界温度）下电阻为零，以至于电流在流动过程中处于零损耗状态，从而跑得更快。尽管严格意义上的零电阻无法测量出来，但是精确实验表明，超导材料的电阻要比目前导电性最好的金属如银、铜、金、铝等（电线的主要成分）整整低了10个数量级。这意味着，在闭合超导线圈中感应出1A的电流，需要近一千亿年才能衰减掉，比我们宇宙存在的年龄还要长得多。

和普通导体相比，超导体不仅具有“零电阻”的特性，还有一个重要特征是完全抗磁性，这也是超导磁悬浮列车的基本原理。1933年德国物理学家迈斯纳等人发现，材料一旦在低温下进入超导态，其内部的磁力线便会统统被排出，以保证内部的磁感应强度恒等于零。这种效应被称为“迈斯纳效应”，又叫完全抗磁性。只有同时具有零电阻效应和完全抗磁性这两大特性的材料，才能从科学意义上称之为超导材料。

根据材料对磁场的响应不同可以把它们分为第一类超导体和第二类超导体：第一类超导体只存在一个单一的临界磁场，当外界磁场强度超过临界磁场的时候，超导性消失;第二类超导体则有两个临界磁场值，在两个临界值之间，材料允许部分磁场穿透材料。

由于超导体“不允许”其内部有任何磁力线，如果外界有磁力线要通过超导体内部，那么超导体必然会产生一个与之方向相反的磁场来抵消，保证内部磁感应强度为零，这就形成了一个斥力。当部分磁力线穿透到超导体内部时，又会被超导体牢牢“钉住”，这意味着磁场和超导体之间还可以存在“引力”。此时斥力和引力并存、相互制衡，最终让超导体既可以“浮”起一定高度，同时也可以“悬”挂在磁铁下面一定距离。这便是超导磁悬浮的工作原理。

为了更好地科普这一理论，2018年，中科院物理所通过一则抖音视频，向大众直观地展示了超导磁悬浮实验：将超导材料浸入液氮（-196℃）降温使其进入超导态，它便会悬浮在磁性轨道上方一定距离。轻轻一推，超导体就开始沿着轨道快速行进，行进过程中两者完全没有接触，超导体一直被束缚在轨道的上方或下方。这一实验充分展现了超导体在磁场中的悬浮性能，同时也表明低温对超导材料的重要性。

超导体的“提温”之旅

其实，超导并不是一个新名词，早在100多年前的1911年，荷兰科学家昂内斯等人就发现了第一个超导材料：金属汞，就是我们常说的水银。汞在极低的温度下，大概在4.2开尔文时，其电阻会消失，呈超导状态。超导材料虽然听起来很神秘，但其实并不稀奇，可以说，元素周期表里的绝大部分金属，甚至是非金属单质都是超导材料。不过有一个非常重要的前提是，要有足够低的温度，抑或足够高的压强才能得以实现，像是在电影里边出现的常温超导体，目前来说还只能算是一种梦想。

虽然超导材料有着得天独厚的特性，但需要在极低的温度条件下才能实现，这极大地限制了超导材料的应用，因此人们一直在探索高温超导体。自1911年以后，随着研究的日趋深入，科学家们又发现了23种纯金属超导材料。包括水银在内，这24种纯金属超导材料的临界温度都在0.1开尔文～9.13开尔文，其中铌元素为最高温度 9.13开尔文。1950年，科学家将注意力转向了合金和化合物，于两年后发现了临界温度为17开尔文的硅化钒，不久又发现了临界温度为18开尔文的铌锡合金。

1986年，IBM公司的柏诺兹和缪勒独辟蹊径，在一般认为导电性不好的陶瓷材料中探索超导电性。结果发现镧-钡-铜-氧体系可能存在超导电性，其临界转变温度高达35 开尔文。1987年，中国科学院物理研究所的赵忠贤研究团队与美国休斯顿大学的朱经武、吴茂昆研究组分别独立发现：钇-钡-铜-氧体系存在90 开尔文以上的临界温度。至此，超导研究首次突破了液氮温区（液氮沸点为77 开尔文），使得超导的大规模研究和应用成为可能。1994年，朱经武研究组在高压条件下把Hg2Ba2Ca2Cu3O10体系的临界温度提高到了164开尔文，这一最高纪录一直保持至今。

相对于常规的金属和合金超导体（称为传统超导体），铜氧化物超导体具有较高的超导临界温度，突破了40开尔文的麦克米兰极限，被称为高温超导体。但是由于铜氧化物高温超导材料属于氧化物陶瓷，缺乏柔韧性和延展性，容易在承载大电流时失去超导电性而迅速发热，实际应用难度较大，于是科学家们又开始寻找新型的高温超导体。

2008年日本科学家发现铁砷化物体系中存在26开尔文的超导电性，这引发了以铁基超导为主的高温超导研究的第二波热潮。随后，在中国科学家的努力下，这类材料的超导临界温度突破了40开尔文，在块体材料中实现了55开尔文的高温超导电性。至此，新一代高温超导家族——铁基超导宣告发现。只是这类超导体大都含砷或碱金属，本身有毒，又对空气敏感，应用方面同样存在不少局限性。

这么多年来，尽管人们在单质金属、合金、氧化物，甚至有机物中都发现了超导电性，但人们一直渴望能找到一种室温下的实用超导体。近年来有关发现室温超导体的论文报道经常出现，但却都经不起验证或者为学术造假行为，真正意义上的室温超导体离我们还很遥远。

超导技术的巨大应用前景

一百多年来，全世界的科学家们之所以一直对超导材料不停地探索，正是因为超导体在应用方面蕴含着巨大的发展前景，甚至会引起一场新的技术革命，给人类社会带来翻天覆地的变化。目前，超导技术在输电、电机、交通运输、航天、微电子、通信、核物理、新能源、生物工程、医疗以及军事装备等领域，都已展现出灿烂夺目的前景。

1.超导输电和发电

凡是用电的地方，都有超导的用武之地。超导输电可以节约目前高压交流输电技术中15%左右的损耗（送电、变电、配电等每一步都存在电阻，使一部分电能转化成热量而浪费），拿美国来说，如果实现了超导輸电，每年可减少100亿美元的电力损失。用超导制成的发电机、电动机与常规发电机相比，体积小得多，重量只有原来的1/10，成本也降低一半，最关键的是可以大大提高电流效率。如果用超导电动汽车来代替燃油汽车，那么全世界一年可节省汽油10亿吨左右。

2.超导储能

将电力输入超导线圈中，电流便可在里面长期流动而几乎不损耗电能。因此，可设计大容量的超导储能装置，储存大量电能以供电网调峰之用。

3.超导磁体

利用超导线圈制作的超导磁体体积小、重量轻、磁场高、均匀性好、耗能低，是电子显微镜、高能加速器、电磁轨道炮、人工可控核聚变等关键技术的核心。超导磁体应用在核磁共振计算机断层诊断装置上，可以使分辨率大大提高，能诊断出更早期的癌细胞。此外，超导也是发现希格斯粒子必不可缺的大功臣，因为在欧洲大型强子对撞机上就装了9300多个超导磁体。

4.超导芯片

用超导芯片代替普通芯片制成的超导计算机，可以大大提高运算速度，减小计算机体积。美国研制的一台运算速度为800万次/秒的超导计算机，虽然其体积只有电话机那么小，但其运算速度却提高了数十倍。

5.会“飞”的火车——超导磁悬浮列车

与我们所熟知的上海磁悬浮列车通过电实现车体悬浮运行不同，超导磁悬浮列车是利用超导技术实现悬浮的。因为超导对磁力线有特定的锁定能力，引力和斥力同时存在，并且最大限度地消除了铁轨与车轮之间的摩擦力，因此磁悬浮列车不但更加快速（可达500千米/小时），也更加稳定和安全。

6.超导量子干涉仪

超导具有许多复杂的微观量子效应，利用超导电流的量子干涉效应制备的超导量子干涉仪，对外磁场感应极其敏感，是目前世界上最灵敏的磁测量仪器，被广泛用到电子工业中。它不但能探测矿物，也能探测出人脑的神经活动。此外，利用超导制造的新型红外探测器、超导磁强针、超导重力仪、超导波器及各种微波器件，也将被广泛应用于地震预测、航空航天事业以及地质勘探等。