超导体：看我展示“真功夫”

一只大黑猫

什么是超导体

一提到超导体，你是不是一个头两个大？顺便在心中打出大大的问号：“这东西是我能理解的吗？”别担心，让我们从几个基本概念开始，一步步揭开它的神秘面纱。

导体：相信没人不知道电吧？电其实就是一种可流动的能量，类似于水。水在沟渠、河道中流动，电在哪里流动呢？答案就是导体。铜、铁、铝等常见金属都是导体，盐水溶液和人体也是导体。相对的，塑料、陶瓷等很难让电流通过的物体就称为绝缘体。但绝缘体不是绝对的，有时会被“击穿”，使电能够通过。比如空气是绝缘体，雷电就能击穿它，从而形成闪电。

但一般的导体是有缺点的，那就是有电阻。什么是电阻？我们可以理解为在导体中有东西阻碍电流通过。电流在和这些东西抗争时，会有牺牲，会消耗能量，因此电流会有损失，导体还会发热。

超导体：如果说普通导体是一条坑坑洼洼的土路，电流通过时会遇到阻碍，那么超导体就是一条不限速高速公路，电流可以在上面自由驰骋，不会有损失（即使有，也很小），超导体也不会发热。

室温超导体：这是最近的一个热门词汇。由于现有的超导体必须在超低温下才能发挥作用，所以难以大规模应用到我们的生活中。科学家正在努力寻找在室温下也能工作的超导体，即室温超导体。

头号功夫：电流无阻

如果我们将超导体视为一位功夫高手，那么它的第一项超能力，就是能让“真气”在体内运行无阻，且不会有损失。这里的“真气”，指的就是电流。

前面提到过，普通导体是有电阻的，而超导体的电阻超级小，小到几乎可以忽略不计。科学家曾经将超导体制成闭合的环状结构，然后在环上激发出电流。经过测量，电流可以在超导体内持续一年以上而没有明显下降。

问题来了，“电流无阻”这个超能力有啥用呢？这里只说一点就一定能让你佩服得五体投地。

你一定见过那些由高大的铁塔和长长的电缆组成的输电线路，正是因为有它们的存在，电才能从发电站进入城市，然后来到千家万户。现在的电缆，用的是铜或者铝这样的普通导体，电流在传输的过程中会有损失，也就是说，电还没被用，就已经凭空消耗了一部分。要是换成用超导体制成的电缆，电流就能实现无损传输，不但节约了能源，而且电费也能随之降低呢！

二号功夫：磁力悬浮

你一定知道磁铁，它具有天然的磁性，能将铁制物品吸起来。如果我们将磁铁看作功夫高手，那么它的磁力来源，就是在它体内有序运行的“真气”——微观电流。微观电流在磁铁内部呈环状流动，在宏观看来就是产生了磁性，形成了磁场。

这个时候，一个学徒出现了，它体内的“真气”运行得毫无规律，但在磁铁的影响下，它体内的“真气”开始学着磁铁运行，二者的“真气”相辅相成，甚至合二为一，这位学徒的行为，就是“顺磁性”。铁就是这样在磁铁的影响下产生磁性的。

而我们的超导体，则是磁铁这位功夫高手的“死敌”。它体内的“真气”，也就是微观电流，能够自动凝聚成一束，遇到磁铁后，这层“真气”集中在靠近表层的位置环绕不息，对外来磁场形成抵抗，阻止它入内。外来磁场越强，它也越强，能把磁铁产生的磁场完全排斥出去，体现出完全的“抗磁性”。

正是由于抗磁性的存在，超导体在靠近具有磁场的物质，如永久磁铁时，会受到排斥，这种排斥可表现为超导体悬浮在磁铁的上方，也就是磁悬浮现象。

三号功夫：量子隧穿

一提到“量子”，有的科学少年应该知道，这又是要到微观世界旅行一圈了。

我们继续将超导体视为功夫高手，不过这次有两位。这两位功夫高手被一扇厚重的木门阻隔，它们各在门的一边，隔着门板朝对方输“真气”。这两位功夫高手太厉害了，它们的“真气”竟然能够穿过门板进入对方体内！这就是“量子隧穿”。

用更科学的话来说，就是当两块超导体距离足够近时，即使中间被绝缘体、不是超导体的常规金属或其他性能较差的超导体阻挡着，也会有超导状态的电流穿过。也就是说，在超导体内承载电流的微观粒子能够像挖隧道穿过山体一样，在一定程度上克服两块超导体间的壁垒，建立联系。

掌握了“量子隧穿”这门功夫，超导体可以被制成探测微弱磁场信号的器件，还能被用到量子计算等高精尖领域，给人一种“高大上”的感觉。

想成为超导体，三个条件不可少

想要保持前面提到的三項“超导真功夫”，超导体必须满足三个条件，而且缺一不可。

临界电流（IC）

超导体可以用来传输电流，但传输的量是有上限的，一旦超过这个上限，超导体就会失去超导能力。这个上限，就是“临界电流”。

临界磁场（HC）

如果外界的磁场足够强大，超过超导体的承受力，那么它的超导能力也会被破坏，甚至失去超导能力。这个磁场就是超导体的“临界磁场”。

根据“临界磁场”的区别，超导体可以被分为两类。第一类超导体只有一个临界磁场，一旦磁场强度高于临界磁场，超导体就会失去超导能力。第二类超导体有两个临界磁场。当外界磁场强度超过较小的临界磁场时，超导体仍然保持零电阻特性，但失去了抗磁性，这种状态称为混合态；当外界磁场超过较大的临界磁场时，超导体才会完全失去超导能力。

临界温度（TC）

超导体冷却至特定温度以下，才能从正常态转变为超导态并保持超导能力，这个温度就称为“临界温度”。就目前来说，绝大多数超导材料都必须要在低至-196℃以下的环境中，才能体现出超导状态。所以，我们的超导体，都是“冷面高手”呢！

（超导体的温度究竟有多低？后面告诉你！）

维持超导能力的三个条件不是孤立的。如上图所示，当超导体所处温度、磁场强度和通过的电流分别发生变化时，另外两个临界指标的数值也会随之变化，形成一个类似三角锥的曲面。只有这三个物理量都位于该曲面的下方，超导体才会保持在超导状态。