百年研究历史,10次摘得诺奖,这个“小学科”为何如此重要？

超导研究的历史虽然只有112年，但通过超导研究直接获得诺贝尔奖的科学家迄今已有10位。超导研究是物理学中一个很小的分支领域，却诞生了这么多诺奖，可见它非常重要。

超导是凝聚态物理研究的一个基本问题。我们知道，材料是由原子组成的，电子在材料里“跑”，必然会受到一定的阻碍，这种阻碍叫“电阻”。根据电阻大小，我们可以分出绝缘体、半导体、导体。物理学家有一个很简单的方法对其进行区分，就是看电阻随温度怎样变化。如果电阻随温度下降而下降，这种物质叫作“导体”；如果电阻随温度下降而上升，这种物质叫作“绝缘体”。

那么，超导体是如何发现并不断发展的呢？我们来简单追溯一下它的发展历史。

（图片来源：www.gizmag.com）

超导体三大特性逐步揭秘

温度下降到很低的情况下，电阻会有什么变化？早期，物理学家并不能解决这个问题。没有办法做实验，就只能猜想。

1911年，荷兰物理学家昂尼斯发现金属汞在-269℃时电阻突然消失，并因发现“超导电性”而获得1913年诺贝尔物理学奖。

所谓“超导”，指的是“超级导电”。不过，超导还有一个很神奇的磁效应。1933年，德国科学家迈斯纳因发现了超导的完全抗磁性，即磁场不能穿越超导体内部——磁通线进不去，以至于它内部的磁感应强度也是零。

有零电阻和抗磁性两个效应，我们就说这是超导体了。然而，超导还有第三个效应——超导热力学效应。超导是一个热力学现象，也是一种宏观量子的效应。超导热力学效应是三位理论物理学家在1950年左右提出的，他们先后获得了诺贝尔物理学奖。

目前比较成熟的超导理论解释是BCS理论，以其发明者巴丁（J.Bardeen）、库珀（L.V.Cooper）、施里弗（J.R.Schrieffer）的名字首字母命名。这三位科学家推测了一种情况：在材料内部，一个电子单独跑肯定会受到阻碍，两个电子配对跑为什么不会受到阻碍呢？我们可以把电子当成只有一只翅膀的小蜜蜂，一只翅膀的小蜜蜂飞不起来，但是左翅膀抱右翅膀，两只小蜜蜂配对就飞起来了，这叫作“双结生翅成超导”。这就是BCS理论的精髓。

这三位科学家中，巴丁还是世界上唯一一位两次获得诺贝尔物理学奖的人。他第一次获诺奖是因为发明半导体晶体管，改变了整个人类世界。

不懈追寻“三高”超导体

要找到一个好用的超导体，必须具备“三高”，即高临界温度、高临界磁场和高临界电流密度。但要同时达到“三高”很难，物理学家并不知道具体怎么做才能提高临界磁场和临界电流密度。于是，大家就去找合适的高临界温度超导材料。

从元素单质到元素化合物，科学家努力寻找更高超导温度的材料。曾经，科学家认为超导温度的上限是40K，并将之称为“麦克米兰极限”。

不过，1986年，两位来自IBM的科学家发现一种氧化物的超导温度能够达到35K，已经逼近40K红线。他们在1987年获得诺贝尔奖。紧随其后，中国科学院物理研究所的赵忠贤、美国休斯顿大学的朱经武和阿拉巴马大学的吴茂昆等人发现了一种名为钡钇铜氧的材料，其超导温度高达93K。

93K不仅意味着40K的极限不复存在，还意味着科学家从此进入了液氮温区，可以用液氮做超导实验。而之前做超导只能利用液氦——一升液氦需要好几百元，而一升液氮只要几元。

此后，科学家找到了一系列的铜氧化物高温超导材料，目前已能达到134K的超导温度，加压可以达到165K。虽然温度高，但人们发现铜氧化物属于陶瓷材料，一碰就会碎，为了更好使用这种材料，需要做成复杂的复合结构线带材。

2008年，日本科学家细野秀雄家发现了一种很重要的材料——铁基超导体镧铁砷氧氟，其超导温度可达26K。

中国科学家敏锐地注意到这个材料很重要，接着把镧氧铁砷氟中的镧换成了其他的镧系元素，结果他们获得的钐铁砷氧氟，超导温度可以达到55K。

这就是第二大高温超导体家族——铁基高温超导体。现在，科学家发现了这个家族的很多成员，其中很多是中国人发现的。铁基超导块体材料目前最高超导温度可以达到55K，铁硒薄膜材料至少可以达到65K，而且这个铁硒薄膜很神奇，只有一层原子的厚度。

（图源：视觉中国）

未来生活期待室温超导

超导有很多重要的效应，但是超导材料到底有什么用呢？

首先，一切用到电和磁的地方都可以用到超导体。比如输电，为了减少输电的损耗，只能加几千伏上万伏的电压，即使这样还是会有大约15%的损耗。如果用超导，就可以把这个损耗省掉，因为它的电阻是零。节约下来的这15%的电能，可能意味着人类的能源能多用100至200年，这是非常重要的。

再以超导磁悬浮列车为例。现在坐高铁，北京到上海最快的速度是每小时350千米，而日本试验的超导磁悬浮列车能达到时速600千米以上。如果再去除空气阻力，其时速至少能达到3000千米以上——北京到上海只需半小时就到了。即使人不一定受得了这个速度，但可以用于货物运输。

超导体在基础研究领域的应用也非常重要。比如，粒子物理学中希格斯粒子的发现已经获得了诺贝尔物理学奖。可以说，如今做高能粒子对撞实验的物理学家离开超导体就无法工作。因为，要把粒子加速器的能量提到很高，必须依靠很强的超导磁体，没有高场超导加速器磁体，他们也许就无法进行实验。

除了可以承载很强的磁场和电流，超导还有弱电应用。超导体可以做成一个器件——超精密超导量子干涉仪。这是世界上最精密的一种磁探测器。比如，芯片做好之后如果出现问题，不知道哪里断了，用这个探测器一扫就知道了，哪怕极细的纳米级芯片都可以检测出来。