让科学家告诉你超导材料为何物？

　　本文介绍了超导材料作为一类新材料的来源、应用领域及其独特性能，还对超导材料为何具有特异的性能作了解释，并且指出低温超导是限制超导材料广泛应用的原因，目前科学家们正致力于实现室温超导。

　　早在20世纪初物理学家就已经掌握了将实验室材料冷却到绝对零度的技术，并开始研究在极端温度下材料导电性能。一些元素如汞和铅，在低于一定温度时，其电阻为零了！从发现这个现象到过去的几十年中，从陶瓷到碳纳米管，科学家们已在成千上万的化合物中发现了此类独特现象。

　　我们现在知道在特定条件下具有电阻为零特性的材料既非金属亦非绝缘体，而是另一类材料，称为超导材料。超导材料导电能力优异，电流在超导材料制成的电线中可以循环数亿年而不衰减或者消失。

　　电子在快车道“行驶”

　　在微观上，超导材料中的电子与普通金属中的有显著差异，其电子是成对的，这使它们非常容易流动。这种现象有点像在繁忙的公路上的优先行车道。单个电子在流动中容易堵塞，会与其他电子碰撞或者在“行驶”中遇到障碍。然而成对的电子却有优先通过权，可以在快车道上行驶，更容易在材料中流通以免拥挤。

　　超导材料早已成功运用在实验室以外的领域，例如核磁共振成像（MRI）。核磁共振成像是利用超导材料产生的强大磁场，使医生以一种非破坏性的方式观察到病人体内状况。通过弯曲和聚焦光束碰撞粒子，超导磁体使CERN(欧洲核子研究中心)研究人员观察到希格斯玻色子成为可能。

　　当超导材料靠近强磁场时会激发一种奇妙而实用的性能。磁场使电流自发流动于超导材料表面，使超导材料上升，磁场被抵消。这是抽象的磁场力导致的超导材料在磁体上方悬浮现象。

　　我们知道超导材料只能在非常低的温度才具有特异性能，正是这一点阻止了超导材料的广泛应用。例如在一些例如汞和铅的元素中，超导现象在10K以上就会消失。在一些复杂的化合物中，例如YBa₂Cu₃O₇，超导现象能保持在更高的温度直到100K。尽管这在简单元素中的温度有一个提升，但是仍然比南极洲上最冷的冬天的温度还要低。

　　科学家梦想着找到一种在室温下呈超导性的材料，但这是个艰巨的任务。因为温度升高会破坏超导材料中电子对中的结合胶，使超导材料变成金属态。我们面临的挑战是我们对这种胶只是略知皮毛。

　　从超原子到超导体

　　南加州大学的一项新研究使我们对超导现象有了更进一步的理解。Vitaly Kresin和他的合作者成功在一秒内隔离和检查到一小簇十几个铝原子(非大块材料如电线中的超导现象)。这些小原子簇能起到和“超级原子”的作用，类似单个巨型原子的方式共享电子。

　　令人惊讶的是监测的这些原子簇电子对可以一直保持到100K。当然这仍是非常低的温度，但比铝线的超导温度高出100倍。为什么原子簇超导的温度能比电线中数百万温度高？物理学家对此有些想法但未被证实，而这一现象为更高的温度下实现超导提供了一个有趣的方法。

　　任何人都能悬浮吗？

　　如果物理学家能够实现材料的室温超导（这种材料将会是电线的宠儿），那么相应的新技术应跟进。首先，电力的设备更高效且耗电更少。

　　长距离传输电力更容易实现，尤其是启用可再生能源方面的应用，有人提议用超导电缆将欧洲和位于非洲的太阳能农场连接起来。

　　超导体能悬浮在强磁体上方为实现高效、超高速磁悬浮列车创造可能。日本工程师曾做过这样一个实验：将一架列车的轮子换成超导体，能使列车在轨道上方悬浮几公分。这种想法原则上是可行的，但是列车上必须使用昂贵的液氮冷却以确保超导体超导性能的发挥。

　　许多超导技术可能仍会停留在蓝图板上，或者是太昂贵以至于无法实现，除非我们发现能在室温超导的超导体。然而，Kresin's的团队做出的贡献仍有可能是在发现室温超导的超导材料的旅途上的里程碑。