劉興亮 | 極簡(jiǎn)超導(dǎo)技術(shù)史

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偉大作家馬爾克斯在小說(shuō)《百年孤獨(dú)》中描繪了一個(gè)奇幻的故事開頭：「多年以后，面對(duì)行刑隊(duì)，奧雷里亞諾·布恩迪亞上校將會(huì)回想起父親帶他去見識(shí)冰塊的那個(gè)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(cè)的幻覺，自然的深邃廣大、宇宙的無(wú)窮無(wú)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(wú)論在物理學(xué)領(lǐng)域，還是化學(xué)領(lǐng)域，都是實(shí)驗(yàn)者對(duì)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(shí)，意外發(fā)現(xiàn)將汞冷卻到極低的溫度時(shí)，其電阻突然完全消失了。這種電阻為零的現(xiàn)象（同時(shí)會(huì)把外加磁場(chǎng)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(jiǎng)，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(shí)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(huì)發(fā)熱，阻力太大就會(huì)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(yùn)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(huì)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(duì)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(huì)有絲毫損失。

這已經(jīng)不僅僅是物理學(xué)的美好場(chǎng)景了，簡(jiǎn)直充滿詩(shī)意！

當(dāng)電流面對(duì)絕緣體時(shí)，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(huì)不斷與原子核的振動(dòng)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(shí)，則要么通過（此時(shí)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(gè)個(gè)體那樣運(yùn)動(dòng)，而是成對(duì)地結(jié)合成「庫(kù)珀對(duì)」，可以像一個(gè)整體一樣，無(wú)視晶格的阻礙，毫無(wú)阻力地向前運(yùn)動(dòng)，不會(huì)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(shī)意，它在最后的時(shí)刻往往是依賴無(wú)意識(shí)的試探性動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)的。超導(dǎo)體所預(yù)示的世界正好說(shuō)明了這種過程的詩(shī)意，乃至結(jié)果的詩(shī)意。

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現(xiàn)在，我們回顧一下這充滿詩(shī)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(shí)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(shí)，他赫然發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度達(dá)到4.2 K時(shí)，電阻突然消失了。在同一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，他還觀察到了2.2 K時(shí)氦的超流體轉(zhuǎn)變，但并沒有意識(shí)到其重要性。

1913年，人們發(fā)現(xiàn)鉛在7 K時(shí)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(guó)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(shí)，超導(dǎo)體內(nèi)部磁場(chǎng)為零，對(duì)磁場(chǎng)完全排斥，即邁斯納效應(yīng)。但當(dāng)外部磁場(chǎng)大于臨界值時(shí)，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(chǎng)E以及磁場(chǎng)B可以表述為以下關(guān)系(高斯單位制cgs)：

第一個(gè)方程說(shuō)明了超導(dǎo)體零電阻，即無(wú)窮大電導(dǎo)的特性；第二個(gè)方程結(jié)合麥克斯韋方程組可以推導(dǎo)出磁場(chǎng)只能穿透超導(dǎo)體的表面，這個(gè)穿透深度稱之為倫敦穿透深度，超導(dǎo)體內(nèi)部的磁場(chǎng)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(guó)物理學(xué)家約翰·巴丁、利昂·庫(kù)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(dòng)（聲子）作為「媒介」，使自旋和動(dòng)量都相反的兩個(gè)電子組成動(dòng)量為零、總自旋為零的「庫(kù)珀對(duì)」，從而配對(duì)形成庫(kù)珀對(duì)（Cooper pair）。這些庫(kù)珀對(duì)作為一個(gè)整體運(yùn)動(dòng)，不會(huì)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(kù)珀、施里弗因此獲得1972年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

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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(cè)，超導(dǎo)的臨界溫度存在一個(gè)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(gè)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(jiǎng)。

1987年，中國(guó)科學(xué)院物理研究所的趙忠賢團(tuán)隊(duì)和美國(guó)休斯頓大學(xué)的朱經(jīng)武團(tuán)隊(duì)幾乎同時(shí)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(diǎn)（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(lái)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(guó)科學(xué)院物理研究所的陳仙輝、趙忠賢等科學(xué)家團(tuán)隊(duì)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(wàn)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)，約于溫度203K（-70 °C）時(shí)會(huì)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(guó)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(yàn)發(fā)現(xiàn)兩層石墨烯以1.1度的偏轉(zhuǎn)夾角疊起來(lái)時(shí)實(shí)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(jià)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(jiǎng)得主）發(fā)表文章認(rèn)為這種思路給出了「一個(gè)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(jì)算法算出怎樣的物質(zhì)在怎樣情境下能超導(dǎo)，那時(shí)瞬間就能推理設(shè)計(jì)出常溫超導(dǎo)體，大幅改變科技進(jìn)程。

2023年，韓國(guó)團(tuán)隊(duì)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(dòng)和爭(zhēng)議。可惜，隨后的復(fù)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)并未能證實(shí)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。