美食杰2024年11月12日发布:超导现象到底是啥？相信我，这篇你绝对能看懂！

超导电性，堪称是物理界的“明星”，每次有新的动态都能带来一波流量。去年七月，韩国的研究团队声称成功合成了全球首个室温常压超导体，这一重磅消息瞬间引发全球关注。这位备受瞩目的物理界“顶流”，究竟隐藏着怎样的奥秘呢？

什么是超导？

根据导电性的不同，日常材料可分为绝缘体、半导体和导体。有一种特殊的导体，当处于“超导状态”时，我们将其称为“超导体”。“超导状态”描述的是某些材料在特定低温条件下，电阻降至零并同时展现出完全抗磁性的状态。

超导体 图源：罗切特大学

这种现象是人类首次发现的宏观量子效应，更是物理学领域中充满神秘与美丽的一道独特风景。

超导是如何被发现的？

1911年，超导现象由荷兰物理学家海克·卡梅林·昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）首次发现。在实验室内，他成功制备了纯度极高的汞，并将其冷却至接近绝对零度（-273.15℃）；当他对汞的电阻进行测量时，惊奇地发现，在温度降至4.2K（-268.95℃）以下时，汞的电阻竟突然消失，呈现出几乎完美的导电性能。

这是一次革命性的发现，他将这种现象命名为“超导”（superconductivity），并因此获得了1913年的诺贝尔物理学奖。

荷兰物理学家海克·卡梅林·昂内斯

1986年1月，瑞士物理学家卡尔·亚历山大·米勒（Karl Alexander Müller）和他的德国合作者约翰尼斯·格奥尔·贝德诺尔茨（Johannes Georg Bednorz）宣布，他们发现了一类铜氧化物超导体，其临界温度可以高达30K（-243.15℃），这一高温超导现象的发现打破了人们对超导只能存在于极低温的认知，他们也因此获得了1987年的诺贝尔物理学奖。而后，科学家们还陆续发现了多种临界温度高于液氮温区的高温超导体。

瑞士物理学家卡尔·亚历山大·米勒

德国物理学家约翰尼斯·格奥尔·贝德诺尔茨

图片来源：网络

为什么会产生超导现象？

为了深入研究超导现象的本质，我们首先来理解普通导体产生电阻的原因：

PART 01

普通导体的电阻

想象一个阳光明媚的晴天，蝴蝶们怀着愉悦的心情，纷纷振翅飞向正在盛开的向日葵。在神秘的微观世界中，导体内部自由穿梭的电子就宛如蝴蝶，一旦受到电场吸引的作用，便会沿着特定的方向，即电源正极的方向移动。

调皮的蝴蝶们（自由电子）虽然拥有自由飞翔的能力，但它们在奔向美丽的向日葵（电源正极）的旅途中，总会遭遇到令人不悦的蜘蛛（中心原子）的阻挠；为了挣脱这些蜘蛛（中心原子）的束缚，蝴蝶们会奋力抵抗。

同样地，导体中分布在自由电子周围的中心原子就如同蜘蛛；当自由电子试图朝着某一特定方向移动时，它们不可避免地会与周围的中心原子发生碰撞，这种碰撞导致了自由电子的运动受到阻碍。

尽管遭遇重重阻碍，但蝴蝶（自由电子）对向日葵（电源正极）的向往之心从未动摇，它们依旧坚持不懈地振翅飞翔。同样地，自由电子也始终坚守着向电源正极方向前进的决心，不断地运动着。

终于，蝴蝶（自由电子）还是坚定地飞向了它心中那朵绽放的向日葵（电源正极）；这一过程正如自由电子挣脱了中心原子的束缚，成功抵达了最终的目的地——电源正极。

在自由电子的运动和与中心原子的碰撞过程中，能量会从自由电子转移到中心原子上，而后中心原子会将这些能量以热量的形式释放到周围环境中。从宏观角度来看，这就是电流在流过常规导体的过程中产生电阻的原因。

PART 02

超导体的零电阻

前面已经提到，超导体具有两大显著特性：其中之一是零电阻状态。那么，相比于常规导体存在的电阻状态，超导体的零电阻状态又是如何发生的呢？

想象一下，当环境温度骤降至-196℃时，原本轻盈自由、翩翩起舞的蝴蝶们（自由电子），仿佛感受到了前所未有的挑战。为了在这严酷的低温环境中存活下来，它们不再像往常那样独自飞翔，而是选择了一种全新的生存策略——两两相拥（库伯对）。

两两相拥的蝴蝶们（库伯对）紧密地依偎在一起，仿佛结成了一个个小小的生命共同体。它们通过这种方式，共同抵御着外界的寒冷，相互取暖，共渡难关。令人惊叹的是，“蝴蝶cp”们竟然完美地避开了所有前进的阻碍，最终到达了那远方的向日葵（电源正极）。

在超导体的微观世界中，如此低温的环境下，自由电子也会发生类似的行为；它们会两两配对，形成库伯对（Cooper pairs），就像那些两两相拥的蝴蝶一样，再共同朝着电源正极的方向移动；从而实现了电流在超导体中的无阻流动，即零电阻状态。

在超导体内，当库伯对（Cooper pairs）形成并开始运动时，它们与中心原子之间并未发生能量的交换，即没有能量的传递与释放；这种特殊的状态，在宏观层面上，正是超导体能够展现出零电阻现象的根本原因。

PART 03

超导体的完全抗磁性

超导体的另一显著特性是完全抗磁性，这一现象通常被称为“迈斯纳效应”。

具体来说，在室温条件下，磁场的磁力线能够轻易地穿透超导体；然而，一旦超导体被冷却至超导相变温度以下，它的内部仿佛拥有了一种神奇的力量，使得磁场几乎被完全抵消，磁力线也无法穿透超导体。这种对磁场的排斥作用如此强烈，以至于超导体能够悬浮在磁体之上，展现了其独特的抗磁性。

“迈斯纳效应”的原理是当其进入超导态并受到外部磁场作用时，超导体表面会产生电流。这些电流所产生的磁场与外部磁场的作用相互抵消，形成了一种特殊的平衡状态，使得超导体内部的磁感应强度几乎降至为零。这种现象是超导体独特物理性质的体现。

超导有什么用？

超导技术的广泛应用已经渗透到众多领域，展现出了其巨大的潜力和价值。

医学成像领域

超导磁体发挥着举足轻重的作用。它能够产生强大且稳定的磁场，这一特性在核磁共振成像（MRI）等医学诊断技术中显得尤为重要；通过超导磁体的应用，成像的分辨率和信噪比得以显著提升，进而为医生提供更精确、更可靠的疾病诊断依据。

超导核磁共振成像系统

电力系统领域

超导电力技术以其无损耗的特性展现了巨大潜力。超导变压器、超导储能、超导限流器，以及超导电缆在电力系统中的应用，能够显著提高传统电力系统的运行效率和稳定性，有效减少能源浪费和环境污染。

此外，超导电缆还可用于连接电源和负载，如风力发电和太阳能发电设施，为可再生能源的大规模应用提供有力支持。

世界首条35千伏公里级超导电缆在上海投运

大科学装置构造

超导磁体扮演着不可或缺的角色。它可用于制造诸如：大型粒子加速器、“人造太阳”全超导托卡马克核聚变装置，以及同步辐射光源等尖端设备；通过这些大科学装置的运行和使用，使得科学家们得以深入探索物质的微观结构和基本规律，同时也为新材料和新能源的研发工作提供了坚实的支撑。

大科学装置—“人造太阳”全超导托卡马克(EAST)

量子计算领域

超导在量子比特和量子计算机的发展中，被用于制造量子比特（qubit），即量子计算机的基本构成单元。量子计算机利用量子力学的原理，展现出远超传统计算机的计算速度与能力，能够解决一系列传统方法难以攻克的难题，如密码学、优化问题以及人工智能等。

如今，我国第三代自主超导量子计算机“本源悟空”已经成功实现，并完成了超17.8万个运算任务。

超导量子计算云平台

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作者：

王银顺 北京制冷学会常务理事、华北电力大学电气与电子工程学院教授

何野、时雁晨 北京制冷学会会员、华北电力大学电气与电子工程学院在读博士生

来源： 蝌蚪五线谱