人类的超导发现史
2016/9/20 科学大院
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《阿凡达》中的哈利路亚悬浮山
超导既不是电影里介绍的超级导弹，也不是电商里宣传的超导风扇、超导浴霸，而科幻世界《阿凡达》里奇妙的哈利路亚悬浮山，则是真正的超导的杰作。电影里哈利路亚山中有一种名为“Unobt-ainum”(中译：不可获得的元素)的室温超导矿石，这种矿石通过排斥行星的地磁场来实现悬浮。
超导的英文名字叫superconductivity，全称为“超级导电”，是20世纪最伟大的科学发现之一。
按照电阻率随温度变化的不同特性，介质材料可分为绝缘体、半导体、导体和超导体，超导指的是某些材料在温度降低到某一临界温度(或超导转变温度)以下时，电阻突然消失(零电阻效应)，同时外磁场磁力线全部排出体外(完全抗磁性)的一种电磁现象。
具备以上特性的材料称为超导体。
超导到底是啥？
超导的研究起于人们的一个疑问：超导材料的电阻随温度的持续下降会达到怎样的一种状态呢？
大概就是这样啦
科学家要解决这一个问题，首先需要得到更低的温度。传统的低温环境主要依靠液化气体来实现，比如液氢的沸点是20 K(热力学温标中0 K对应着零下273摄氏度，20 K即相当于零下253摄氏度)。
1873年，来自荷兰莱顿大学的范德华创建了气体液化理论。而到了1908年，同样来自荷兰莱顿大学的昂内斯等将最难液化的气体——氦气成功液化，并获得液氦的沸点为4.2 K。
液氦通过进一步节流膨胀技术可以获得低至1.5 K的低温环境。甚至通过He3-He4，可以达到5mK(毫开)。液态氦在温度下降至2.18K时(HeⅡ)，性质发生突变，成为一种超流体，能沿容器壁向上流动。
汞，常温下是液态，蒸发或电解就可以得到纯度极高的材料，堪称完美金属。
昂内斯等人测量金属汞在低温下的电阻时，惊讶地发现当温度降至4.2 K以下时，汞的电阻突然下降到仪器测量不到的最小值，基本可认为是零电阻态，第一个超导体——金属汞就此被发现，其超导临界温度Tc为4.2 K。
超导有两个神技，第一个神技我们称之为“畅行无阻”，即超导的电阻为零。
一般的良好导体像铜、铝等，它们的电阻率为10^-8，而超导体的电阻率小于10^-18 。 如果把1A的电流注入环状的超导线中，通过检测线圈的磁场计算得，电流会在线圈中转10^11年。在昂尼斯发现超导体后的20年，又有人用更大的仪器证明超导体的电阻就是绝对的零。
超导体的另一个神技我们称之为“金钟罩铁布衫”。
如果把高纯金属认为是理想导体，也可以具有零电阻态，但超导体与单纯零电阻态的理想导体有本质区别，具有更多的奇特性质。1933 年，德国物理学家迈斯纳(W. Meissner)发现超导体内部磁感应强度为零，即具有完全抗磁性。
而实际上如果外磁场足够强，可以穿透某些超导体的表面并进入内部，从而破坏完全抗磁性但仍保持零电阻，被称为混合态。具有混合态的超导体被称为第二类超导体，混合态下超导体内磁通量线是量子化的，形成各种诸如点阵等奇特的量子现象。
超导材料一旦进入超导态，将因其完全抗磁性将外部磁场的磁通线排出体外，一次当磁体靠近超导体时会受到很强的排斥力，当排斥力和重力抵消就实现了超导磁悬浮。例如水具有一点的抗磁性，处于强磁场的的生物如青蛙可以实现常规磁悬浮。
常规的磁悬浮需要极强的磁场，例如将青蛙悬浮起来需要20特斯拉(T)的场强，而使用超导体的话仅需2-3T的磁场就可以把一个人悬浮起来。
这样的话差不多可以浮起一个人
超导的“启蒙”时代
自古代人类开始思考自然界各种奇妙的现象，比如闪电在大自然中是一种常见的现象，它的威力非常大，可以引发森林大火。
在中国，古人还不懂电是什么的时候，哲学家就已经提出“電”是由阴阳相激而生。而磁同样有着悠久的历史，我国古代四大发明中的指南针就是利用了磁的原理。因为磁可以吸铁，像母亲拥抱自己的孩子，所以在古代被称为“慈石”。
早在公元前6世纪，自然科学的先驱古希腊的哲学家泰勒斯，最早介绍的摩擦起电的现象。从那时起人们开始对电和磁做了很多有趣的研究，但大部分都是在哲学的范围内。
1746年，荷兰莱顿大学的教授马森布罗克独立研制出——莱顿瓶。就是将带电的物体放在玻璃瓶子里，电就不会跑掉，这样就可把电储存起来。
后来马森布鲁克将莱顿瓶送给了美国的开国先驱之一富兰克林。1752年，富兰克林提出了风筝实验，“捕捉天电”。他又将风筝线上的电引入莱顿瓶中。
富兰克林回到家，用雷电进行了各种电学实验，证明了天上的雷电与人工摩擦产生的电具有完全相同的性质。同时这也意味着地面上人们造的电，也会有希望成为像闪电一样拥有巨大的能量。
现代的物理学，对电和磁有了更加深刻的认识。
我们都知道物质都是由原子构成的，原子核的周围有环绕其运动的电子，而且带负电的电子自身时刻做着自旋运动，因此电子自身就可以形成一个小磁场。
一个模拟的电子运动
虽然大部分的电子绕着原子核运动，但仍有一些电子距离原子核较远，我们称之为自由电子。
然而电流在材料中的运动不是随意乱跑的，就像我们在高速公路上开车总是要经过一些收费站需要交费。电子在材料中运动的时候自身的能量会随之改变，其与原子核的距离越近损失的能量越多。而这些损失的能量我们称之为电阻。
有了电阻，我们可以根据材料电阻的大小划分出导体、半导体、绝缘体。而利用物理学的思维对此进行划分则非常简单，物质中原子的排列就像八卦阵一样，电子越多能够冲出“八卦阵”的电子就越多，与之对应的就是导体，绝缘体等。
在实验中同样非常简单，我们只需测量材料的电阻随着温度的下降是怎样变化的。如果材料的电阻随温度的下降而迅速上升，这种为绝缘体；如果随温度的下降开始缓慢下降随后慢慢上升，则为半导体；如果随温度的下降而一直下降，就是导体。
超导的“黑铜”时代
通过BCS理论，许多理论物理学家预言了常规超导体其超导临界温度不会超过40 K的上限。
然而，人们从未放弃寻找更高Tc 超导材料的希望。1986 年，位于瑞士苏黎世的IBM 公司的柏诺兹(J. Bednorz)和缪勒(K. Müller)独辟蹊径，他们没有从常见的金属合金体系中去寻找更高转变温度的超导体， 而是选择在一般认为导电性不好的陶瓷材料中去探索超导电性。结果他们在La-Ba-Cu-O 体系中首次发现了可能存在超导电性，其Tc 高达35 K。
1987 年2 月，美国休斯顿大学的朱经武、吴茂昆研究组和中国科学院物理研究所的赵忠贤研究团队分别独立发现在YBa2Cu3O6+体系存在90 K 以上的Tc，超导研究首次成功突破了液氮温区(液氮的沸点为77 K)，使得超导的大规模研究和应用成为可能。
直到1994 年，朱经武研究组在高压条件下把Hg2Ba2Ca2Cu3O10 体系的Tc 提高到了164 K。相对于常规的金属和合金超导体(一般称为传统超导体)，铜氧化合物超导体具有较高的超导临界温度(突破传统理论设定的40 K 极限)，因此被称为高温超导体。
然而铜基高温超导体也有其痛处，这些材料的晶体结构非常复杂，至今我们仍然不知道铜基高温超导的理论机制。
在铜氧化合物这一类材料中，电子被局域化而形成了强关联态。而在强关联体系中，电子的运动将不再“独来独往”，而是“牵一发而动全身”，单纯研究一个电子的行为已经不再适用， 而必须研究所有电子的多体行为，这是传统固体理论尚未真正解决的难题，所以理论研究从一开始就面临着挑战。
铜氧化物属于陶瓷材料，在力学上脆弱易碎，缺乏柔韧性和延展性，当电流过大时其超导性也易消失。因此物理学家将材料里电的相互作用比作猛犸象，磁的相互作用比作大象，而超导现象就像一只小老鼠，其与材料里电和磁的相互作用相比显得非常微弱。
超导的“白铁”时代
物理学家没有放弃对高温超导的理论研究，他们就像盲人摸象一样，通过各种实验手段对其进行摸索。但是在随后接近三十年的时间里并没有得出有价值的线索。
直到2008年日本的，日本的细野秀雄研究小组在探索新型透明导电材料时，偶然发现LaFeAsO1-xFx 中存在26 K的超导电性。之后在国际上引发了高温超导研究的第二波热潮。
在短短的数月之内，中国科学家通过合成其他稀土铁砷化物将Tc 成功提高到了56 K。经过日、中、美、德等国科学家的共同努力，许多具有新结构体系的铁砷化物和铁硒化物超导体被陆续发现。
这个新的超导家族被称为铁基超导体，因其同样具有50 K 以上的超导电性，且超导机理不同于传统的超导体，所以它是继铜氧化合物高温超导体发现之后新的第二类高温超导体。
目前保守估计的铁基超导家族成员至少有3000 多种(许多还尚待发现)，几乎超越了以往发现的所有各类超导体的总和。基于在铜氧化合物高温超导研究中积累的丰富经验和高精实验手段，人们迅速推进了铁基超导的机理研究。
一方面铁基超导材料表现出传统金属超导体的一些类似特征，另一方面它又和铜氧化合物的超导机理有着深刻的类比之处，这为不同超导材料的研究构建了诸多桥梁，将超导的研究带入一个前所未有的广阔空间!
超导的“云梦”时代
寻求更高Tc的超导体是超导研究的重要目标之一。
铜氧化物超导体的Tc在高压下已经达到了160 K，我们完全有理由相信更高Tc的超导体会在不久的将来被发现，室温300 K下的超导体将不仅仅是个梦想。
理论家已经预言，在足够强的压力下(大于400万个大气压)氢将可能被压缩成金属态形成金属氢，它可能是一个室温超导体，而我们现有的条件很难达到如此高的压强。已知的行星中木星的内部可能会存在金属氢。
就在2015年，德国的两个物理学家，在200万个大气压强下制得超导体H3S，测得其超导临界温度为203K，超导材料的历史也截至于此。
从超导的历史上看，几乎每一年都有新的发现，甚至每个月都有新的超导体发现。而超导理论的研究，如今依然在前人的基础上缓慢的前进。
本文由张东明根据罗会仟副研究员2016巡展科普报告整理
超导科普传送门：
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