“超导”如何改变世界

当地时间3月7日，罗切斯特大学Ranga Dias团队在美国内华达州拉斯维加斯举办的美国物理学会年会上公布发现新的近常压环境下的室温超导。据Ranga Dias团队所述，本次发现的室温超导素材为三元镥氮氢体系，仅在1万个大气压，294K（21摄氏度）的温度下，便完成了超导体状态的转换，达成了室温超导。

一时间物理学界一片哗然，纷纷表达假如真的实现常温超导，这将是足以改变世界的伟大发现！但是很快，Ranga Dias团队就传出了因素材丢失，所以该试验无法重现的消息，很难不让别人怀疑这是个学术骗子，最后搞得一地鸡毛。那么，什么是超导现象呢？它到底有什么魅力让无数物理学家、素材学家前赴后继，甚至不惜造假也要也要实现“常温超导”？本篇文章，就让笔者给各位读者介绍一下这项在未来足以改变整个世界的神异物理现象——超导。

超导现象

什么是超导？

在1911年的一天，荷兰物理学家海克·卡末林·昂内斯惊诧地发现，当汞金属冷却到零下268.98℃时，汞的电阻突然消失，进而随着实验的深进，卡末林逐渐发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的超低温下电阻突然消失的现象，这种低温下金属电阻突然断崖式的下跌到0的现象，就是如今大热的“超导”。

时间来到1933年，荷兰的物理学家迈斯纳和奥森菲尔德共同发现了超导体的一个极为重要的性质，即：在弱磁场中，一个超导体几乎“排挤”掉所有的磁通量，磁力线无法穿透超导体，这种现象就被称为迈斯纳效应（也就是大家看到超导体会悬浮于磁场之上）。

至此，超导体的两大重要现象被人类发现，一是超导体的电阻无限接近零（低于10-25Ω），二是素材会出现迈斯纳效应。因此，这两种现象也被用来推断一个素材是否进进了超导体的状态。

迈斯纳效应

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为什么会有超导现象？

那么究竟是为什么金属素材会突然进进一种近乎于零电阻的超导体状态呢？其中一种假说便是BCS理论（常规超导体微看理论）。

在高中的物理课程中告诉我们热量产生的原因是分子的热运动，也就是说，一个物体的温度越高，表现在微看层面上就是构成其宏看结构的分子（或原子）运动速度越快；而电阻在微看上的表达则是电子与原子的碰撞，而原子运动加快，与电子的碰撞就更多，这也阐明了为什么当电流和时间一定时,电阻越大,发热量越多（热量公式为Q=I^2Rt），并且，导体温度越高，通常电阻越大。即：电阻越大，就代表着在微看上电子与原子的碰撞发生地更为频繁，而频繁的撞击就带来了运动速度的加剧，从而导致在宏看上温度的上升。

假如您能理解这一点，那么超导现象发生的，以及为什么需要超低温也就轻易理解了。可以想象，假如所有原子不运动了那么电阻不就没有了？没错，当所有原子都停止运动，温度这个东西也就会不复存在，这便是物理学中的绝对零度（为-273.15℃），这是“温度”这一概念的起点，是真正意义上的0，换句话来说，就是这个世界上不存在比-273.15℃还低的温度。但是很遗憾以我们人类目前的技术，想要达到绝对零度是不可能的，只能是逼近。但是，有一些聪明的读者就会立刻想到，就算是每个原子都不动了，那么电子从中流过，不管概率如何低，不是还是有概率会撞上吗？电阻应该是会变小，但是为什么电阻会小到无限接近零呢？这就要提到量子力学中的一个小分支了——固体能带论。

首先，构成导体的物质绝大多数都是金属，而金属原子是一个个排列整洁的立体网状结构，被称作“晶格”，而一个个电子就是在这“晶格”缝隙中流过。

晶格结构

其次，在这一片由原子晶格和自由流动的电子组成的结构内部，是有力的相互作用的。其中，电子之间因为都带负电，所以会相互排挤，存在斥力，这很好理解；而这之中还存在一定的吸引力，这其实也比较好理解，那便是，组成晶格的原子自然是带正电，会与带负电的电子产生吸引，因而晶格四周的带正电的原子就会微微向流过的电子聚集，形成一小片正电密集的区域。

最后，由于正电在这一小片区域内密集存在，对于带负的电子吸引力自然会变高，从而就会把远处的另一个电子拉过来，而第一个电子就会通过相互之间的斥力，将能量无损传递给下一个电子，依此类推，电能就会在素材中像接力一样一棒一棒无损地传下往，进而形成了超导。

假如，在这个系统中，温度过高，原子形成的晶格运动过快，那么原子和电子之间的吸引力的作用就会被无限弱化，自然就不会有超导现象存在了。

如何实现高温超导？

综上所述，各位读者有没有想到什么关于高温超导的研究方向呢？那就是觅觅原子质量轻的导电素材，因为更轻的原子就自然更轻易被流过的电子吸引，对于低温就没有太高的要求，原子质量最轻的元素，自然是在元素周期表的左上角，这便是——氢。然而，氢这种东西都不是金属，甚至都不是导体，如何让氢超导呢？这就要提到英国科学家尼尔·阿什克罗夫特在1968年提出的想法：金属氢。

在尼尔的理论中，只要给氢元素施加足够的压力，使得原子之间的间隙足够小，那么其间的电子就会有可能被“挤”出来，形成能自由流动的电子，进而变成能导电的金属氢。而加压的方式有物理和化学两种。

物理的方式就简单粗暴很多，有研究现实，当压力超过500万个大气压的时候，氢元素中就有足够多的电子摆脱束缚，使得氢元素变成可以导电的金属氢，那么有没有什么人造素材可以承担500万个大气压力呢？答案是，没有。

所以，我们直接来看化学的方法：通过掺杂，使用一些重的元素和氢元素形成化合物，在内部拉住氢元素，这样就能使得素材内部的压力上升，最后在通过外部加压从而实现让超导发生的温度上升。目前的高温超导的研究方向就是通过计算机计算各种不同的掺杂比例和掺杂类。现在，绝大多数元素按照正确比例和氢混合加压都能形成超导体，并且随着无数科学家的探索，其温度正在向着常温逼近。比如，2015年，就发现了硫化氢在150万个大气压之下，在200K（-73.15摄氏度）的温度下实现了超导；2018年，十氢化镧更是在200万个大气压下，仅用250K（-24摄氏度）就实现了超导，已经十分接近常温超导了。而真正的常温超导，随着文章开头的论文以闹剧收场，不知道何时才能才能真正实现。

常温超导能为我们带来什么？

虽然现在实现常温超导的难度还有很大，但是，不阻碍我们目前可以畅想一下超导可以普及使用于哪些领域。

第一个可以想到的领域就是可以用于电能储存，当储能设备使用超导素材制成，那么电流在其中将损耗极少，一些研究表明，使用超导储能可长期无损耗地储存能量,其转换效率超过90%。一旦超导的达成条件不在苛刻，超导储能大领域使用，那么电力的高效存储问题就将被彻底解决。

第二，便是可控核聚变领域，目前的可控核聚变试验所摘用的托卡马克装置，一边要保护聚变反应在上亿度的高温中进行，一边还有保护超导磁体所需的零下200摄氏度以下的超低温。这种极端的冰火两重天的环境，对人类的素材学提出了近乎变态的要求，然而一旦可以实现常温超导，那么就有看改良核聚变的极端环境，使得对可控核聚变研究，有极大的突破。

托卡马克核聚变装置内部

第三，超导还可以用于制造电机，由于超导体通电之后可以形成极强的磁场，那么用超导体制造的电机可以提供澎湃动力，将它使用于新能源汽车之上，那么，汽车的动力就会十分澎湃，加上超导体几乎没有热损耗，目前困扰新能源汽车的续航问题也将得到解决。

写在最后

总之，一旦常温超导得以实现，它将会影响一切和电有关的领域，足够掀起一场全人类的技术革命，那些只存在于科幻作品中的场景，很多将不再是科幻。有无限的想象空间留给各位想象，这也就是为什么会有无数科学家都热衷于觅觅一种可以实现常温超导的梦幻素材了吧！这就是我们现实世界中真实可能存在的“贤者之石”。

作者：ZongYu