超導(dǎo)電性，堪稱是物理界的“明星”，每次有新的動(dòng)態(tài)都能帶來一波流量。去年七月，韓國的研究團(tuán)隊(duì)聲稱成功合成了全球首個(gè)室溫常壓超導(dǎo)體，這一重磅消息瞬間引發(fā)全球關(guān)注。這位備受矚目的物理界“頂流”，究竟隱藏著怎樣的奧秘呢？
什么是超導(dǎo)？
根據(jù)導(dǎo)電性的不同，日常材料可分為絕緣體、半導(dǎo)體和導(dǎo)體。有一種特殊的導(dǎo)體，當(dāng)處于“超導(dǎo)狀態(tài)”時(shí)，我們將其稱為“超導(dǎo)體”。“超導(dǎo)狀態(tài)”描述的是某些材料在特定低溫條件下，電阻降至零并同時(shí)展現(xiàn)出完全抗磁性的狀態(tài)。
超導(dǎo)體 圖源：羅切特大學(xué)
這種現(xiàn)象是人類首次發(fā)現(xiàn)的宏觀量子效應(yīng)，更是物理學(xué)領(lǐng)域中充滿神秘與美麗的一道獨(dú)特風(fēng)景。
超導(dǎo)是如何被發(fā)現(xiàn)的？
1911年，超導(dǎo)現(xiàn)象由荷蘭物理學(xué)家海克·卡梅林·昂內(nèi)斯（Heike Kamerlingh Onnes）首次發(fā)現(xiàn)。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，他成功制備了純度極高的汞，并將其冷卻至接近絕對零度（-273.15℃）；當(dāng)他對汞的電阻進(jìn)行測量時(shí)，驚奇地發(fā)現(xiàn)，在溫度降至4.2K（-268.95℃）以下時(shí)，汞的電阻竟突然消失，呈現(xiàn)出幾乎完美的導(dǎo)電性能。
這是一次革命性的發(fā)現(xiàn)，他將這種現(xiàn)象命名為“超導(dǎo)”（superconductivity），并因此獲得了1913年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
荷蘭物理學(xué)家海克·卡梅林·昂內(nèi)斯
1986年1月，瑞士物理學(xué)家卡爾·亞歷山大·米勒（Karl Alexander Müller）和他的德國合作者約翰尼斯·格奧爾·貝德諾爾茨（Johannes Georg Bednorz）宣布，他們發(fā)現(xiàn)了一類銅氧化物超導(dǎo)體，其臨界溫度可以高達(dá)30K（-243.15℃），這一高溫超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)打破了人們對超導(dǎo)只能存在于極低溫的認(rèn)知，他們也因此獲得了1987年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。而后，科學(xué)家們還陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了多種臨界溫度高于液氮溫區(qū)的高溫超導(dǎo)體。
瑞士物理學(xué)家卡爾·亞歷山大·米勒
德國物理學(xué)家約翰尼斯·格奧爾·貝德諾爾茨 圖片來源：網(wǎng)絡(luò)
為什么會產(chǎn)生超導(dǎo)現(xiàn)象？
為了深入探究超導(dǎo)現(xiàn)象的本質(zhì)，我們首先來理解普通導(dǎo)體產(chǎn)生電阻的原因：
普通導(dǎo)體的電阻
想象一個(gè)陽光明媚的晴天，蝴蝶們懷著愉悅的心情，紛紛振翅飛向正在盛開的向日葵。在神秘的微觀世界中，導(dǎo)體內(nèi)部自由穿梭的電子就宛如蝴蝶，一旦受到電場吸引的作用，便會沿著特定的方向，即電源正極的方向移動(dòng)。
調(diào)皮的蝴蝶們（自由電子）雖然擁有自由飛翔的能力，但它們在奔向美麗的向日葵（電源正極）的旅途中，總會遭遇到令人不悅的蜘蛛（中心原子）的阻撓；為了掙脫這些蜘蛛（中心原子）的束縛，蝴蝶們會奮力抵抗。
同樣地，導(dǎo)體中分布在自由電子周圍的中心原子就如同蜘蛛；當(dāng)自由電子試圖朝著某一特定方向移動(dòng)時(shí)，它們不可避免地會與周圍的中心原子發(fā)生碰撞，這種碰撞導(dǎo)致了自由電子的運(yùn)動(dòng)受到阻礙。
盡管遭遇重重阻礙，但蝴蝶（自由電子）對向日葵（電源正極）的向往之心從未動(dòng)搖，它們依舊堅(jiān)持不懈地振翅飛翔。同樣地，自由電子也始終堅(jiān)守著向電源正極方向前進(jìn)的決心，不斷地運(yùn)動(dòng)著。
終于，蝴蝶（自由電子）還是堅(jiān)定地飛向了它心中那朵綻放的向日葵（電源正極）；這一過程正如自由電子掙脫了中心原子的束縛，成功抵達(dá)了終的目的地——電源正極。
在自由電子的運(yùn)動(dòng)和與中心原子的碰撞過程中，能量會從自由電子轉(zhuǎn)移到中心原子上，而后中心原子會將這些能量以熱量的形式釋放到周圍環(huán)境中。從宏觀角度來看，這就是電流在流過常規(guī)導(dǎo)體的過程中產(chǎn)生電阻的原因。
超導(dǎo)體的零電阻
前面已經(jīng)提到，超導(dǎo)體具有兩大顯著特性：其中之一是零電阻狀態(tài)。那么，相比于常規(guī)導(dǎo)體存在的電阻狀態(tài)，超導(dǎo)體的零電阻狀態(tài)又是如何發(fā)生的呢？
想象一下，當(dāng)環(huán)境溫度驟降至-196℃時(shí)，原本輕盈自由、翩翩起舞的蝴蝶們（自由電子），仿佛感受到了前所未有的挑戰(zhàn)。為了在這嚴(yán)酷的低溫環(huán)境中存活下來，它們不再像往常那樣獨(dú)自飛翔，而是選擇了一種全新的生存策略——兩兩相擁（庫伯對）。
兩兩相擁的蝴蝶們（庫伯對）緊密地依偎在一起，仿佛結(jié)成了一個(gè)個(gè)小小的生命共同體。它們通過這種方式，共同抵御著外界的寒冷，相互取暖，共渡難關(guān)。令人驚嘆的是，“蝴蝶cp”們竟然完美地避開了所有前進(jìn)的阻礙，終到達(dá)了那遠(yuǎn)方的向日葵（電源正極）。
在超導(dǎo)體的微觀世界中，如此低溫的環(huán)境下，自由電子也會發(fā)生類似的行為；它們會兩兩配對，形成庫伯對（Cooper pairs），就像那些兩兩相擁的蝴蝶一樣，再共同朝著電源正極的方向移動(dòng)；從而實(shí)現(xiàn)了電流在超導(dǎo)體中的無阻流動(dòng)，即零電阻狀態(tài)。
在超導(dǎo)體內(nèi)，當(dāng)庫伯對（Cooper pairs）形成并開始運(yùn)動(dòng)時(shí)，它們與中心原子之間并未發(fā)生能量的交換，即沒有能量的傳遞與釋放；這種特殊的狀態(tài)，在宏觀層面上，正是超導(dǎo)體能夠展現(xiàn)出零電阻現(xiàn)象的根本原因。
超導(dǎo)體的完全抗磁性
超導(dǎo)體的另一顯著特性是完全抗磁性，這一現(xiàn)象通常被稱為“邁斯納效應(yīng)”。
具體來說，在室溫條件下，磁場的磁力線能夠輕易地穿透超導(dǎo)體；然而，一旦超導(dǎo)體被冷卻至超導(dǎo)相變溫度以下，它的內(nèi)部仿佛擁有了一種神奇的力量，使得磁場幾乎被完全抵消，磁力線也無法穿透超導(dǎo)體。這種對磁場的排斥作用如此強(qiáng)烈，以至于超導(dǎo)體能夠懸浮在磁體之上，展現(xiàn)了其獨(dú)特的抗磁性。
“邁斯納效應(yīng)”的原理是當(dāng)其進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)并受到外部磁場作用時(shí)，超導(dǎo)體表面會產(chǎn)生電流。這些電流所產(chǎn)生的磁場與外部磁場的作用相互抵消，形成了一種特殊的平衡狀態(tài)，使得超導(dǎo)體內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度幾乎降至為零。這種現(xiàn)象是超導(dǎo)體獨(dú)特物理性質(zhì)的體現(xiàn)。
超導(dǎo)有什么用？
超導(dǎo)技術(shù)的廣泛應(yīng)用已經(jīng)滲透到眾多領(lǐng)域，展現(xiàn)出了其巨大的潛力和價(jià)值。
醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域
超導(dǎo)磁體發(fā)揮著舉足輕重的作用。它能夠產(chǎn)生強(qiáng)大且穩(wěn)定的磁場，這一特性在核磁共振成像（MRI）等醫(yī)學(xué)診斷技術(shù)中顯得尤為重要；通過超導(dǎo)磁體的應(yīng)用，成像的分辨率和信噪比得以顯著提升，進(jìn)而為醫(yī)生提供更精確、更可靠的疾病診斷依據(jù)。
超導(dǎo)核磁共振成像系統(tǒng)
電力系統(tǒng)領(lǐng)域
超導(dǎo)電力技術(shù)以其無損耗的特性展現(xiàn)了巨大潛力。超導(dǎo)變壓器、超導(dǎo)儲能、超導(dǎo)限流器，以及超導(dǎo)電纜在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，能夠顯著提高傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性，有效減少能源浪費(fèi)和環(huán)境污染。
此外，超導(dǎo)電纜還可用于連接電源和負(fù)載，如風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電設(shè)施，為可再生能源的大規(guī)模應(yīng)用提供有力支持。
世界首條35千伏公里級超導(dǎo)電纜在上海投運(yùn)
大科學(xué)裝置構(gòu)造
超導(dǎo)磁體扮演著不可或缺的角色。它可用于制造諸如：大型粒子加速器、“人造太陽”全超導(dǎo)托卡馬克核聚變裝置，以及同步輻射光源等尖端設(shè)備；通過這些大科學(xué)裝置的運(yùn)行和使用，使得科學(xué)家們得以深入探索物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和基本規(guī)律，同時(shí)也為新材料和新能源的研發(fā)工作提供了堅(jiān)實(shí)的支撐。
大科學(xué)裝置—“人造太陽”全超導(dǎo)托卡馬克(EAST)
量子計(jì)算領(lǐng)域
超導(dǎo)在量子比特和量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展中，被用于制造量子比特（qubit），即量子計(jì)算機(jī)的基本構(gòu)成單元。量子計(jì)算機(jī)利用量子力學(xué)的原理，展現(xiàn)出遠(yuǎn)超傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度與能力，能夠解決一系列傳統(tǒng)方法難以攻克的難題，如密碼學(xué)、優(yōu)化問題以及人工智能等。
如今，我國第三代自主超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)“本源悟空”已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)，并完成了超17.8萬個(gè)運(yùn)算任務(wù)。
超導(dǎo)量子計(jì)算云平臺
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