超導(dǎo)體：看我展示“真功夫”

一只大黑貓

什么是超導(dǎo)體

一提到超導(dǎo)體，你是不是一個(gè)頭兩個(gè)大？順便在心中打出大大的問號(hào)：“這東西是我能理解的嗎？”別擔(dān)心，讓我們從幾個(gè)基本概念開始，一步步揭開它的神秘面紗。

導(dǎo)體：相信沒人不知道電吧？電其實(shí)就是一種可流動(dòng)的能量，類似于水。水在溝渠、河道中流動(dòng)，電在哪里流動(dòng)呢？答案就是導(dǎo)體。銅、鐵、鋁等常見金屬都是導(dǎo)體，鹽水溶液和人體也是導(dǎo)體。相對(duì)的，塑料、陶瓷等很難讓電流通過的物體就稱為絕緣體。但絕緣體不是絕對(duì)的，有時(shí)會(huì)被“擊穿”，使電能夠通過。比如空氣是絕緣體，雷電就能擊穿它，從而形成閃電。

但一般的導(dǎo)體是有缺點(diǎn)的，那就是有電阻。什么是電阻？我們可以理解為在導(dǎo)體中有東西阻礙電流通過。電流在和這些東西抗?fàn)帟r(shí)，會(huì)有犧牲，會(huì)消耗能量，因此電流會(huì)有損失，導(dǎo)體還會(huì)發(fā)熱。

超導(dǎo)體：如果說普通導(dǎo)體是一條坑坑洼洼的土路，電流通過時(shí)會(huì)遇到阻礙，那么超導(dǎo)體就是一條不限速高速公路，電流可以在上面自由馳騁，不會(huì)有損失（即使有，也很?。瑢?dǎo)體也不會(huì)發(fā)熱。

室溫超導(dǎo)體：這是最近的一個(gè)熱門詞匯。由于現(xiàn)有的超導(dǎo)體必須在超低溫下才能發(fā)揮作用，所以難以大規(guī)模應(yīng)用到我們的生活中?？茖W(xué)家正在努力尋找在室溫下也能工作的超導(dǎo)體，即室溫超導(dǎo)體。

頭號(hào)功夫：電流無阻

如果我們將超導(dǎo)體視為一位功夫高手，那么它的第一項(xiàng)超能力，就是能讓“真氣”在體內(nèi)運(yùn)行無阻，且不會(huì)有損失。這里的“真氣”，指的就是電流。

前面提到過，普通導(dǎo)體是有電阻的，而超導(dǎo)體的電阻超級(jí)小，小到幾乎可以忽略不計(jì)?？茖W(xué)家曾經(jīng)將超導(dǎo)體制成閉合的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，然后在環(huán)上激發(fā)出電流。經(jīng)過測(cè)量，電流可以在超導(dǎo)體內(nèi)持續(xù)一年以上而沒有明顯下降。

問題來了，“電流無阻”這個(gè)超能力有啥用呢？這里只說一點(diǎn)就一定能讓你佩服得五體投地。

你一定見過那些由高大的鐵塔和長(zhǎng)長(zhǎng)的電纜組成的輸電線路，正是因?yàn)橛兴鼈兊拇嬖?，電才能從發(fā)電站進(jìn)入城市，然后來到千家萬(wàn)戶。現(xiàn)在的電纜，用的是銅或者鋁這樣的普通導(dǎo)體，電流在傳輸?shù)倪^程中會(huì)有損失，也就是說，電還沒被用，就已經(jīng)憑空消耗了一部分。要是換成用超導(dǎo)體制成的電纜，電流就能實(shí)現(xiàn)無損傳輸，不但節(jié)約了能源，而且電費(fèi)也能隨之降低呢！

二號(hào)功夫：磁力懸浮

你一定知道磁鐵，它具有天然的磁性，能將鐵制物品吸起來。如果我們將磁鐵看作功夫高手，那么它的磁力來源，就是在它體內(nèi)有序運(yùn)行的“真氣”——微觀電流。微觀電流在磁鐵內(nèi)部呈環(huán)狀流動(dòng)，在宏觀看來就是產(chǎn)生了磁性，形成了磁場(chǎng)。

這個(gè)時(shí)候，一個(gè)學(xué)徒出現(xiàn)了，它體內(nèi)的“真氣”運(yùn)行得毫無規(guī)律，但在磁鐵的影響下，它體內(nèi)的“真氣”開始學(xué)著磁鐵運(yùn)行，二者的“真氣”相輔相成，甚至合二為一，這位學(xué)徒的行為，就是“順磁性”。鐵就是這樣在磁鐵的影響下產(chǎn)生磁性的。

而我們的超導(dǎo)體，則是磁鐵這位功夫高手的“死敵”。它體內(nèi)的“真氣”，也就是微觀電流，能夠自動(dòng)凝聚成一束，遇到磁鐵后，這層“真氣”集中在靠近表層的位置環(huán)繞不息，對(duì)外來磁場(chǎng)形成抵抗，阻止它入內(nèi)。外來磁場(chǎng)越強(qiáng)，它也越強(qiáng)，能把磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)完全排斥出去，體現(xiàn)出完全的“抗磁性”。

正是由于抗磁性的存在，超導(dǎo)體在靠近具有磁場(chǎng)的物質(zhì)，如永久磁鐵時(shí)，會(huì)受到排斥，這種排斥可表現(xiàn)為超導(dǎo)體懸浮在磁鐵的上方，也就是磁懸浮現(xiàn)象。

三號(hào)功夫：量子隧穿

一提到“量子”，有的科學(xué)少年應(yīng)該知道，這又是要到微觀世界旅行一圈了。

我們繼續(xù)將超導(dǎo)體視為功夫高手，不過這次有兩位。這兩位功夫高手被一扇厚重的木門阻隔，它們各在門的一邊，隔著門板朝對(duì)方輸“真氣”。這兩位功夫高手太厲害了，它們的“真氣”竟然能夠穿過門板進(jìn)入對(duì)方體內(nèi)！這就是“量子隧穿”。

用更科學(xué)的話來說，就是當(dāng)兩塊超導(dǎo)體距離足夠近時(shí)，即使中間被絕緣體、不是超導(dǎo)體的常規(guī)金屬或其他性能較差的超導(dǎo)體阻擋著，也會(huì)有超導(dǎo)狀態(tài)的電流穿過。也就是說，在超導(dǎo)體內(nèi)承載電流的微觀粒子能夠像挖隧道穿過山體一樣，在一定程度上克服兩塊超導(dǎo)體間的壁壘，建立聯(lián)系。

掌握了“量子隧穿”這門功夫，超導(dǎo)體可以被制成探測(cè)微弱磁場(chǎng)信號(hào)的器件，還能被用到量子計(jì)算等高精尖領(lǐng)域，給人一種“高大上”的感覺。

想成為超導(dǎo)體，三個(gè)條件不可少

想要保持前面提到的三項(xiàng)“超導(dǎo)真功夫”，超導(dǎo)體必須滿足三個(gè)條件，而且缺一不可。

臨界電流（IC）

超導(dǎo)體可以用來傳輸電流，但傳輸?shù)牧渴怯猩舷薜模坏┏^這個(gè)上限，超導(dǎo)體就會(huì)失去超導(dǎo)能力。這個(gè)上限，就是“臨界電流”。

臨界磁場(chǎng)（HC）

如果外界的磁場(chǎng)足夠強(qiáng)大，超過超導(dǎo)體的承受力，那么它的超導(dǎo)能力也會(huì)被破壞，甚至失去超導(dǎo)能力。這個(gè)磁場(chǎng)就是超導(dǎo)體的“臨界磁場(chǎng)”。

根據(jù)“臨界磁場(chǎng)”的區(qū)別，超導(dǎo)體可以被分為兩類。第一類超導(dǎo)體只有一個(gè)臨界磁場(chǎng)，一旦磁場(chǎng)強(qiáng)度高于臨界磁場(chǎng)，超導(dǎo)體就會(huì)失去超導(dǎo)能力。第二類超導(dǎo)體有兩個(gè)臨界磁場(chǎng)。當(dāng)外界磁場(chǎng)強(qiáng)度超過較小的臨界磁場(chǎng)時(shí)，超導(dǎo)體仍然保持零電阻特性，但失去了抗磁性，這種狀態(tài)稱為混合態(tài)；當(dāng)外界磁場(chǎng)超過較大的臨界磁場(chǎng)時(shí)，超導(dǎo)體才會(huì)完全失去超導(dǎo)能力。

臨界溫度（TC）

超導(dǎo)體冷卻至特定溫度以下，才能從正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)并保持超導(dǎo)能力，這個(gè)溫度就稱為“臨界溫度”。就目前來說，絕大多數(shù)超導(dǎo)材料都必須要在低至-196℃以下的環(huán)境中，才能體現(xiàn)出超導(dǎo)狀態(tài)。所以，我們的超導(dǎo)體，都是“冷面高手”呢！

（超導(dǎo)體的溫度究竟有多低？后面告訴你?。?/p>

維持超導(dǎo)能力的三個(gè)條件不是孤立的。如上圖所示，當(dāng)超導(dǎo)體所處溫度、磁場(chǎng)強(qiáng)度和通過的電流分別發(fā)生變化時(shí)，另外兩個(gè)臨界指標(biāo)的數(shù)值也會(huì)隨之變化，形成一個(gè)類似三角錐的曲面。只有這三個(gè)物理量都位于該曲面的下方，超導(dǎo)體才會(huì)保持在超導(dǎo)狀態(tài)。