令人着迷的超导材料，将如何改变我们的世界？

超导现象（图片来源：美国橡树岭国家实验室）

在科幻电影《阿凡达》里，潘多拉星球上的神奇室温超导矿石“Unobtanium”令人惊叹不已。这种矿石凭借其超导特性，使得一座座巍峨的“哈利路亚” 大山能够轻盈地悬浮在空中，营造出如梦如幻的外星奇景。

电影《阿凡达（Avatar）》剧照

在科学的世界里，超导材料如同一块神奇的“魔法石”，它有着违背常理的“超能力”，电流通过时零电阻，还能排斥磁场，这些特性使其在众多领域展现出无与伦比的应用潜力，成为科学家们竞相研究的热点，自被发现起就吸引着众多科学家探寻。

什么是超导体

超导体是一种具有以下两种特性的材料：在达到特定温度和磁场条件下，①电阻消失；②完全排斥内部磁场。

左图：海克·卡末林·昂内斯在 T =4.21 K 的汞中首次发现了电阻率的消失；右图：迈斯纳效应（图片来源：哈佛大学网站）

1911年，荷兰科学家海克·卡末林·昂内斯（Kamerlingh-Onnes）首次发现，在极低温环境中，温度降至4.2K，汞的电阻率趋近于零，首次证实了超导现象的存在。

1933年，迈斯纳（Meissner）和奥森菲尔德（Ochsenfeld）发现，在特定的温度和磁场条件下，超导体能够实现其内部磁通量的完全排斥，后来这一现象被称为迈斯纳效应。

在接下来的几十年里，理论家们努力寻找超导性的微观理论。1935年的伦敦理论（theLondon theory）和1950年的金茨伯格-朗道理论（Ginzburg–Landautheory）取得了重大进展。但直到1957年，也就是超导性最初实验发现整整46年后，巴丁Bardeen、库珀（Cooper）和施里弗（Schrieffer）才提出了重要的超导现象微观理论，被广为接受，也就是著名的 BCS理论。

BCS理论的三位发现者因此获得了1972年的诺贝尔物理学奖

简单来说，当一块金属导电时，由于粒子碰撞会损耗能量，并且温(wēn)度(dù)越(yuè)高(gāo)能(néng)量(liàng)损(sǔn)失(shī)得(de)越(yuè)多(duō)，也(yě)就(jiù)是(shì)电(diàn)阻(zǔ)越(yuè)大(dà)。

金(jīn)属(shǔ)导(dǎo)电(diàn)的(de)粒(lì)子(zi)运(yùn)动(dòng)

而(ér)当(dāng)温(wēn)度(dù)降(jiàng)低(dī)到(dào)一(yī)定(dìng)程(chéng)度(dù)时(shí)，粒(lì)子(zi)热(rè)运(yùn)动(dòng)可(kě)以(yǐ)忽(hū)略(è)不(bù)计(jì)，此(cǐ)时(shí)，当(dāng)电(diàn)子(zi)穿(chuān)过(guò)时(shí)会(huì)与(yǔ)周(zhōu)围(wéi)原(yuán)子(zi)产(chǎn)生(shēng)吸(xī)引(yǐn)力(lì)，同(tóng)时(shí)对(duì)随(suí)后(hòu)的(de)电(diàn)子(zi)产(chǎn)生(shēng)吸(xī)引(yǐn)力(lì)，使(shǐ)两(liǎng)个(gè)电(diàn)子(zi)聚(jù)集在(zài)一(yī)起(qǐ)形(xíng)成(chéng)库(kù)珀(pò)对(duì)（Cooperpair）。

库珀对的作用力很微弱，热运动就会轻松破坏它。当形成库珀对后，原本是两个费米子的电子就会具有玻色子的特质，使电子处于最低能级的相同状态，此时电子就可以完全无损耗地穿过，也就是超导现象的发生。

库珀对（Cooperpair）

当然，BCS理论只适用于低温常规的I类超导体的解释，而许多非常规超导体的原理我们至今还是未知。

元素周期表，标注了超导元素的临界温度

低温超导：老牌先锋

低温超导体一般是指临界温度低于30K 的材料，主要由液氦 （Tc >4.2 K）进行冷却达到超导状态。这类超导体也就是BCS理论可以解释的范畴。

汞作为首个被发现的超导体，便是典型的低(dī)温(wēn)超(chāo)导(dǎo)材(cái)料(liào)，其超导临界温度约为4.2K，处于接近绝对零度的极低温环境。在这样的低温下，汞原子的热振动大幅减弱，使得电子能够顺利配对形成(chéng)库(kù)珀(pò)对(duì)，进(jìn)而(ér)展(zhǎn)现(xiàn)出(chū)超(chāo)导(dǎo)特(tè)性(xìng)。

除(chú)了(le)汞(gǒng)之(zhī)外(wài)，铌(ní)钛(tài)合(hé)金(jīn)（NbTi）和(hé)铌(ní)三(sān)锡(xī)（Nb₃Sn）等(děng)也(yě)是(shì)常(cháng)见(jiàn)的(de)低(dī)温(wēn)超(chāo)导(dǎo)材(cái)料(liào)。它(tā)们(men)凭(píng)借(jiè)出(chū)色(sè)的(de)超(chāo)导(dǎo)性(xìng)能(néng)，在(zài)核(hé)磁(cí)共(gòng)振(zhèn)成(chéng)像(xiàng)（MRI）、粒(lì)子(zi)加(jiā)速(sù)器(qì)、核(hé)聚(jù)变(biàn)装(zhuāng)置(zhì)等(děng)诸(zhū)多(duō)领(lǐng)域大(dà)显(xiǎn)身(shēn)手(shǒu)。

高(gāo)温(wēn)超(chāo)导(dǎo)：后(hòu)起(qǐ)之(zhī)秀(xiù)

随(suí)着(zhe)科(kē)技(jì)的(de)不(bù)断(duàn)进(jìn)步(bù)，高(gāo)温(wēn)超(chāo)导(dǎo)材(cái)料(liào)在(zài)20世(shì)纪(jì)80年代崭露头角。

1986年在瑞士IBM工作的Bednorz和Müller发现了一类新的超导材料LaBaCuO（30K）。次年，随着YBa2Cu3O7-x（90K）的发现，液氮温度障碍（77K）被打破。

77K以上的超导体节省电能的经济潜力是巨大的，因为这是液氮的沸点。虽然液氦可以用于降低温度到4k制造超导材料，但(dàn)此(cǐ)时(shí)每(měi)升(shēng)成本约为5美元。但如果仅需把温度降到77K以上，此时每升液氮的成本仅为0.30美元左右。

目前有两类高温超导材料，一类为铜氧化物，一类为铁砷或者铁硒化物，简单就是一个叫铜基超导体，一个叫铁基超导体。

2024年10月，我国科研团队联合国外的多个研究团队，在镍基高温超导体的研究中取得了重要进展，对于镍基高温超导材料的进一步优化设计与合成具有重要指导作用，将推动镍基高温超导体的研究进程。

常温超导：科幻之光

当越来越多的高温超导材料被发现时，我们不仅会设想如果常温超导材料出现，我们的生活又会发生什么翻天覆地的变化。虽然目前在现实世界中，真正意义上的常温常压超导材料尚未被确凿证实，但它频繁地出现在科幻作品中，成为激发人们想象力的源泉。

从科学理论的角度畅想，一旦常温超导成为现实，那将引发一场足以颠覆人类社会的科技革命。

在能源领域，超导输电将彻底摒弃传统输电过程中的电阻损耗，实现电能的近乎无损传输，让电力能够以极低的成本输送到世界的每一个角落，真正开启能源无限化的崭新时代。

在交通领域，磁悬浮技术将不再受限于高昂的制冷成本和复杂的低温系统，汽车、火车甚至飞机都有可能借助超导磁体实现高效、高速的悬浮运行，城市交通拥堵或将成为历史。

在计算科学领域，基于超导材料的量子计算机将如虎添翼，凭借超导量子比特的超快运算速度和超强稳定性，轻松攻克现有计算机难以企及的复杂难题，为人(rén)工(gōng)智(zhì)能(néng)、密(mì)码(mǎ)学(xué)、药(yào)物(wù)研(yán)发(fā)等(děng)众(zhòng)多(duō)领(lǐng)域带(dài)来(lái)飞(fēi)跃(yuè)式(shì)发(fā)展(zhǎn)。

遗(yí)憾(hàn)的(de)是(shì)，到(dào)目(mù)前(qián)为(wèi)止(zhǐ)，科(kē)学(xué)家(jiā)们(men)尚(shàng)未(wèi)在(zài)常压下实现真正意义上的室温超导。目前发现的室温超导材料需要在极高的压力条件下才能表现出超导特性，距离实际应用还有很大距离。

例如，2020年10月，美国的迪亚兹团队宣布在267万个大气压下实现了转变温度为15摄氏度的超导电性，但由于实验条件极端且难以复现，该研究结果受到质疑，相关论文也被撤回。

2023年3月，迪亚兹团队再次宣布在约21摄氏度和10千巴（约相当于1万个大气压）的条件下实现了超导现象。尽管所需压力相比之前有所降低，但仍远高于常压，且该研究仍需进一步验证。

此外，2023年7月，韩国科研团队宣布发现了名为LK-99的材料，声称其在常(cháng)温(wēn)常(cháng)压(yā)下(xià)具(jù)有(yǒu)超(chāo)导(dǎo)特(tè)性(xìng)。然(rán)而(ér)，全球(qiú)多(duō)家(jiā)实(shí)验(yàn)室(shì)对(duì)该(gāi)材(cái)料(liào)的(de)研(yán)究(jiū)结(jié)果(guǒ)未(wèi)能(néng)证(zhèng)实(shí)其(qí)超(chāo)导(dǎo)性(xìng)，导(dǎo)致(zhì)该(gāi)发(fā)现(xiàn)的(de)可(kě)信(xìn)度(dù)受(shòu)到(dào)质(zhì)疑(yí)。

尽(jǐn)管(guǎn)室(shì)温(wēn)超(chāo)导(dǎo)仍(réng)处(chù)于(yú)研(yán)究(jiū)阶(jiē)段(duàn)，但(dàn)科(kē)学(xué)家(jiā)们(men)正(zhèng)在(zài)持(chí)续(xù)探(tàn)索(suǒ)新(xīn)的(de)材(cái)料和方法，以期在未来实现这一目标。

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参考资料：

[1]https://hoffman.physics.harvard.edu/materials/SCintro.php

[2]https://en.wikipedia.org/wiki/Superconductivity#Classification

[3]https://courses.lumenlearning.com/suny-physics/chapter/34-6-high-temperature-superconductors/

[4]https://mp.weixin.qq.com/s/4E6CMB0yxp3EZ5RNpb2o-A

[5]https://www.iop.cas.cn/xwzx/mtsm/202411/t20241107_7435265.html

作者：杨雨鑫

策划：张超李培元 杨柳

审核：付昌义南京工业大学副教授

江苏省科普作家协会科幻专委会主任委员