超导效应|超导体“自甘堕落”：超导效应正走向常温常压

如果你捡到了一盏神灯可以实现你三个愿望，你会许什么愿？

立刻中个一个小目标的彩票？马上解决单身问题？可以不再为健康担忧……小孩子才做选择，成年人当然是选择“全都要”，在寓言故事中国王对神灯许的最后一个愿望便是“帮我再实现三个愿望”，结局大家懂的都懂，国王的小算盘并没有实现。

其实不只国王有“无穷无尽”的欲望，回望人类的历史就会发现还有想依靠原始动力与惯性让机器永远运转下去的永动机等疯狂想法，但这些想法都被能量守恒定律给无情的击碎，可以说现代社会中最大的物理问题之一是阻力。

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请注意，不是政治或社会阻力，而是电力阻力：你无法在不损失部分能量的情况下通过电线发送电流，并将其耗散为热量。电流只是随时间移动的电荷，并被人类利用来通过承载电流的电线移动。然而，即使是最好的、最有效的导体铜、银、金和铝等，都对通过它们的电流有一些阻力。无论这些导体有多宽，有多大的屏蔽，或未被氧化，它们在传输电能方面从来没有100%的效率。

除非，你能使你的载流导线从一个普通导体变成一个超导体。与普通导体不同的是，当你将其冷却时，电阻会逐渐降低，而超导体在低于某个临界阈值时，其电阻会骤降为零。在没有任何电阻的情况下，超导体可以以无损的方式传输电能，从而实现能源的高效利用。最近的发展带来了有史以来发现的最高温度的超导体，但我们可能不会很快改变我们的电子基础设施，因为这还是处于实验室中发生的前沿科学。

超导体困在200 K

超导有一个漫长而迷人的历史。我们早在19世纪就意识到，所有材料即使是最好的导体仍然表现出某种电阻。你可以通过增加电线的横截面，降低材料的温度，或减少电线的长度来降低电阻。然而，无论你的电线有多粗，你的系统有多冷，或者你的电路有多短，你永远不可能用标准导体实现无限的导电性，原因令人惊讶：电流产生磁场，你的电阻率的任何变化将改变电流，这反过来将改变你的导体内的磁场。

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法拉第 1831 年证明感应的实验之一，液态电池（右）

然而，完美的导电性要求导体内部的磁场不会改变。在传统认知中，如果你采取任何措施来降低导线的电阻，电流会增加，磁场会发生变化，这意味着您无法实现完美的导电性。但对于某些材料来说，可能会出现一种固有的量子效应—— 迈斯纳效应，使导体内的所有磁场都被驱逐，这使得导体内部的磁场对于流过导体的任何电流都为零，如果你排除磁场，那么你的导体就具备了超导体的特性——零电阻。

超导性早在1911年就被发现，当时液氦首次被广泛用作制冷剂。科学家 Heike Onnes 使用液氦将元素汞冷却成固相，然后研究其电阻特性。正如预期的那样，对于所有导体，电阻会随着温度的下降而逐渐下降，但只会下降到一定程度。突然，在4.2 K（约零下269℃）的温度下，电阻完全消失。此外，一旦低于该温度阈值，固体汞内部就没有磁场。后来才发现其他几种材料表现出这种超导现象，它们都在自己独特的温度下成为超导体：铅的阈值在7K、铌的是10K、氮化铌为16K的温度时均会表现出超导现象。

理论进步伴随着它们，帮助物理学家理解导致材料成为超导的量子机制。然而，在 1980 年代的一系列实验之后，一些令人着迷的事情开始发生：由种类繁多的分子组成的材料不仅表现出超导性，而且有些材料在比已知最早的超导体高得多的温度下也表现出超导性。