超导的历史

1911年，一位名叫Heike Onnes的荷兰物理学家正在研究金属在极低温下的电阻。他把水银冷却到4.2K(或-269°C)，发现电阻似乎消失了。这是一个非常令人惊讶的结果，有点像摩擦力突然降为零。他把这种效应称为超导，因为汞表现出完美的导电性。他后来发现铅在7K(-266.2°C)时具有超导性，而且如果你把它们冷却得足够远，还发现了另外20种元素具有超导性。

他是超导的发现者

超导性仍然是一个有趣的好奇心，因为没有人能解释它，超导性在很小的磁场下就会破裂。这意味着它无法承载产生磁场的大电流，破坏超导性，而且冷却它们在很长一段时间内都是不切实际的。

你会期望一个完美的导体会有一些有趣的磁性，因为如果你在导体附近移动一块磁铁，你会产生一个循环电流(这就是发电机的工作原理)，如果没有电阻，这个电流会永远流动下去。循环电流是一种电磁铁，它会对磁铁的任何运动起作用，所以如果你在超导体附近移动磁铁，它就会漂浮起来。

超导体上的悬浮磁铁©太平洋西北国家实验室

1933年，迈斯纳发现一些超导体甚至比这还要复杂。当你冷却它们时，它们会开始排斥磁铁，即使磁铁不动。所以没有感应电流，它们就自己开始流动。这种怪异的效应无法用传统物理学来解释，所以理论家们不得不求助于量子力学。

在20世纪50年代，通过朗道和金兹伯格，然后是巴丁、库珀和施里弗的工作，对超导体的理解慢慢地变得更加复杂。他们提出了一种理论，将超导性解释为材料中电子和原子晶格之间的相互作用。这种相互作用使电子相互之间的吸引力很弱。电子形成对(称为库珀对)。电子被称为费米子，这意味着没有两个电子可以处于相同的状态(相同的位置，能量和动量)，这就是为什么物质并不总是在引力作用下坍缩形成黑洞。然而，对于一对电子没有这样的约束，所以所有的超导电子都可以落入相同的状态。这与玻色-爱因斯坦凝聚非常密切相关，这是相同的效果，但对于整个原子。

在超导体中，铜对占据的能量发生在电子不能存在的一系列能量的中心(把它想象成原子中两个能级之间的能量)，这被称为能隙。一个电子要把能量转移到电阻上它必须能够改变能量，因为铜对位于能隙的中间它们不能存在于任何其他能量中，所以电子不能转移能量，所以电阻为零。

该理论预测，超导体可以工作的最高温度约为30K(-247°C)。这意味着在1986年发现了一种超导体，它在35K时成为超导，其他超导体在92K时迅速发展(钇钡铜氧化物)，目前的记录设定在1993年的138K。

所有这些非常高的临界温度(高T_c)超导体是一种以氧化铜片为基础的陶瓷，在这些氧化铜片之间有其他原子。由此产生的超导性是极具方向性的，这意味着两个晶体之间的任何连接点都必须正确排列，这是一个非常困难的材料科学问题，这可能是高Tc超导体在发现20年后才开始商业化使用的主要原因。

不幸的是，一般来说，超导体的Tc越高，它对磁场的抵抗力就越小，因此它能携带的电流就越小。而且，超导体越复杂，制造问题就越大。所以大多数使用的超导体仍然是低Tc，使用液氦来冷却它们，而更常见的高Tc超导体的Tc往往在90K左右。这意味着它们在77K(-196°C)的液氮中具有良好的超导性，这是便宜且容易获得的。

超导体的最新发展之一是他们发现了二硼化镁(MgB)₂)在35K时超导，这听起来可能不是很令人印象深刻，但它以一种非定向的方式超导，就像低温超导体一样，这使得材料科学相对容易，温度虽然不是很高，但仍然是下一个最好的低Tc超导体的两倍，这使得冷却它至少容易两倍。所以它可能是一个非常有用的材料。

超导体的用途是什么?

现代临床高场MRI扫描仪。©KasugaHuang @ Wikimedia

如果你在超导体回路中设置电流，没有任何东西可以阻止它，它将永远流动下去，形成一个非常强大的电磁铁，除了保持低温外，不需要任何维护。最强大的人造永久磁场是用超导体产生的。

超导磁体被用于磁共振成像(MRI)这是一种观察身体柔软部位的方法。

它们还将用于欧洲核子研究中心粒子物理实验室的新“大型强子对撞机”实验。这个想法是将质子和反质子加速到接近光速，然后将它们撞在一起。要使粒子保持在一个圆圈内需要巨大的磁场，而这只能由超导体提供。

JR-Maglev使用超导磁体来悬浮和推进。©约塞米蒂@维基媒体

利用超导磁体制造悬浮列车也是可能的。这个想法是在火车上放置非常强大的轻型超导磁体，然后在轨道上使用铜线圈，利用排斥力将火车抬起，使其悬浮起来。也可以使用轨道磁铁推动火车前进。由于这种力不受车轮和轨道之间摩擦的限制，理论上磁悬浮列车可以跑得更快，更重要的是，它的加速和制动速度比传统列车更快。在伯明翰、日本和德国，人们已经建造了各种各样的磁悬浮列车测试，尽管唯一投入商业使用的是在上海建造的德国设计，它使用了非常强的永磁体而不是超导体。

超导传感器

由于超导体与磁场相互作用的量子力学的微妙之处，有可能制造出最灵敏的磁力计，称为squid(超导量子干涉装置)。它们可以用来探测潜艇，测量大脑产生的磁场，寻找地下深处的矿藏，感知来自恒星的微小信号等等。

电力电缆

超导体的一个明显用途是传输电力，仅加热电缆就浪费了大量电能，超导体将有所帮助。然而如果你把交流电通过他们不再是无损的,它需要大量的能量来冷却,所以尽管可以他们可以用来节约能源在短期内从长远来看更有可能他们将被用来节省空间,超导电缆安装了在芝加哥和哥本哈根,在旧电缆导管和受限制的空间,让你得到更多的权力通过相同的管道,因此节省很多钱挖马路。同样，美国海军对制造小型强大的电动机来驱动船只非常感兴趣，因为将螺旋桨放在船下的吊舱上是有效的，但是电动机越大，产生的阻力就越大，所以一个小得多的超导电动机将是有利的。

因此，超导体可能不会像1986年那样彻底改变世界，但它们在现代世界中正变得越来越有用。