【正确吃瓜】室温超导要来了？清华博士带你彻底明白超导！

7月22日，在arXiv论文网站上出现了一篇令人震惊的论文。虽然篇幅简短，但内容确实有震撼力。来自韩国的研究者表示，他们用同掺杂的铁基化合物合成出了一种超导体，拥有高达400开，也就是127摄氏度的临界温度。全世界都在关注这个室温超导的新发现，但很多人并不清楚其意义。那么，什么是超导？为什么会有超导现象？实现超导又有什么意义呢？

我们在初中的时候都学习过，给一段导体通电时导体会发热，这被称作电流的热效应。我们的生活和电流的热效应也密切相关，比如说电热毯、电水壶、电饭煲都是利用电流的热效应工作的。

你在给手机充电的时候，可能也或多或少的感觉到了这件事情。

可是这里就有一个问题，为什么给导体通电时它就一定会发热呢？

要解释这个问题，我们就需要深入微观去解释电阻的本质。我们都知道金属是由金属离子和自由电子组成的，自由电子顾名思义可以自由的跑动，可是有的时候也会不巧，定向运动的电子可能会和金属离子相撞。此时电子会慢下来，将动能传递给离子，使其振动，而这种振动就是我们熟知的热力学运动，振动的能量就是内能，因此电子撞的越多，离子振动的也就会越快，整个材料的温度因此就越高，反过来，离子这种不安分的运动越剧烈，就会阻碍更多电子的运动，温度升高，电阻会增大，也就是这么一个道理。人类因此很自然的想到，那如果不断的降低温度，减少金属离子的振动，是不是电阻就会一直降低呢？会不会有什么神奇的事情发生？

1911年荷兰科学家昂内斯把一块汞放到液氦里，让它的温度一路下降到了零下269度。令人惊奇的事情发生了，在4.15开这个温度，汞的电阻急转直下，居然直接变成了0，更准确的说是低于测量电阻的最小刻度，约为10的负5次方欧。

因为这项发现，昂内斯荣获了1913年的诺贝尔物理学奖。这种电阻在很低的温度会变成零的现象就被称之为超导现象，出现超导现象的物质就被称作超导体。

在那之后，人类探索了更多金属，但然质是否可以变成超导体的研究。

大家发现金属普遍能够在温度比较低的时候变成超导体，变成超导体的那个转变温度被称作临界温度，临界温度最高的金属泥大概在九开左右。为什么会出现超导现象呢？人类其实一直都没有一个答案，超导的成因在很多年里一直是一个谜，直到整整50年之后，Bardeen、Cooper和Schrieffer三个人共同提出了人类第一个解释超导现象的理论，这个理论也因此以他们三个人的姓氏命名为BCS理论。

这三位科学家也在1973年因此获得了诺贝尔物理学奖。

尽管原始的BCS理论非常的复杂抽象，而且涉及到很多量子场论的知识。但我们依然可以借助动画获得一个最直观和形象的认识，了解超导行程背后的机理。

让我们首先从晶体结构设计，

如果你用一个电子显微镜深入放大的看金属的内部，你会发现金属离子排列成了规则的结构，它们像地板一样以周期性的方式铺满了整个空间，这每一块地板就被称作晶胞。通常自由电子可以自由的在晶胞的空隙当中穿行，所以这也就是金属为什么可以导电的原因。但我们刚才也提到过，事实上这些金属在不停的做热力学的震动，因此形成了对于电子移动的阻碍，这就是电阻。当温度降低时，这些离子渐渐安分下来，有一种机制因此开始得以凸显，那就是在晶胞中的电子其实对于带正电的离子是有吸引作用的。离子不是自由电子，所以没有办法移动，但有其他离子拽着，它们会像一张弹簧网一样被电子的引力拉着变形，这就被称作晶格畸变。我们可以挪动这个电子，看看整个晶胞是怎么随着电子的位置变化发生畸变的。

晶格的畸变会引发一个有趣而且不可思议的副产品，那就是电子之间居然会出现相互吸引的力。这是因为在局部，因为电子把这些正离子拉的比较靠近，这个局部的正电荷密度会变高。可以认为这个区域现在相对而言带上了正电，产生了正电场。这种因为一个粒子和晶体之间的相互作用，使得晶体结构发生变化，从而对其他的粒子进一步产生作用，在物理学中被称作声子。当电子移动时，这个局部的正电荷也就会跟着移动。既然局部带正电，那么异性相吸，另外一个电子也就会被吸引过来。这种吸引力甚至可以克服两个带负电粒子原本的排斥力，让他们紧密地相贴。这种贴贴称为一对的电子就被称为库珀对。库珀对神奇地抵消了这两个电子对于晶体的影响，使得它们在金属正离子面前如同隐形一样，实现了真正意义上的零阻力自由移动，而这也就是零电阻的来源了。

这里还有好几件值得解释的事情，首先最大的问题是，为什么两个同性的电子贴贴之后居然就可以不受阻力了呢？这就是BCS理论最深刻和玄妙的地方。具体解释它涉及到量子场论的知识，完全超出了这个视频的范畴。但如果你一定要一个解释，那就是电子作为自旋等于1/2的费米子，原本必定会分布在各种不同的能量层级，而这就会导致它和晶体之间相互作用，从而发热。形成了库珀对之后，他们的能量就会处于一个很低的水平，所有的电子都将处于最低能级，与晶体的这些正离子发生碰撞反而是更费劲和需要能量的事情，于是电子就相对自由的穿梭了。这同时也能够解释另一件事，为什么一定要很低的温度或者很高的压强才能够实现超导呢？因为它需要稳定的晶格结构来产生畸变，进而产生可以吸引另一个电子的声子。当温度太高时，这种配对很容易被破坏掉，电子因此还是孤单的。

此外我们的动画是为了直观描述库珀对，有些地方因此是不太严谨的，尤其是力尺度方面。事实上这两个电子之间的距离依然是非常非常远的，这个距离被称作相干长度，大约是1纳米到100纳米这个量级。也就是说其实严格来讲，这些电子并没有贴贴，而是跨越了上百个格子之间的彼此联动。每一队库珀对之间往往还有着几百万个库珀对。

好的，现在你已经理解了库珀对理论，人类终于可以解释超导了。但事实上，BCS理论只能解释温度比较低的超导现象，在温度超过40开时就不适用了。在1986年以前，人类发现的各种超导体基本上都还在这个温度区间以内。可是1987年一种叫做铜氧化物的超导体被发现，它的超导温度高达，没错，是高达零下170多度。尽管这个温度距离我们日常所生活的温度还是很低，可是它已经高到足以宣告BCS理论并不能解释所有超导的原理。达到这个温度区间的超导体一般就是我们所说的高温超导体了。高温超导的原理直到现在仍然并不清晰。人类提出了一些理论，比如强关联电子理论、自旋液体理论等等，但是都还没有得到广泛的接受，也都还存在着不能解释的问题。

我们接下来谈一谈另外一个有意思的话题。假设你也和韩国的科学家一样发现了一种物质，你该如何验证它是超导体呢？最简单也是最有说服力的方法有两个。第一个是利用焦耳定律。我们知道电流放热的热量可以用这个式子表示，所以就准备一个隔热效果很好的装置，把超导体放入比热容很小的液体里，用很大的电流通很长的时间。如果经过了很久之后，这个温度都没有任何的变化，就可以说明这个导体几乎没有放热，电阻几乎为零了。

最早物理学家为了验证超导现象，真的是电阻变成了绝对的0，而不是小到一个仪器测量不出来的数值。把一个超导体通了整整两年的电，放出的热量居然硬是没有让温度计最微小的刻度上升一格。科学家已经确认至少在10的负10次方这个量级的精度上，电阻消失了。现在人们可以用非常灵敏的方法直接测量电阻，不用去烧两年的电了。

另一个方法和电磁感应有关。我们在中学学习过，当一个导体切割磁感线，更准确的说是通过它的磁通量发生变化时，导体会产生感应电动势，从而产生感应电流。

这种感应电流会反过来抵抗原来的磁场，甚至发生反向的磁力的作用，这就是我们熟知的楞次定律。在一般的导体里，这种电流会因为电阻的损耗而很快消失，它所产生的这种抵抗的磁场也会因此渐渐退去。可是如果这个导体进入了超导的状态，那么它就没有电阻，这种感应电流就会永远的在那里旋转起来，永远的产生磁场，直到它内部不再有任何磁感线通过，磁铁也因此获得了悬浮的效果。

1933年，德国物理学家迈斯纳和奥森菲尔德最早发现了这个现象。在这个来自于哈佛大学实验室的视频里，你可以看到，当底下的超导体进入超导态的时候，上面的磁铁就像科幻一样突然悬浮了起来。

这也是为什么大家经常说，一旦超导体在室温常压下获得了突破，那么磁悬浮列车和各种科幻的场景就会立刻到来。

在这个视频里你就可以看到，因为超导体具有这种磁通锁定的性质。因此如果你把它放在一个磁铁的轨道上，它就可以以悬浮的状态非常自由的去滑动，就像没有受到阻力一样。

这就是人类幻想中对于磁悬浮列车的前景展望。

事实上超导的应用其实远不止磁悬浮列车这么简单。如果超导能够在室温或常压下稳定存在，我们的世界将会发生天翻地覆的变化，人类技术发展的革命堪比前两次技术革命的总和。

首先，我们传输电能的时候，有5%到10%的能量浪费在了电阻的热效应上，如果我们能够把电线换成超导体，人类相当于原地获得了10%的能源。

此外，当你使用手机和电脑时，你可能也感受到了芯片在工作时发热非常厉害。事实上，制约现在芯片速度和集成度最大的瓶颈就是难以散热。如果有了超导体做芯片和电路，那么根本就不会发热了，电器散热的问题也立刻得到解决，计算速度将会得到极大的提升，你的手机将会有接近于小型超算的计算能力。

再比如说医院里的核磁共振设备既贵又大，就是因为为了产生强大的磁场，非常费劲。有了超导体，我们没有了电阻的约束，可以非常容易的产生很大的磁场，箱子那么大的便携式核磁共振仪成为可能。

更不用说可控核聚变离我们需要巨大的磁场约束，正在反应的几千万甚至上亿摄氏度的等离子体，有了超导，可控核聚变的进程也会大大提前。

看到这里你或许就能明白，为什么全世界这么震惊，又如此期待室温超导真的能够到来。韩国科学家给出的制作方法是如此简单，甚至蒸汽时代就能制作，如果是真的，只能说人类的科技术整整走歪了200年，很可惜。目前来看，这个好消息很有可能是假的。

但和之前三月份迪亚斯的情况不同，这次不像是故意造假，更像是一场美丽的误会。韩国科学家发现的大概率是一种室温常压下可以强烈排斥磁体的抗磁性材料，它碰巧有着比较低但不为零的电阻，也能在一定程度上呈现出这种抬起来的悬浮状态。

从这个视频的对比你可以看到，这两者依然有着很大的不同。目前全世界的实验室还在积极的复现着他们的结果。应该不久就会有定论。

我不是权威人士，所说的只代表我个人的猜想。我猜整个这出闹剧最后的结果大概率是这个样子的，

你找茬是不是？你要不要吧，你要不要？感谢你的观看，如果你喜欢我的视频，还希望你一键转连，并转发给周围的人。漫是沉思路，学海引路不辛苦，我们下期再见。