超导的诱惑

国家自然科学一等奖获得者陈仙辉

“美国的铁路建成长度居世界之首；英国乔治五世加冕君主制继续；德国的**演习**出现飞机；法国受邀占领摩洛哥首都，引发德国派遣战舰抗议；俄国要求扩大在华权益；日本新闻检阅制度强化，天皇批准出兵干涉辛亥**……”

1911年，中国辛亥年，这一年爆发的辛亥**结束了中国几千年的帝制。这时候，世界其他的地方也不平静，以上就是学者张鸣在《辛亥：摇晃的中国》一书中列出的其他几个国家当时发生的大事。

相比于这些国际大事，同是这一年的4月，在安静的荷兰小城莱顿的一个低温物理实验室中，卡末林－昂内斯（Kamerlingh-Onnes）发现超导现象显得并不是那么轰动。

但一个世纪之后，人们发现，超导对人类社会的影响并不亚于当时发生的那些国际大事，它给科研领域和日常生活带来了深远的影响。

今天，越来越多的科幻片中出现了飘浮在空中的建筑物，飞速的磁悬浮列车甚至已经冲进了现实生活。

从美国马里兰州*大城市巴尔的摩市到50公里外的华盛顿，超导的诱惑仅仅需要15分钟，当高速超导磁悬浮列车在95号州际公路上疾驰，你甚至还来不及阅读积存的电子邮件，就已经达到了目的地。

然而，超导现象的发现并不能算是妙手偶得的意外之喜，这是一个大批科学家不断跟踪研究，从理论到实践，又从实践到理论，不断改善实验手段，*终收获惊喜的经典故事。

历史上，有五次诺贝尔奖都颁给了这一领域的研究。

在中国，连续三年空缺的国家自然科学一等奖，今年也有了归属——中国科学院物理所和中国科技大学的“40K以上铁基高温超导体的发现及若干基本物理性质研究”，**国家自然科学一等奖。

在发现超导现象的一百年后，它的诱惑力依然强大。

什么是“超导”？

2014年1月10日，中科大陈仙辉教授与中国科学院物理所的合作者，由于在铁基高温超导研究领域做出的突出贡献，被授予国家自然科学一等奖。

究竟什么是“超导”？

如果你看过电影《阿凡达》，一定记得里面那座飘在半空的“哈利路亚山”。要知道，哈利路亚山的悬浮之力，正是让人类垂涎三尺，欲灭纳威人而后快的东西。

而这一切，都与超导现象有关。

因为存在“电阻”，所以电荷经过导线时会有些能量留下来，转变为热量。这个现象有时会带来很**烦——比如，电动机要发热，输电线要发热，电视机、笔记本电脑、冰箱等，使用的时候都要发热，这全是我们所不喜欢的。

这就好比你要乘坐地铁，就一定要买票一样。不过，科学家们发现了一列“免费地铁”。

1911年，人类**次观察到了超导现象。昂内斯教授在莱顿大学的实验室拥有当时世界上*大也*先进的制造液氢、液氦的工厂，因此有能力对各种金属的低温电性能做测量。

他发现，当温度降低到-269℃左右时，汞的电阻消失了。超导的诱惑后来，他发现其他金属也存在这现象。

1913年，昂内斯教授因为这个发现被授予诺贝尔物理学奖。

当然，超导不仅是零电阻这么简单。它还有完全抗磁性，也就是“迈斯纳效应”。

超导体“不允许”其内部有任何磁场。如果外界有一个磁场要通过超导体内部，那么超导体必然会产生一个与之相反的磁场，保证内部磁场强度为零。这就形成了一个斥力。

当在一个超导体正下方放置一个磁体，并使磁感线垂直通过超导体的时候，超导体将获得垂直的上浮力。当这个力的大小刚好等于超导体的重力的时候，超导体就可以悬浮在空中。

《阿凡达》里，人类在潘多拉星上看到的正是这样的现象。

不过在现实世界，超导温度提高很难。从1911年至1986年，超导温度由4.2K-269℃左右提高到23.22K，75年时间才提高了不到20K（注：K开尔文温标，起点为**零度）。

1987年，诺贝尔物理奖被颁发给了德国科学家柏诺兹与瑞士科学家缪勒，他们发现了相对高温度下的铜基超导体。

此后，包括中国科学家在内的研究团队将铜氧化物超导体的临界转变温度提升到液氮温区以上，突破了麦克米兰极限温度（约零下233摄氏度），使其成为高温超导体。

现在，中国科学家争分夺秒的研究再度**了国际超导研究的热潮，人类进入“超导时代”也许就在不远的未来。

超导新世纪

在超导现象发现一百年后的今天，正如液氦已经在大多数物理实验室里随手可得，超导的诱惑超导现象也无处不在。

铅、锡、铝、铀，甚至是陶瓷的小球，都可以在一定温度以下成为超导体，但它仍然是凝聚态物理学中*迷人也是*有挑战性的课题之一。

目前，已经发现有四十余种元素和几千种合金和化合物具有超导特性。但科学家们的探索仍未停止。

而且，超导正越来越频繁地进入人们的生活。

没有超导就没有大型粒子对撞机——浸泡在液氦中数吨重的超导线圈形成的强磁场用来加速和控制对撞机中的质子流；同样利用超导的磁悬浮列车，因为没有和轨道的摩擦可以达到惊人的高速。