超导是什么?

超导体最酷的应用之一是磁悬浮列车。在这段“极限工程”视频中，你可以乘坐其中一辆。

发现

有些指挥家比其他人好;关键是组织。好火车指挥们让铁路准时运行，阿图罗·托斯卡尼尼(Arturo Toscanini)让NBC交响乐团(NBC Symphony Orchestra)准时演奏，通过把复杂的元素整合到有序的系统中。

良好的导电体也表现出类似的和谐结构，但必须与电阻作斗争。事实上，电阻是传统导体与超级导体的区别所在。

把一个典型导体中的自由电子想象成一个在火车终点站周围转悠的人。施加电流就像宣布火车到站的铃声:瞬间，个人的动作变成了朝着站台的集体动作——或者，如果不是有几个捣乱分子绊倒、推挤、在报摊前犹豫不决，或者在自动扶梯上拒绝让路，就会变成集体动作。由于它们提供的阻力，一些旅客错过了火车，电流失去了能量。这就是售票员终点站的生活。

把那些旅行者换成卧底快闪族．铃声响起时，他们结成舞伴，在大厅里表演一段同步的、精心编排的舞蹈。没有人错过火车，当他们到达那里时，他们都不那么累了。这就是在超导体站旅行的奇迹。

然而，在我们研究这个粒子双人舞的步骤之前，让我们后退一步，回顾一下电阻是如何混淆普通材料的。我们将从简单开始，然后逐步增加复杂性。

虽然也有例外，当我们说电流，我们通常指通过介质的电子流。一种材料的导电性能如何电与其组成原子提供电子的容易程度有关。绝缘体是吝啬的，而导体则像水手一样在岸上休假。

捐献的电子，现在被称为电子电导它不会让单个原子绕轨道运行，而是自由地漂浮在整个列车长上，就像我们上面的火车乘客一样。当施加电流时，它们流过材料并传输电流。

导体由原子晶格组成;为了使电流流动，电子必须以尽可能少的干扰通过晶格。就像一堆网球被扔进方格架一样，一些电子击中格子的几率是很大的。如果区域变形，干扰的几率就会增加。因此，很容易看出材料缺陷是如何构成导体电阻的一个原因。

在这个攀爬架的类比中，原子是由金属杆的交叉点来表示的。实际上，导体的晶格不是刚性的;它的原子会振动，连接它们的相互作用也会振动，所以最好把它想象成一个弹簧网格。是什么导致这些原子振动?温度越高，晶格振动越多，我们的网球就越容易受到干扰。记下对抗我们老朋友的第二大阻力，热量。

这就提出了一个问题:如果热是问题所在，那么冷可能不是答案吗?先冷静一下:我们下一节会讲到。

如果热增加了阻力，那么把曲柄向下恒温器应该减少它，对吧?嗯，确实如此，只是有限度。在普通导体中，电阻随着温度计的下降而下降，但电阻永远不会消失。超导体的工作原理略有不同。

当超导体冷却时，它遵循类似的电阻逐渐下降的曲线，直到达到其特定的电阻临界温度；然后，突然间，所有的抵抗都消失了。这就好像阻力慢慢失去了与导电性的拉锯战，然后，沮丧地松开了绳子。实际上，这种物质经历相变．就像冰融化成水一样，传统材料呈现出一种新的状态，一种零阻力的状态。

为了理解这里发生了什么，我们需要对我们的原子方格架做一些修改。具体来说，我们需要开始磁性考虑在内。

当原子在导体失去电子时，它们变成带正电荷的离子，在原子晶格和通过它的带负电荷的电子之间产生净引力。换句话说，似乎振动和变形还不够糟糕，我们扔进秋千架上的网球就像磁铁一样。你可能会认为，这将增加它们在通过我们不稳定的电网时遇到阻力的几率，你是对的——对普通导体来说。然而超导体却利用了这一点。

想象一下，一对网球被扔过网格，一个紧跟在另一个的尾巴上。当第一个球穿过带正电的晶格时，它将周围的原子吸引过来。通过聚集，这些原子产生了一个较高的正电荷区域，这增加了推动第二个电子前进的力量。因此，平均来说，用来度过难关的能量会达到收支平衡。

就像广场舞者库伯对不断地形成和分解，但整体效果会一直延续下去，使电子能够像油腻的闪电一样穿过超导体。

库珀对是以物理学家Leon N。C和约翰一起B阿丁和约翰·罗伯特年代他提出了第一个成功解释传统超导体超导性的模型。他们的成就，被称为BCS理论为了纪念他们，我在1972年为他们准备了诺贝尔奖在物理。

然而，超导性并没有长期保持稳定;在BCS理论在该领域取得成功后不久，研究人员就开始发现其他超导体——比如高温超导氧化铜——打破了BCS模型。

在下一节中，我们将看看是什么将这些奇异超导体与其他超导体区分开来。

超导体有很多种，或者只有两种，这取决于你如何切片。然而，从它们在磁场中的表现来看，科学家通常将它们分为两类。

一个I型超导体通常由纯金属制成。当冷却到临界温度以下时，这种材料的电阻率为零，显示完美抗磁性，这意味着当它处于超导状态时，磁场无法穿透它。

II型超导体通常是合金，它们的抗磁性更复杂。为了理解其中的原因，我们需要看看超导体是如何反应的磁性．

正如每一种超导体都有一个临界温度来决定其超导状态的形成或打破，每一种超导体也都受到一个临界温度的影响临界磁场．一类超导体进入和离开超导体状态的阈值是这样的，但二类材料的状态改变了两次，在两个不同的磁场阈值。

第一类和第二类材料之间的区别类似于两者之间的区别干冰(固态二氧化碳)和水冰。这两种固体都能很好地冷却，但它们处理热量的方式不同:水冰融化成一种混合状态，即冰水，而干冰升华物例在常压下，它直接从固体转变为气体。

就磁性而言，I型超导体就像干冰:当暴露在其临界磁场下时，其超导性立即燃烧殆尽。A型更多功能。

而在弱场中，II型材料表现出类似于I型材料的行为，就像H一样₂O和有限公司₂两者在固态时都能有效冷却。然而，将磁场提高到某个阈值以上，材料就会重新组织成一种混合状态——a漩涡状态其中超导电流的小漩涡在正常物质的岛屿周围流动。就像冰水一样，它仍然能很好地发挥作用。然而，如果磁场强度上升，常态岛就会聚集在一起，从而破坏周围的超导漩涡。

这种混合状态对磁性来说意味着什么?我们已经讨论过超导体变热时会发生什么。现在，让我们从另一个方向来看。

在它们正常的温暖状态下，第一类和第二类材料都允许磁场流过它们，但当它们冷却到临界温度时，它们就会逐渐驱逐磁场;材料中的电子会产生涡流，产生反磁场，这种现象被称为迈斯纳效应．

当达到临界温度时，I型超导体就会像许多游手游脚的室友一样，将剩余的磁场驱逐出去。根据它们所处的磁场强度，II型磁场可能也会这样做——或者它们可能会有点粘在一起。如果他们在漩涡状态在这种情况下，仍在超导流中流过普通物质岛屿的磁场会被卡住，这种现象被称为通量锁住(见侧栏)磁通量是通过给定表面的磁场量的量度。

因为它们可以在更强的磁场中保持超导体状态，像铌钛(NbTi)这样的II型材料是很好的超导磁体的候选材料，比如在费米实验室的质子加速器中发现的超导磁体核磁共振成像机器．

超导体的工业和科学应用受到其电磁魔力所需的特殊温度条件的限制，因此根据其临界温度和压力要求对材料进行分类是有意义的。

数百种物质，包括27种金属元素，如铝、铅、汞和锡，在低温和低压下成为超导体。另外11种化学元素——包括硒、硅和铀——在低温和高压下转变为超导状态[来源:百科全书]．

直到1986年，当IBM的研究人员卡尔·亚历山大·穆勒和约翰内斯·格奥尔格·贝德诺兹迎来了高温超导体在35 K (- 238 C， - 397 F)时，钡-镧-铜氧化物的电阻达到零，超导体达到的最高临界温度为23 K (- 250 C， - 418 F)低温超导体需要用液氦冷却，而液氦很难生产，而且往往会超出预算[来源:Haldar和Abetti]．高温超导体的温度范围高达130 K(负143摄氏度，负226华氏度)，这意味着它们可以用廉价的从空气中提取的液氮来冷却[来源:梅塔]．

尽管物理学家理解低温超导体的控制机制(遵循BCS模型)，高温超导体仍然是一个谜[来源:欧洲核子研究中心]．圣杯是在室温下实现零电阻的材料，但到目前为止，这个梦想仍然难以实现。也许它无法实现，或者，像其他科学革命一样，它就在地平线上，等待必要的技术或理论创新来实现梦想成为现实。

同时,强大的优势,超导体提供建议一系列广泛的现在和未来应用领域的电力、交通、医学影像和诊断,核磁共振(NMR)、工业加工、高能物理、无线通信、仪器仪表、传感器、雷达、高端计算甚至低温技术[来源:cca]．

除了磁悬浮，核磁共振成像以及我们之前提到的粒子加速器应用，超导体目前在核磁共振波谱中进行商业应用，这是生物技术、基因组学、制药研究和材料科学工作的关键工具。工业上也将它们应用于分离高岭土的磁性过程中，高岭土是纸张和陶瓷产品的常见填料。

至于未来，如果研究人员和制造商能够克服超导体在成本、制冷、可靠性和可接受性方面的限制，那就没有极限了。一些人认为绿色技术，如风车，是更广泛接受和应用该技术的下一步，但更大的可能性正在显现。

谁知道呢?也许未来的读者会在一台配备了近乎光速处理器的计算机上阅读这篇文章，计算机连接着一个由聚变反应堆——这都要归功于超导性。