科学简单化:什么是超导?

磁铁悬浮在超导体上

一个立方体的磁性材料悬浮在超导体上。磁铁的磁场在超导体中诱导电流,产生一个相等而相反的磁场,正好平衡了立方体上的引力。图片来源:橡树岭国家实验室

在大多数人认为的“正常”温度下,所有材料都有一定的电阻。这就意味着它们会像狭窄的管道阻碍水流一样阻碍电流的流动。由于电阻的存在,当电子通过电子设备(如电脑或手机)时,一些能量会以热量的形式流失。对于大多数材料来说,即使材料冷却到很低的温度,这种阻力仍然存在。超导材料是例外。超导性是某些材料在冷却到一个临界温度(称为Tc)。这些材料在转变到超导状态时也会产生磁场。

超导是自然界最有趣的量子现象之一。它是在100多年前在冷却到液氦温度(大约-452华氏度,仅仅比液氦高几度)的水银中发现的绝对零度)。早期,科学家们可以解释超导现象的发生,但超导的原因和方式却是一个近50年的谜。

1957年,伊利诺斯大学的三位物理学家用量子力学来解释超导的微观机制。他们提出了一个全新的理论,解释了通常相互排斥的带负电荷的电子如何在T以下形成成对c。这些成对的电子通过被称为声子的原子振动结合在一起,这些成对的电子可以在没有阻力的情况下在材料中移动。由于他们的发现,这些科学家获得了1972年的诺贝尔物理学奖。

在发现水银的超导性之后,这种现象也在其他极低温材料中被观察到。这些材料包括几种金属和一种合金铌和钛可以很容易地制成金属丝。导线给超导体研究带来了新的挑战。超导导线缺乏电阻,这意味着它们可以支持非常高的电流,但超过“临界电流”,电子对就会破裂,超导性就会被破坏。从技术上讲,导线开启了超导体的全新用途,包括缠绕线圈来制造强大的磁铁。在20世纪70年代,科学家们使用超导磁体来产生高磁场,这是开发磁共振成像(MRI)机器所必需的。最近,科学家们引进了超导磁体来引导同步加速器和加速器中的电子束。

1986年,科学家们发现了一种新型的氧化铜材料,它具有超导性,但温度要比本世纪早期的金属和金属合金高得多。这些材料被称为高温超导体。尽管它们仍然需要被冷却,但它们在更高的温度下仍具有超导性——其中一些温度高于液氮(零下321华氏度)。这一发现预示着将出现革命性的新技术。它还表明,科学家们可能能够找到在室温或接近室温的情况下超导的材料。

从那以后,通过有根据的猜测和反复试验,人们发现了许多新的高温超导材料,包括一类铁基材料。然而,人们也清楚地发现,描述金属和金属合金超导性的微观理论并不适用于大多数这些新材料,因此超导性的奥秘再次对科学界提出了挑战。最近对氢基材料在极高压下的实验证实了在接近室温的温度下超导性的理论预测。

美国能源部科学与超导办公室

自高温超导材料被发现以来,美国能源部科学办公室和基础能源科学办公室一直支持高温超导材料的研究。这项研究包括理论研究和实验研究,以揭示超导的奥秘和发现新材料。尽管对量子机制还没有完全的认识,但科学家们已经找到了增强超导性的方法(提高临界温度和临界电流),并发现了许多新的高温超导材料族。每一种新型超导材料都为科学家们提供了一个机会,来进一步了解高温超导是如何工作的,以及如何为先进技术应用设计新的超导材料。

超导的事实

  • 1911年,海克·卡默林·昂尼斯发现了超导性。由于这一发现,氦的液化以及其他成就,他获得了1913年诺贝尔物理学奖。
  • 五届诺贝尔物理学奖授予超导研究(1913年,1972年,1973年,1987年和2003年)。
  • 周期表中大约有一半的元素表现出低温超导性,但超导性的应用往往采用更容易使用或更便宜的合金。例如,MRI机器使用的是铌和钛的合金。

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