超导：无电阻线路

让我们想象一下以下情景：

其一：磁悬浮列车在 1 英寸高的气垫上以远超出 300 英里/小时（即

483 公里/小时）的速度行驶。

其二：电力传输线从地球的另一面没有任何能耗地将电能输送到普通家庭，进行照明和供热。

其三：特大功率掌上电脑。

其四：用不侵害人体的医疗技术检查心脏功能和血液化学成分，发现溃疡和肿瘤。

其五：功率空前的高能粒子加速器，有助于更好地了解物质性质和宇宙的起源。

这是几例运用超导技术可能生产出来的产品，这项技术有可能使人类生活跃进到 21 世纪中叶。远距离、无损耗电力传输能节省大量资金，节约自然资源，从而可以在世界上安全的边远地带建造核电站。（还记得切尔诺贝利核电站的事故吗？）利用这种特殊的线路中无电阻的超导技术，掌上电脑就可以具备当今大型超级计算机同样的能力。利用改进的磁共振图像显示器（MRI）和超导量子干扰器（SQUIDS），可让医疗技术上一个新台阶。超导电磁铁的功率比现在所有商用电磁铁的功率高几百倍，可用于探索宇宙奥秘。

既然我们拥有这一技术，为什么这些设想还没有实现呢？

原因之一在于，仅就我们目前对超导的认识而言，我们还无法驾驭超导体。

什么是超导？

当你打开电视机、微波炉或空调器时，这些设备之所以能工作就在于一种被称为电的功劳。电即电子流，而电子是所有原子中的一种带负电的微小粒子。易于电子流通过的某些材料被称为导体。大部分金属都是良导体：例如铜、铝、银和金等。像多数金属一样，唯一一种在常温下呈液态的金属汞，无论是液态还是固态，均为良导体。

但良导体并不完美。即使在最好的导体中，电子也会受到周围原子的吸引或排斥或因导体内存在缺陷致使电子运动速度下降并损耗一定的能量，通常能量损耗呈现为热的形式。这种能量损耗即电阻，是一种原子一级的摩擦力，这就是电器运行时会发热的原因。事实上，有些电器是利用电阻达到目的的，如电暖气、理发吹风机，还有电炉，均靠电阻产生所需热能。

即使最好的导体也有电阻。铜线和铝线由于电阻而损失的电能高达 20

％。如果没有能量损耗我们将节省多少资金和资源啊！实现无电阻就要看超导体了：在超导材料中，电流通过时没有任何能量损失，这种没有电阻的电流叫超导现象。

升温竞赛

早在 1911 年，人类就认识到了超导现象，由于超导尚未得到广泛应用，读者或许会对此感到惊讶。1911 年荷兰物理学家海科·卡默林·昂内斯发现可将汞制成超导体，方法是将其冷却，即大幅度降温。使人感觉舒适的室温约为 75°F（297K）①。水在 32°F（273K）时结冰。汞在-38°F

（234K）时凝固。为了把汞制成超导体，卡默林·昂内斯必须将汞的温度降至-452°F（4K）,仅比绝对零度高几度，这是可能实现的最低温度了。人呼吸的空气在-452°F 时变成固态。由于发展了氦气液化技术，卡默林·昂内斯可以使汞达到该温度。在所有的元素中，氦的液化温度最低， 为-452°F。他将汞放入液氦中，使其成为超导体。这是一个举世震惊的发现，这位荷兰科学家为此荣获了 1913 年诺贝尔物理学奖。

但是这种需冷却到接近绝对零度的超导体在商业上几乎无法应用。达到这样的低温所需费用高得惊人。于是展开了一场寻找（更确切地说是合成）在较高温度下能变成超导体的材料的角逐。开始出现超导现象的温度称为转变温度或临界温度，用 TC 表示。

这次角逐举步维艰，直到近期才有所进展。用于实验的材料是纯金属或金属的混合物，称为合金。其中最好的要数铌、锗这两种稀有金属的合金了，1973 年，其 TC 达到了-418°F（23K）。（高温超导，又称 HTS，通常是指 23K 以上。）该记录一直保持了十多年，直到 1986 年 1 月 27 日这一天，IBM 公司苏黎世研究实验室的两位物理学家乔格·贝德诺茨和阿利克斯·缪勒，将 TC 提高到-405°F（30K）。比突破记录更重要的是发现了超导体的性质。它并非金属或金属的混合物，而是一种含有氧的化合物， 即氧化物。具体地说，它包括金属钡、镧、铜和氧，以一种特殊的结晶排列形式存在。这类金属氧化物从性质上说更像陶瓷而不是金属，这种陶瓷超导体的发现为超导研究工作打开了新局面，贝德诺茨和缪勒也因此荣获1987 年诺贝尔物理学奖。

在这场竞赛的下一阶段，休斯敦大学的物理学家保罗·朱及其助手接过接力棒。1986 年 12 月，他们将 TC 提高到-387°F（40K）——这是他们创下的数项世界记录中的第一项，然后用锶——这种原子更小的金属代替钡，他们又将 TC 提高到-365°F（52K）。朱像一位炼金术士一样，将金属与氧进行各种组合，努力寻求那神奇的组合：一种真正的高温超导体。

1987 年 1 月 20 日，奇迹出现了，朱将钇、钡、铜与氧化合（即 YBCO 化合物，读作“yibco”），在-292°F（93K）时获得超导现象。可是，这一温度仍然很低，无实用价值。

温度很低，是的；无实用价值，不。实际上，这是一项重大发现。朱突破了 77K 的大关（77K 为氮的凝结温度）。卡耐基研究院地球物理实验室的研究员罗伯特·黑曾曾对 YBCO 的结构作出了如下阐释：

它不仅仅是又一种很好的导电体。该超导体可在高于 77K 的温度下工作，而这一温度是用成本低而且易操作的液氮实现的： 77K 就像一道坚固的屏障⋯⋯是衡量所有低温物质的界线。77K 以下的所有现象⋯⋯都是几乎没有实用价值的难解之谜，但是每

① 物理学家倾向于采用开氏温标（Kelvin scale）。本文将采用大家都很熟悉的华氏温度，关于温标的论述见《温度的极限》。

个人都可以买到液氮①。保罗·朱的研究小组已经发现了突破这一界限的材料，从而超导从新奇变为日常的现实。

然而，高温超导体研究的竞赛仍在继续。不管朱的发现如何不同凡响，

-292°F 这一温度仍然很低。1988 年研究人员用铊代替钇，将 TC 提高到- 231°F（127K）。在以后的 5 年中没有重大突破。一些研究人员认为这大约接近了这一温度的极限，然而他们错了。

1993 年 5 月 6 日，位于苏黎世的联邦技术研究院的汉斯·欧特创下超导温度为-220°F（133K）的记录，其方法是在汞中加进一种新成分。4 个半月后，保罗·朱，这位超导体大师采用同样的材料，但施加 15 万个大气压的压力（我们周围的空气压力为 1 个大气压），将 TC 提高到-184°F

（153K）。在随后的一个月中这一记录被多次打破，到 1994 年 8 月，TC 仍然是-164°F（164K）①。

朱认为，打破 150K 的界限意义重大。“首先，现在我们可以用氟利昂

或普通的家用空调技术将材料冷却了。”这比液氮易操作，而且价格低。至于温度上限，朱说：“我相信可以实现 180K（-135°F），尽管我们还吃不准该如何做。”他将设法从元素周期表中寻找出路。

超导还出现在材料研究的各个不同领域：有机化学（研究碳化合物的化学）。1985 年，一种空心足球状结构的分子在实验室诞生，其主要结构包括五边形和六边形。这种结构以因设计网格球顶而著称的建筑师巴克敏斯特·富勒命名，叫作“巴克敏斯特·富勒结构”，简称“巴克球”或“富勒结构”。巴克球是小型网格球顶，其直径为 1 英寸的四百亿分之一。它们是一族有趣的有机化合物，有着许多神奇的特性——其中一种特性是超导。尽管富勒结构前景可观，但其临界温度 TC 仍远远低于陶瓷氧化物。

梅斯纳效应

迄今为止，超导的定义始终是电通过某种材料而不产生电阻的现象。超导体的另一项同样重要的特征就是它们排斥磁场。这种排斥是全面的， 超导体内不存在磁场。沃尔瑟·梅斯纳和他的研究生罗伯特·奥克森菲尔德于 1933 年首次发现这一现象，即所谓的梅斯纳效应。这一效应可在教室中演示：将磁铁置于超导体之上，磁铁将悬浮在超导体上面，就像在稀薄的空气中漂浮一样。这叫作磁悬浮，并且具有一种几乎很神奇的性质①。

但这并不神秘，超导，确实令人惊奇。

超导的工作原理

① 液氦的价格约为每品脱 4 美元，并且会很快挥发。液氮的价格约为每品脱 0.10 美元——价格是液氦的四十分之一 —— 保存时间也比液氦长 60 倍。

① 1993 年 12 月法国研究小组称已将临界温度提高到 250K（这一温度值尚未得到证实）——这几乎是西伯利亚的室内温度！然而其他科学家非常怀疑这一数据，认为它“有趣，但尚不足以令人信服”。

① 对该论证感兴趣的任何人都可以通过威斯康星大学化学教育学院定购一个工具箱，其中有一个 1 英寸的球状超导化合物和一组磁铁，但没有采用将化合物温度降低到临界温度所需的液氮，也没有处理液氮时所需的绝缘手套和安全头盔。

著名物理学家弗莱克斯·布洛克曾经说过：“有关超导的法则中唯一能被证实的就是所有超导理论都是可驳倒的。”锡拉丘兹大学物理学教授詹弗兰克·维达利在他的学术专著《超导：新革命？》中有这样一段陈述： “我们仍然不了解高温超导如何真正工作。”阿尔伯特·爱因斯坦也曾试图对此作出解释，但收效甚微。

答案很复杂，并且涉及物理学中极为抽象的领域——量子力学。不过， 好在我们不借助于量子理论也可大致了解超导工作原理——或者说我们认为超导如何工作。

在普通寻线中（例如一段铜线），原子最外层的电子受到的引力很弱。接通电池或发电机等电源时，这些电子在电压的作用下开始流动，流过构成线路的原子。这些原子按照一种被称为“晶格”的特殊图形排列。它们所处位置是固定的，形成晶体。但是它们的确会振动。当温度超过绝对零度时，所有的原子都会振动（见《温度的极限》），温度越高，振动越强。这是产生电阻的主要原因之一。原子振动会妨碍电子滑过原子，相反电子会撞在原子上，从而阻碍电子流动并导致电子损失能量，产生阻抗。温度越低，原子的振动越弱，电阻越小。但即使温度很低，原子仍然会振动， 仍然会产生一定的电阻。那么，超导体怎样才能避免这种电阻呢？更奇怪的是，超导体在温度为-164°F 时为什么不产生电阻？

答案是利用电子对。电子对理论是 1957 年由 3 位美国物理学家提出的，他们是：约翰·巴丁，1956 年因发明晶体管获得诺贝尔物理学奖；里昂·库珀，哥伦比亚大学的量子力学专家；以及约翰·施里弗，麻省理工学院电气工程师出身的物理学家。该理论按 3 位物理学家姓氏首字母缩写，称为 BCS 理论。

电子对的概念并非新概念。早在 20 世纪 30 年代物理学家弗里茨·伦敦就提出了这一概念，但因为他对成对的电子如何克服它们之间自然的互相排斥力未能作出充分的解释，而没有推广起来（昔日冲击波：像电荷排斥一样，所有的电子均带负电并互相排斥）。

BCS 理论认为，电子与晶体内振动的原子相互作用，导致晶格变形。这种变形会将电子成对地拉在一起，从而克服其自然斥力。这种电子晶格的相互作用犹如一个重量很大的球在软垫上快速滚动。用维达利的话来说：

如果球滚动得足够快，弹簧就没有时间在球通过后马上恢复原位，而是要花一定的时间恢复原状。在其附近运动的另一个球就可能会遇到这种抑制，并与之相碰。我们可以说是两个球“相互作用”，因为它们感受到互相的存在。由于第二个球被推到第一个球先前的位置，我们可以说这种相互作用是吸引。

这种相互作用导致了电子对的产生，即所谓的库珀对。而正是这种库珀对的运动造成了所有的差异。

约翰·拉贡在他的著作《超导：新炼金术》一书中对此作了十分生动的描述：

可将超导体中的电子比作一个排的士兵，他们要通过沟壑、洞穴和岩石遍布的地域，如果他们单个行进就可能被障碍物绊倒。但是如果他们排成紧密的队形，成对地手挽手地走，就能更

顺利前进：如果一个人摔倒了，他的同伴可以扶起他继续向前。由于每组都有人一前一后稳步行进，人几乎不可能摔倒。

巴丁、库珀以及施里弗由于对超导现象作出解释，因而荣获了 1972 年诺贝尔物理学奖。这是巴丁第二次获得诺贝尔物理学奖，是其他人从未取得过的成就。

BCS 理论在早期超导研究中得到了很好的应用，直到 20 世纪 80 年代中期，TC 值较低的金属和合金都一直是超导的支柱，此后高温超导研究开始蓬勃发展，然后才进入了新陶瓷（金属氧化物）时代。BCS 理论似乎没有充分地解释这些以铜和氧为主要成分的材料中的高温超导现象。库珀对现象似乎依旧十分重要，但是其他一些过程可能也起作用。科学家们注意到，氧的含量很重要——氧越多越好——这些氧原子与铜结合，形成超导电流似乎通过的链和平面。陶瓷中的其他一些金属也很重要，因为它们为库珀对提供电子。迄今尚无人能够确切地了解这一过程。正像杜邦实业公司的亚瑟·斯莱特所说：“每个理论家至少有一套理论”。

前 景

迄今为止，还没有哪个理论家能解决超导的实际应用问题。其中一个问题就和梅斯纳效应有关。困难在于，如果磁场足够强，就能克服超导体的斥力，穿透超导体并且破坏超导现象。出现这一现象的磁场强度叫作临界场强（critical magnetic field）。这里的问题是电流产生磁场（人们设想将来可利用超导技术制造大型电磁铁就是因为这个原因）。这一课题也成为世界第 22 号难题。如果采用超导体输送电流，而电流强度足以应用于商业，那么超导体会产生足以破坏自身超导现象的磁场。就这一问题而言，超导体目前的临界场强还不够高，因而不能在实践中大规模应用。

然而希望还是有的。超导体分为两大类：第一类超导体是较早的一种， 纯金属只有在温度极低的情况下才出现超导现象，它们的临界场强很低。第二类超导体是金属混合物及氧化陶瓷，可在较高温度下出现超导现象。它们的临界场强相当高，并且有可能在不远的将来提高到可供商用的水平。

但是还有一个问题。当通过某种材料的电流超过一定限度时，超导现象就消失，这种现象叫作临界电流密度。目前，在液氮温度范围内工作的超导体的临界电流密度比实用的电流密度要低近 100 倍。

现实确实是严峻的。只有出现大规模技术革命，超导研究才有可能出现飞跃性进展。然而问题仍然存在。事物总有两面性。超导已经限于军用或在私人企业中有限度地利用，而尚未扩展到商业领域。这项技术尚未成熟，而且成本高得惊人。以磁悬浮列车为例，我们虽然可以建造出磁力悬浮列车，但铺设每英里轨道的造价却高达 3000 万美元。

每年我们都会向实现美好前景迈进一步。“新炼金术士”正在研制更好的材料，以达到更高的临界温度，更高的临界场强和更高的临界电流密度。迄今已为探索这一课题的科学家们先后颁发了 9 项诺贝尔奖。在我们能够乘坐磁力悬浮列车出差或利用来自南极圈的核电站的电力照明之前还得颁发多少这类诺贝尔奖呢？

（任海燕译）