超導體：看我展示“真功夫”

一只大黑貓

什么是超導體

一提到超導體，你是不是一個頭兩個大？順便在心中打出大大的問號：“這東西是我能理解的嗎？”別擔心，讓我們從幾個基本概念開始，一步步揭開它的神秘面紗。

導體：相信沒人不知道電吧？電其實就是一種可流動的能量，類似于水。水在溝渠、河道中流動，電在哪里流動呢？答案就是導體。銅、鐵、鋁等常見金屬都是導體，鹽水溶液和人體也是導體。相對的，塑料、陶瓷等很難讓電流通過的物體就稱為絕緣體。但絕緣體不是絕對的，有時會被“擊穿”，使電能夠通過。比如空氣是絕緣體，雷電就能擊穿它，從而形成閃電。

但一般的導體是有缺點的，那就是有電阻。什么是電阻？我們可以理解為在導體中有東西阻礙電流通過。電流在和這些東西抗爭時，會有犧牲，會消耗能量，因此電流會有損失，導體還會發熱。

超導體：如果說普通導體是一條坑坑洼洼的土路，電流通過時會遇到阻礙，那么超導體就是一條不限速高速公路，電流可以在上面自由馳騁，不會有損失（即使有，也很小），超導體也不會發熱。

室溫超導體：這是最近的一個熱門詞匯。由于現有的超導體必須在超低溫下才能發揮作用，所以難以大規模應用到我們的生活中。科學家正在努力尋找在室溫下也能工作的超導體，即室溫超導體。

頭號功夫：電流無阻

如果我們將超導體視為一位功夫高手，那么它的第一項超能力，就是能讓“真氣”在體內運行無阻，且不會有損失。這里的“真氣”，指的就是電流。

前面提到過，普通導體是有電阻的，而超導體的電阻超級小，小到幾乎可以忽略不計。科學家曾經將超導體制成閉合的環狀結構，然后在環上激發出電流。經過測量，電流可以在超導體內持續一年以上而沒有明顯下降。

問題來了，“電流無阻”這個超能力有啥用呢？這里只說一點就一定能讓你佩服得五體投地。

你一定見過那些由高大的鐵塔和長長的電纜組成的輸電線路，正是因為有它們的存在，電才能從發電站進入城市，然后來到千家萬戶。現在的電纜，用的是銅或者鋁這樣的普通導體，電流在傳輸的過程中會有損失，也就是說，電還沒被用，就已經憑空消耗了一部分。要是換成用超導體制成的電纜，電流就能實現無損傳輸，不但節約了能源，而且電費也能隨之降低呢！

二號功夫：磁力懸浮

你一定知道磁鐵，它具有天然的磁性，能將鐵制物品吸起來。如果我們將磁鐵看作功夫高手，那么它的磁力來源，就是在它體內有序運行的“真氣”——微觀電流。微觀電流在磁鐵內部呈環狀流動，在宏觀看來就是產生了磁性，形成了磁場。

這個時候，一個學徒出現了，它體內的“真氣”運行得毫無規律，但在磁鐵的影響下，它體內的“真氣”開始學著磁鐵運行，二者的“真氣”相輔相成，甚至合二為一，這位學徒的行為，就是“順磁性”。鐵就是這樣在磁鐵的影響下產生磁性的。

而我們的超導體，則是磁鐵這位功夫高手的“死敵”。它體內的“真氣”，也就是微觀電流，能夠自動凝聚成一束，遇到磁鐵后，這層“真氣”集中在靠近表層的位置環繞不息，對外來磁場形成抵抗，阻止它入內。外來磁場越強，它也越強，能把磁鐵產生的磁場完全排斥出去，體現出完全的“抗磁性”。

正是由于抗磁性的存在，超導體在靠近具有磁場的物質，如永久磁鐵時，會受到排斥，這種排斥可表現為超導體懸浮在磁鐵的上方，也就是磁懸浮現象。

三號功夫：量子隧穿

一提到“量子”，有的科學少年應該知道，這又是要到微觀世界旅行一圈了。

我們繼續將超導體視為功夫高手，不過這次有兩位。這兩位功夫高手被一扇厚重的木門阻隔，它們各在門的一邊，隔著門板朝對方輸“真氣”。這兩位功夫高手太厲害了，它們的“真氣”竟然能夠穿過門板進入對方體內！這就是“量子隧穿”。

用更科學的話來說，就是當兩塊超導體距離足夠近時，即使中間被絕緣體、不是超導體的常規金屬或其他性能較差的超導體阻擋著，也會有超導狀態的電流穿過。也就是說，在超導體內承載電流的微觀粒子能夠像挖隧道穿過山體一樣，在一定程度上克服兩塊超導體間的壁壘，建立聯系。

掌握了“量子隧穿”這門功夫，超導體可以被制成探測微弱磁場信號的器件，還能被用到量子計算等高精尖領域，給人一種“高大上”的感覺。

想成為超導體，三個條件不可少

想要保持前面提到的三項“超導真功夫”，超導體必須滿足三個條件，而且缺一不可。

臨界電流（IC）

超導體可以用來傳輸電流，但傳輸的量是有上限的，一旦超過這個上限，超導體就會失去超導能力。這個上限，就是“臨界電流”。

臨界磁場（HC）

如果外界的磁場足夠強大，超過超導體的承受力，那么它的超導能力也會被破壞，甚至失去超導能力。這個磁場就是超導體的“臨界磁場”。

根據“臨界磁場”的區別，超導體可以被分為兩類。第一類超導體只有一個臨界磁場，一旦磁場強度高于臨界磁場，超導體就會失去超導能力。第二類超導體有兩個臨界磁場。當外界磁場強度超過較小的臨界磁場時，超導體仍然保持零電阻特性，但失去了抗磁性，這種狀態稱為混合態；當外界磁場超過較大的臨界磁場時，超導體才會完全失去超導能力。

臨界溫度（TC）

超導體冷卻至特定溫度以下，才能從正常態轉變為超導態并保持超導能力，這個溫度就稱為“臨界溫度”。就目前來說，絕大多數超導材料都必須要在低至-196℃以下的環境中，才能體現出超導狀態。所以，我們的超導體，都是“冷面高手”呢！

（超導體的溫度究竟有多低？后面告訴你！）

維持超導能力的三個條件不是孤立的。如上圖所示，當超導體所處溫度、磁場強度和通過的電流分別發生變化時，另外兩個臨界指標的數值也會隨之變化，形成一個類似三角錐的曲面。只有這三個物理量都位于該曲面的下方，超導體才會保持在超導狀態。