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超导现象一直都是物理学界研究的热点，近期有关“室温超导”的研究成果在国际国内引发广泛热议，超导相关应用，如量子计算机、超导磁悬浮列车、高温超导输电缆等也因此走进了公众的视野。几乎无所不在的“超导”是什么？超导研究之路上发生过哪些不为人知的科学事件？基础研究中的超导和我们普通人的生活又有什么关系？
本期首都科学讲堂邀请中国科学院物理研究所研究员、科普作家罗会仟，带领公众了解超导的前世今生，展望超导技术未来的应用前景。
主讲嘉宾：
罗会仟中国科学院物理研究所研究员、科普作家▲超导百年探索之路（上）
▲超导百年探索之路（下）
电阻的基本认识提起超导，首先要从电阻知识来认识。《说文解字》中指出：“电，阴阳激耀也。从雨从申……申泄而为电。”繁体的“電”字，上面是一个雨字头，中间是一个“田”字，上半截字形的意思是天上的雨落到了田里。接下来还有一个竖钩，即“申泄为电”，下半截字形的意思是天上的东西漏到地上后就成为了电。“阴阳激耀”实际说的是电的正负电荷。《说文解字》反映了古人对电的认识，也是对自然界物理学认识的一个开端。
早在公元前多年，古希腊时期的思想家、科学家、哲学家泰勒斯就记载了摩擦起电和磁石吸铁的现象。近代电学的研究始于年的荷兰莱顿大学，物理学老师莫森布鲁克发明了最早的电容器莱顿瓶，可以被用作保存静电的装置，是电学研究的基础。当时一位英国科学家给他的美国科学家朋友本杰明·富兰克林寄了一个莱顿瓶。富兰克林提出了一个基本概念：天上的雷电和地上的摩擦起电可能是一回事。他设计了一个非常大胆的实验：下雨天去放风筝，然后绑上金属钥匙，再加一根金属线，把天上的雷电捕捉储存到莱顿瓶中，然后去研究它。这个实验非常危险，富兰克林也并未真的去做。
接下来，越来越多的近代科学家去研究电：库仑发现了电荷的相互作用，奥斯特发现了电磁感应，还有伏特、安培、法拉第、麦克斯韦等科学家，一步一步地通过理论和实验，让人类对电的认识越来越深入。这其中，不得不提的一位科学家就是欧姆。
欧姆是德国的一名中学物理老师。有一个问题一直困扰着他：金属会导电，但这些导电材料有什么共通之处？他想通过实验去得出一个结论。
在欧姆那个年代，想做出电学定量测量实验是非常困难的。当时没有电源，仅有伏特发明的所谓伏打电堆，而且输出的电压非常不稳定。欧姆只能去做一个温差电池——一块金属一头泡在开水中、一头泡在冰水里，当它的两端产生确定温差后，就会产生电压。
欧姆还利用电磁感应原理发明了电流计。有了稳定的电源和能测量电流的电流计，他研究了很多材料后发现，这些材料的电阻都存在一个共同的特点。固定材料的电阻和长度跟横截面有一定的关系，不同材料有基本的电阻率，即电流在材料中流动时会受到阻碍。
那么微观上究竟发生了什么呢？年，J·J·汤姆逊发现了电子，并因此获得年诺贝尔物理学奖。人们终于知道了电子是最小带电单元，电阻现象就是电子在材料里面“跑”的时候受到阻碍的情况。材料中大概会是怎样一幅景象？凝聚态物理学的两位科学家，一位叫布里渊，一位叫布洛赫，根据原子排列的周期性，解答了电子是如何运动的，同时让公众了解到电阻是怎么来的。
我们可以把原子想象成一个均匀排列的格子，带正电荷。电子带负电荷，因为它很小，所以运动速度很快，在材料中会“乱跑”。电子“乱跑”的过程会受到带正电荷原子的影响。如果不加电场的话，电子会向各个方向跑，整体来看电荷就好像没有发生移动一样，平均电流是0。当我们施加一个电场的时候，所有电子都能同时感受到电场提供的漂移力，这个定向漂移的状态实际上就是电流。
据此，我们可以把已知材料简单地分成三类：一类是绝缘体，它的电阻非常大，甚至无穷大；一类是半导体，它的电阻比较大；最后一类就是导体，它的电阻比较小，金属大部分都是导体。当然，这种区分也不是绝对的，假如把一种导体材料做得特别细小，它的电阻也会很大。所以，从物理学角度来区分三者，需要的附加因素是温度，绝缘体的电阻随温度下降会上升；半导体的电阻随温度会下降也会上升，但上升较慢；而导体的电阻则会随着温度的下降而不断下降。超导的基本性质和应用超导体，首先必须是一个导体。我们已经认识到，导体的电阻随温度下降而下降，那么，当温度下降到非常低时，导体会发生什么呢？
金属中的电阻主要来源于两部分，原子实热振动对电子的散射和杂质/缺陷等对电子的散射。降温只是让原子振动变弱，但无法改变杂质/缺陷的存在。因此，年，物理学家马西森预言金属电阻随温度下降到一定程度之后，将保持不变，即存在一个有限大小的“剩余电阻”。但物理学家开尔文不太同意这个观点，他认为在足够低的温度下，电流中的电子也有可能被“冻住”而不能前进，导致金属电阻迅速增加。低温物理的先驱杜瓦和昂尼斯则又有另一种观点，金属的电阻随温度下降会持续稳定地减小，最终在逼近零温极限下趋近于零，成为一个没有电阻的“完美导体”。
年，荷兰莱顿大学的卡末林·昂尼斯站在前辈科学家的肩膀，在他自己苦心经营的莱顿低温物理实验室中，成功研制出了液氦，成为世界上第一个掌握4K以下低温技术的科学家。
昂尼斯掌握了液氦技术后，就通过实验去验证低温下不同金属材料的电阻到底会发生什么变化。他想到的第一个非常合适的材料就是水银温度计里的金属汞，为什么选这个材料呢？因为金属汞在常温下是液态的，它就是一个几乎没有杂质和缺陷的完美金属。
测量汞的电阻时昂尼斯发现，温度在4.2K以上还有0.1欧姆的电阻，一旦低于4.2K，电阻就小于10-5欧姆，测不到了。昂尼斯把这个现象称之为超导。因为液氦技术的实现和发现超导现象，昂尼斯获得了年的诺贝尔物理学奖。
超导体除了导电性能特别好，还有一个很神奇的性质——它具有磁效应。年，德国科学家迈斯纳发现了超导的磁效应，又叫迈斯纳效应。简单来说，就是超导具有完全的抗磁性，即我们把超导体放进磁场中，磁通线会绕着它走，无论是先加磁场后降温变超导，还是先降温变超导再加磁场，结果都一样。磁通线进不去，以至于它内部的磁感应强度也是零。
当然，不是说磁永远进不去，在足够强的磁场下或足够高的温度下，磁通线还是可以进去的。根据这个情况我们进一步把超导体分成两类：第一类超导体和第二类超导体。第一类超导体就是磁通线如果达到一个临界值，它一瞬间就全部进去了，把抗磁性和零电阻同时破坏掉；第二类超导体是把抗磁性和零电阻分开破坏掉。我们目前常见的超导体绝大部分是第二类超导体。
超导是有微观理论解释的，这个理论就叫作BCS理论，以三位科学家的名字命名，一位是Bardeen，一位是Cooper，一位是Schrieffer，BCS是他们名字的缩写。这三位科学家成功推测了从一个电子变成两个电子的情况，一个电子“单独跑”肯定会受到阻碍，两个电子“配对跑”为什么不会受到阻碍呢？
▲超导基本的物理图示｜李政道授意、华君武漫画（孙静重绘）
如上图所示，我们可以把电子当成只有一个翅膀的小蜜蜂，一个翅膀飞不起来，但是左翅膀抱右翅膀，两个蜜蜂配对就飞起来了，这叫作“单行苦奔遇阻力、双结生翅成超导”，也是BCS理论的精髓。
超导有很多重要的效应，有电和磁的效应，也有热力学的效应，同时也是一个宏观量子现象。那么超导材料到底有什么用呢？
稍微留心，你就会发现在生活里，超导材料可以说是“无处不在”，所有能够用到电和磁的地方都能用到超导材料。
比如输电，为了减少输电的损耗，我们通常需要加几千伏上万伏的电压，即使这样还是会有大约15%的损耗。
如果用超导，就可以把这部分损耗省掉，因为它的电阻是零，这是非常重要的。实际上，高温超导电缆我们今天已经用上了，深圳第一高楼平安大厦的地下就埋了一根高温超导的电缆。
医院做核磁共振，医生会要求把身上的金属物品摘掉，因为我们要进入一个“大圆圈”里去。这个“大圆圈”就是超导磁体，有很强的磁场。
超导对未来的能源发展也会有很大作用，比如可以用来做超导可控核聚变，也叫人造太阳，这是解决未来清洁能源的重要途径之一。在基础科研里，超导体的使用也很广泛，比如粒子物理实验中需要大型加速器设备，这些加速器设备就可以借助超导磁体，把粒子加速到很高的能量。在交通领域里，目前日本已在建设商业化的超导磁悬浮列车，速度每小时可达公里以上。超导还可以用作未来宇宙飞船的发动机，超导体发动机所需单位燃料体积更小，飞船航行时间可以更长。超导材料的探索历程要实现超导的广泛应用，我们有一个关键的问题需要解决——找到一个好用的超导体。好用的超导体必须具备“三高”：高临界温度，高临界磁场和高临界电流。
超导体要有足够的温度才能实现超导，磁场太强也会破坏超导，电流太大也不行，必须三个条件都很高，这个材料才好用。三方面都达到要求很难，物理学家还不知道怎样提高临界磁场和临界电流密度。我们就需要去找合适的高临界温度超导材料。
从第一个金属汞开始，科学家对元素周期表中每一个元素的单质进行测试。结果令人惊讶，发现很多元素单质都是超导体，但是导电最好的金、银、铜不是超导体。
找完单质，再去找元素化合物。比如最高超导温度的单质是金属铌，金属铌的Tc（超导材料由正常态转变为超导态对应的温度，以Tc表示）是9K。接着寻找铌的化合物，比如碳化铌、氮化铌等，氮化铌的Tc为16K。再合成铌三烯、铌三锗等一系列的化合物，科学家发现铌三锗的超导温度可以达到23.5K。
除寻找各种化合物外，理论家还做了计算，结果比较悲观：超导温度似乎是有上限的，上限是40K（麦克米兰极限）。这个数字相当于看不见的天花板，好像超导材料Tc永远都超不过40K。
实验物理学家也喜欢预言，比如一位名为马蒂亚斯的物理学家（铌三锗等材料的发现者）认为探索新的高温超导材料有6个条件：晶体结构高对称性、电子态密度要高、不能有氧、不能有磁性、不能是绝缘体、不要相信理论家。这6条到底哪一条是对的呢？
J.GeorgBednorz和K.AlexMuller是来自IBM的两位科学家，他们发现的超导材料是一个氧化物，化学名称叫钡镧铜氧。它是准二维结构、低载流子浓度、氧化物、母体是绝缘体、有磁性，这说明前面5条全错了，只有第6条可能对。而这种材料的超导温度能够达到35K，已经逼近40K红线。
年初，中国科学院物理研究所的赵忠贤团队、美国休斯顿大学的朱经武及吴茂昆团队，他们发现了钡钇铜氧，与钡镧铜氧只差了一个元素。换了一个元素之后，这种材料的Tc奇迹般地达到93K。这意味着突破了液氮温区，证明麦克米兰极限被突破了。
一升液氦的成本需要好几百块，而一升液氮只要几块钱。因为温度高且价格便宜，科学家找到了一系列的铜氧化物高温超导材料。铜基高温超导体目前常压下能达到K的超导温度，加压后达到K。虽然临界温度高，但铜氧化物属于陶瓷材料，一碰就会碎，不太适合应用，所以这种材料“不好用”。
那么我们能不能解释铜氧化物的超导温度这么高的原因，进而寻找到Tc更高的超导材料呢？年，日本科学家细野秀雄发现一种很重要的材料——铁基超导体。他发现，镧氧铁砷氟材料的超导温度可以达到26K。当年3月，中国科学家发现把镧氧铁砷氟中的镧换成一系列稀土后，奇迹出现了。换了一个元素的钐铁砷氧氟，超导温度可以达到55K。从26K到55K是一个质的飞跃，意味着新一代的高温超导体——铁基高温超导体的诞生。
现在，中国科学家发现了很多铁基高温超导体的家族成员。需要解释一下，高温超导的温度并不高，以40K的麦克米兰极限为标准，40K相当于-℃，比月球的最低温度还要低。物理学上把Tc能够超过40K的材料都叫作高温超导材料，目前达到标准的材料只有铜基和铁基。
当然科学家还是没有放弃寻找新的超导材料，我把寻找的过程形象地比喻为“费米海钓鱼——愿者上钩”。“费米海”是什么意思呢？
电子是一个费米子，我们可以想象一下，众多电子的状态就构成了广阔的“大海”。超导材料的导电性质大部分跟电子状态是相关的。所以，假如你在这个“费米海”中“钓鱼”，你会钓上来各种各样不同电子状态的组合，每个组合就代表一种新的材料或一种新的物理性质。科学家们正是通过这种方式，找到了很多有意思的材料，比如在年发现了二硼化镁超导体，超导温度很高，可以达到39K。
后来，科学家又发现了一个很有意思的材料——钠钴氧。钴氧化物本身不超导，但如果把它像蒸包子一样蒸一蒸，就能变成含水钠钴氧超导体。还有一种叫做铁碲硫化合物，日本科学家发现，将其泡在不同的酒里就可能超导。这种材料还特别有“酒品”——它最“喜欢”法国某酒庄某年份的一款红葡萄酒，而且能区分真酒假酒——直接泡在乙醇（酒精）水溶液中就几乎不超导。
年，来自中科大少年班的曹原，他在麻省理工学院读博时发现了扭角石墨烯——把两层石墨烯堆在一起“搭个积木”，转个角度，超导便产生了，非常神奇。但是这个超导温度很低，只有1K左右。室温超导如何实现？人类一直希望能够找到室温超导。物理学中，室温被严格地定义为K，也就是27℃。我们非常希望找到K以上的超导体，实际上科学家也做了很多努力，陆续寻找到1万多种超导材料，统统不好用。那到底能不能实现室温超导？实际上是可以的。
目前，从实验上直接有希望找到的室温超导体是金属氢。氢在常温下是气体，经过加压之后，它会成为液体，再继续加压可以成为固体，再进一步加压让氢离子之间的距离足够近的话，我们就能实现一个金属化的氢。
根据BCS理论，金属氢本质上就是一个室温超导体，超导温度预期可以达到很高，大概在K以上。但找到金属氢是一件很麻烦的事情，因为理论上需要几百万个大气压。
几百万个大气压是什么概念？地球内核压力在万个大气压左右。要实现这么大的压力，科学家们用世界上最硬的材料——两块金刚石“对着压”，叫做金刚石对顶砧，最高能达到万个大气压以上。在这个基础上去找金属氢，这一找就找了80多年。
年，美国哈佛大学的物理学家Silvera和Dias在Science杂志上发表了一篇同行评议论文，宣称他们制造出了世界上首块金属氢。但当他们去做重复实验的时候，金刚石碎掉了。这个实验没有真正被重复，其他的研究组也没有验证实验，所以金属氢有没有实现目前是要打问号的。
当然，实际上科学家还有别的途径。直接合成氢需要的压力很高，是不是可以从氢的化合物入手呢？
年8月，德国马克斯·普朗克化学研究所的物理学家Eremets及团队发现，氢硫化合物能在-70℃左右的温度下出现超导现象。年，这一团队又发现超氢化镧在万个大气压的高压条件下，进入超导状态只需要-23°C。
年，宣称发现金属氢的Dias在美国罗切斯特大学当了助理教授，他声称发现了一种更高温度的超导体碳氢硫混合物，在万个大气压下能在15℃进入超导。但很遗憾，论文数据受到很多同行的质疑，作者也没有正确地回应，年，这篇发表的论文最终被Nature杂志撤稿。
今年3月，又是这位Dias，宣称找到一种更新的三元素超导体，一个元素是金属镥，一个元素是氢，还有一个元素是氮，可以叫做镥氮氢或镥氢氮。他声称1万个大气压下这种材料的超导温度能达到21℃。令人遗憾的是，南京大学闻海虎团队在几乎复刻了此种超导材料并完成测量以后，得出了与之完全不同的结论。所以室温超导的真正实现，可能仍要假以时日。
超导现象从年被发现至今已多年，它已经成为物理学中的一个重要分支，与超导有关的诺贝尔奖已经授予了5次。超导电性的应用也已在许多方面发挥着不可替代的作用。我们通过整个超导的百年探索可以看到，机遇永远会青睐有准备的人，只要坚持做下去，超导的未来一定会充满惊奇，充满希望。
（本期图片、视频来自第期首都科学讲堂）
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