简介：关注有一种东西，一旦得到，那么电动机功率就能大到没谱，一辆电动车就能飙到让法拉利怀疑人生。那就是超导材料。先从人类技术革命说起。第一次：蒸汽机，那个年代就一台机器也能闹革命；第二次：电气技术，算是一个全新的领域；为什么第三次技术革命会闹得这么没有章法？因为任何单一枝干都很难让枝繁叶茂的科技树主干动摇分毫，无奈大家就只能组团闹革命了。所以第三次工业革命没有明显的标志，甚至没有明确定义。没办法，组团闹...
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有一种东西，一旦得到，
那么电动机功率就能大到没谱，一辆电动车就能飙到让法拉利怀疑人生。
那就是超导材料。
先从人类技术革命说起。
第一次：蒸汽机，那个年代就一台机器也能闹革命；
第二次：电气技术，算是一个全新的领域；
为什么第三次技术革命会闹得这么没有章法？
因为任何单一枝干都很难让枝繁叶茂的科技树主干动摇分毫，无奈大家就只能组团闹革命了。
所以第三次工业革命没有明显的标志，甚至没有明确定义。
没办法，组团闹革命，革命功绩不好分啊！
那么接下来的革命路线该怎么走呢？
第四次工业革命，是继续组团模式，把什么人工智能、3D 打印、新能源，这些都放一锅，
来个东北大乱炖？
还是会出现一位孤胆英雄，单凭一项战略级技术，撼动整棵科技大树呢？
吃瓜群众自然是喜欢超级英雄的，虽然眼下还没什么指望，
但咱们合计一下，目前台面上的技术，有哪些将来有可能担此重任呢？
想想，好像除了大名鼎鼎的可控核聚变，还有一位百年如一日奔波在革命道路上的老前辈。
他就是超导——最早被认为可能引发工业革命的技术。
不过，这个命，革到了今天，依然尚需努力。
其中最接近革命成功的时刻是 1986 年和 1987 年，
有俩哥们发现了氧化物陶瓷也能超导，临界温度蹭蹭往上涨，业界那是一下炸了锅！
仅仅在第二年，就火急火燎迎来一个诺贝尔奖，
创下了获奖时间距成果发表时间最短的纪录（引力波得奖也是这个速度，而咱们屠呦呦的青蒿素足足等了 43 年，实际上，大多数诺贝尔奖都会等上个几十年）。
在当时，中国从事超导的人数从几百人暴增到几万人，全世界呈现出一种跑步进入共产主义的夸张氛围。
仅仅 1987 年上半年，人民日报报道超导达到数十次，而且标题一次比一次惊人：
比如，发现迄今世界转变温度最高超导体，超导材料研究突破性进展意义重大，
我国超导材料研究获重大进展，我国超导材料研究继续居世界前列，超导材料正在进入应用阶段……
说实在的，改革开放之后，咱们的人民日报还是很严谨的媒体的，在技术方面轻易不吹牛，
而超导却在半年之内刷版无数，头版头条不在话下！
试问，还有后来者吗？
不光中国，连全世界都以为超导革命成功在望，一片欣欣向荣……
在这里呢，我要纠正个容易混淆的概念，这里说的是技术革命，不是科学革命。
准确点来说就是工业技术，他不包括管理技术、画画技术、演唱技术这些……
我们用英文来讲可能会更明了：
分别是 technology 和 science，而科学革命则是以量子力学相对论为代表。
我们的问题来了：超导，凭什么能成为革命的种子？
这事还得从「电」说起。
电，妙不可言
当年法拉第发现电磁感应现象（这是科学），
进而折腾出发电机（这是技术），
当时他还被人嘲笑，说这种只会在导体里流动的东西有什么用？
如今任何人都知道，电是现代科技最重要的载体，
所以能革了电的命，也就等于革了现代科技的命。
因此，我们先来明确一下超导的革命方向。
对于金属导体来说，电流的本质是电子的移动，温度的本质是原子的振动。
请记牢这两点。
自然而然的，电子在导体中移动时会与振动的原子不停地发生碰撞，跌跌撞撞那就很影响电子移动的速度，这就是电阻。
原子被电子撞啊撞啊，振动就会越来越快，在宏观上就表现为温度上升，这个就是导体通电会发热的原理。
而原子振动加快，与电子的碰撞就更多，所以导体温度越高，通常电阻越大。
这些都是中学课本上的内容。
思路来了，如果原子不振动的话，电子在移动时岂不就没阻力了？
沿着这个思路往下走。
固体的温度的本质是原子的振动速度，如果原子不动，也就没有了温度的概念，这就是：绝对零度，
换句话说，也就是零下 273.15℃，这是温度的起点，
注意，不存在-300℃的东西。
这些呢，都是中学课本的内容。
但是想让原子完全不动，几乎不可能，达到零开尔文的难度和达到光速的难度其实是一样的。
这是当前的物理理论不可逾越的高低两条边界。
我们理清了电阻的本质和温度的本质，超导的革命方向就明确了，
原子的振动减弱到什么程度，才能让电子无阻力地移动呢？
换个等价的表述：温度要低到多少才能实现超导？
这个转变温度叫临界温度。
如果谁能在室温下实现超导，那么咱们的革命就算成功了。
顺便说一下，电阻为零并不会产生无限大的电流：
一来，导体内的电子数量有限；
二来，电子的移动速度同样不能超过光速，而电流大小取决于单位时间内通过的电子数量。
因此，不存在无穷大的电流。
懂了概念，就让我们来憧憬一下超导革命的美好场景吧。
省电的意义
说起超导，几乎所有人马上就会想到咱们现在远距离输电所要损耗掉的 15% 的电能，
但，如果折腾超导只是为了省这点电，那也太没追求了！
国际政治博弈中有两大重点：
第一：能源；
第二：能源的运输。
谁把这俩惹祸精解决了，世界至少比现在和平 90%。
从技术角度讲，能源最终都可以采用电的形式，
但考虑到成本问题，我们还在使用石油煤炭天然气这些化石能源。
因为，电的远距离传输很麻烦，
它不但技术复杂，而且距离一旦超过几千公里，传输也相当吃力。
所以发电区域和用电区域的距离有一定限制，你不可能在北极建一个发电厂供全球使用。
再加上历史政治经济这些七七八八的因素，全球的主要能源还是石油，
所以，为了争夺石油，中东估计还能热闹一阵子，
说个题外话，你炒菜的时候也不要放太多油，搞不好美军都想来攻打这盘菜了。
咱们回到正题上来，
假设，我们有了一套全球性的超导输电网，
无论在地球上什么地方发电，只要接入到电网中，就能把电传输到其他任何地方，你能想象这件事对国际格局的影响吗？
这里面还包含了一个问题：电从哪里来？
小盆友，可控核聚变了解一下？不过这个话题，咱们改日再聊。
超导革命的第二个场景，是所有与电相关的设备，性能上都可以刷到爆表！
功率大增，能耗下降，结构简化，
而且，不发热。
随手举几个例子：
数码产品基本不会坏，待机时间还超长；
电动机功率大到没谱，一辆雅迪电动车就能飙到让法拉利怀疑人生；
超导发电机，一个抵得上过去的十个；
所有的工业变速装置也可以歇菜了，变速箱、减速机成历史，设备大大简化……
而且，量变累积到质变，就可以产生一些新的应用。
比如超导储能，
可以把电流储存在超导线圈里，相比电池电容有不少独到的优势，超导储能是当前比较热门的研究领域。
另外，电和磁，实际上是一回事，有了电就等于有了磁。
于是，与磁相关的技术也能刷新一圈，其中强磁场的应用最有意思。
磁悬浮车满天飞，房子可以飘在空中，飞机可以装刹车挂倒挡，你也可以坐着魔毯去上学……
与电、磁相关的东西刷新了一圈，那也就等于全世界刷新了一圈。
总之，超导前途棒棒的！
那么，问题来了，
我们离革命成功还有多远？
先来说说超导的本身。
现实世界不存在理想状态，这是大伙的普遍认知，比如摩擦力不可能为零。
同理，电子在导体里跑，不可能一丁点阻力都没有，所以电阻总归还是存在的。
谁知，1911 年有个家伙把汞冷却到 4.2 开尔文的时候，无意中发现电阻竟然消失了，
没错，是无意中发现的！
这下尴尬了，这等于一下把物理学家扔到了理想世界，可以说物理学家完全懵逼了！
废话不多说，先给个诺贝尔奖稳一下心神，大家都体面的人，然后，再赶紧找个说法！
绞尽脑汁 40 年，科学家们终于搞出了个像模像样的理论：BCS 理论。
这里呢给大家说个大概：按理说两个电子是不会结合在一起的，因为都带负电嘛。
但是呢，电子在移动时，会吸引周边的正电荷，形成一个局部的高电荷区，这个区域会再吸引自旋相反的电子，
于是，新电子就与原电子结合成了一对。
物理学家用只有他们才懂的公式算了算，发现这对电子结合的能量比低温原子振动的能量要高，
所以原子振动很难拆散他俩。
电子结对之后有啥好处呢？
振动的原子就好比地上的一个个坑，单个电子滚过去磕磕绊绊就损耗了能量。
成对的电子就好像一块平板，可以跨过坑洞，就这么一路畅通无阻地滑过去了。
这只是大概描述，别较真，BSC 理论往严谨了说还是挺繁琐的，说了大家大概也听不明白，我们就别耽误时间了。
这么牛逼的电子咱们得取个名字，就叫「库珀电子对」吧！
你看，这对电子一路狂飙，边上的原子硬是拦不下！
实在太霸气了，诺贝尔奖赶紧给！
于是，看起来是解释通了，超导的关键就是电子对！
电子成对，干活不累！
但是也很绝望，因为库珀电子对的结合力实在是够呛，
只要温度稍稍升到 40K，立马就抗不住了。
这意味着，超导的临界温度不可能突破 40K。
天呐，40K 等于零下两百多摄氏度呐！
得了，这么牛的温度，咱也给取个名字，就叫麦克米兰极限温度。
就这样，超导一度就在 40K 以下的温区浑浑噩噩地混日子，最高纪录也只有 23K，
眨眼，时间就来到了 1986 年。
1986 年瑞士的美国 IBM 公司里的德国科学家柏诺兹和瑞士科学家缪勒，发现钡镧铜氧的金属氧化物陶瓷有超导电性，临界温度约为 35K。
要知道，金属氧化物陶瓷可是实打实的绝缘体，这玩意儿的超导原理绝对不是 BSC 理论能解释的，这说明打破 40K 的魔咒不是梦啊！
来理解一下当时物理学家的心情。
超导从 1911 年到 1986 年的 75 年时间内，
实验上，临界温度仅仅从 4K 提高到了 23K，
理论上，被麦克米兰极限温度死死压在 40K 以内，不可谓不绝望。
整整 75 年啊，少年都白头了。
然而，仅仅 1986 年一年时间就有了巨大的进展。
1986 年 1 月，
IBM 发现 35K 的钡镧铜氧，
接着日本东京大学做到了 37K，
12 月份美国休斯顿大学刷到了 40.2K，
十天后中科院物理所宣布找到了 48.6K 的超导材料，
而次年 2 月份，台湾科学家在美国直接飙到了 98K，
五天后，中科院也干到了 100K 以上，
同年 3 月，日本再度把数据刷到了 123K……
啥也别说了，诺贝尔奖随便拿！
照这个速度，超导革命不是梦啊！
能想象出当年这股风潮有多热了吧！也难怪咱们日报也加入了刷版行列。
但是实验数据在前面一路狂奔，理论却在后面追的非常尴尬。
不是说超过 40K，那牛逼的电子对就会散伙吗？
这 100K 的绝缘体超导咋解释呢？
咱们合计合计，超导必须要电子对，这条规则先别改。
那就用「强关联」打个补丁吧，
就是说，这俩电子还有一种神奇的强关联作用，不管多少温度，这俩电子都得老老实实形成库珀对！
原理就先这样吧，咱们先对付一阵。
后来，这种叫某某铜氧的超导材料，越跑越乏力，
一直到了 1993 年，法国人发现了 135K 的汞钡钙铜氧超导体，随后就跑进了死胡同，很快就冷了下来。
没有理论支撑，终究是跑不了多远的。
接下来咋办？
捋一下思路：最早大伙只在金属导体里找超导，结果冒出个绝缘体超导。
那么，我们是不是应该继续反其道而行之呢？
铁磁材料，由于磁性会影响电子，所以大家都认为有磁性就没法有超导。
还好，已发现的超导材料确实和铁磁没啥联系，这个理论还站得住脚。
然后……一晃就到了 2006 年……
2006 年日本东京工业大学发现了第一个以铁为超导主体的化合物……
理论又是一阵手忙脚乱……
继续打补丁，既然库珀电子对还是不能动，那就这么的：
铁和其他元素形成铁基平面后，不再具有铁磁性。
2008 年，中日两国科学家开始新一轮刷分狂潮，新纪录几乎以天为单位在刷新，眼看着又是一轮狂欢。
然而，铁基超导很快也奔进了死胡同！
根据打了很多补丁的超导理论，铁基超导不可能奔到 77K 的液氮温区，实用性大打折扣。
不过，估计这次没人会斩钉截铁下结论，提出某某极限温度了。
接下来就是继续尝试各种材料、各种条件，听说有人把硫化氢放到 150 兆帕高压下获得了 203K 的临界温度，也是迄今为止最高温度的超导，着实佩服啊。
说个题外话，屁里面有一丁点硫化氢就那么臭，不知道实验人员要戴几层口罩。
2018 年中国的天才少年曹原，把石墨烯拧了一个角度，也发现了超导现象，
虽然离应用十分遥远，但至少又打开了一个全新的超导领域。
各位同学发现没，在超导的革命史上，中国的身影不算少。
没错，在超导领域咱们确实位于第一梯队。
回过头说说 1987 年找到的钇钡铜氧，这是人类首个超过液氮温度的超导材料，什么概念呢？
液氮的价格和可乐差不了太多，成本完全没问题，把超导材料泡到液氮里就能实现超导，
这意味着，超导至少能在部分领域开始应用，意义当然非常重大！
实际上，现在超导已经有不少应用了，毕竟可乐又不是什么贵重的东西，
通常做法是，在管子里外两层通液氮，中间夹层放超导材料，这样就可以确保超导材料在液氮温区工作。
那些必须要用超级大磁场、超级大电流的设备，基本都是超导开路，其中基础科学实验应用最多。
比如，可控聚变里用于约束等离子体的磁场就是超导线圈产生的；
大型对撞机把粒子加速到接近光速，电场磁场也是海了去了，不用超导可不行；
超导量子干涉仪，利用约瑟夫森效应可以探测很弱的磁场；
红得发紫的量子计算机，最被看好的也是超导类型。
液氮的温度是 77K，也就是零下 196℃，所以把 77K 以上的超导材料称为高温超导。
与之对应的是低温超导，得泡液氦和液氢，这玩意儿就不是可乐价了，贵到离谱。
高温超导材料和低温超导材料各有优缺点，有些领域还只能用低温超导材料，
比如医院核磁共振用的超导就是液氦冷却的，所以检查费贼贵。
超导虽有一些应用，但限制还是太多，我们奢望的是常温超导，也就是在室温环境下实现超导。
不过可悲的是，咱们的理论模型，对高温超导来说都是连皮毛都算不上，常温超导就只能当吹吹牛了。
那可咋办呢，谁来给科学家指条明路？
咱们还能遇事不决量子力学吗？
不好意思，量子力学羞愧地低下了头，这事还真不归我管，要么回头再找找相对论？
相对论可是压根就没进过超导的门。
现有的理论物理是帮不上什么忙了，大伙还是像古代炼丹师一样，继续拿各种材料碰运气吧！
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发布于 2022-07-25 16:29・IP 属地浙江