摘要：伟大作家马尔克斯在小说《百年孤独》中描绘了一个奇幻的故事开头：「多年以后，面对行刑队，奥雷里亚诺·布恩迪亚上校将会回想起父亲带他去见识冰块的那个遥远的下午。」

01

伟大作家马尔克斯在小说《百年孤独》中描绘了一个奇幻的故事开头：「多年以后，面对行刑队，奥雷里亚诺·布恩迪亚上校将会回想起父亲带他去见识冰块的那个遥远的下午。」

生活在热带的人从未见过冰这种神奇的事物，超出自然感知范围的温度在接触者狂热的头脑中激起了神秘莫测的幻觉，自然的深邃广大、宇宙的无穷无尽，因一种奇怪的触觉变化而显现。

它的背后是一种能被规定和把握的物理现象，即液体随温度降低而凝结，反之则气化。

温度变化无论在物理学领域，还是化学领域，都是实验者对不同物质进行观察、审思、追求差异结果的主要途径。

1911年，荷兰科学家海克·卡末林·昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）在研究低温下金属的电阻行为时，意外发现将汞冷却到极低的温度时，其电阻突然完全消失了。这种电阻为零的现象（同时会把外加磁场完全排斥出去，表现出完全抗磁性），他称之为超导态（Superconductivity）。

昂内斯因这一发现以及氦液化技术，荣获了1913年诺贝尔物理学奖，超导研究的大门从此被打开。

02

这意味着什么呢？

由于多数导体靠电子的活跃性实现电力的传输，电在传导过程中是有损耗的，所以电线才会发热，阻力太大就会烧断，导致短路。倘若输电线都用超导体的话，那就意味着能量运输的超距离，完整快速地抵达目的地，最大限度地发挥功用。

试想，某人沿着一条拥挤的街道骑自行车，为了避开行人和障碍物（这就像普通导体的晶格缺陷和杂质），每蹬一脚都会损失一些能量，导致速度变慢，要到达目的地必须付出更多能量。就如同对电而言，电阻消耗了它的能量，并将其转化为热量（摩擦）。

有了超导体，相当于一条神奇的「空中高速公路」出现，没有行人和障碍物，没有任何空气阻力。骑行者进入这条高速公路，只需在初始阶段蹬一脚，就可以永远地滑行下去，完全不需要再用力，速度也不会有丝毫损失。

这已经不仅仅是物理学的美好场景了，简直充满诗意！

当电流面对绝缘体时，由于缺乏能够输送电能的自由电子，停滞不前。当电流通过普通导体，电子能够前行，但会不断与原子核的振动和晶格缺陷发生碰撞，从而损失能量，产生电阻。当电流通过半导体时，则要么通过（此时是普通导体），要么绝缘。

倘若电流冲入超导体，由于在极低的温度下超导体内部形成特殊的状态，电子不再像单个个体那样运动，而是成对地结合成「库珀对」，可以像一个整体一样，无视晶格的阻碍，毫无阻力地向前运动，不会有任何能量损耗，这就是超导体的零电阻特性。

科学的探索充满诗意，它在最后的时刻往往是依赖无意识的试探性动作来实现的。超导体所预示的世界正好说明了这种过程的诗意，乃至结果的诗意。

03

现在，我们回顾一下这充满诗意的技术的发展史。

第一阶段：发现超导现象

1908年，荷兰物理学家海克·卡末林·昂内斯成功将氦气液化。

1911年4月8日，海克·卡末林·昂内斯在使用当时刚刚生成的液氦作为制冷剂，研究低温下固态汞的电阻时，他赫然发现，当温度达到4.2 K时，电阻突然消失了。在同一个实验中，他还观察到了2.2 K时氦的超流体转变，但并没有意识到其重要性。

1913 年，人们发现铅在7 K时具有超导性。

04

第二阶段：随后的发展和理论研究

1933 年，德国物理学家瓦尔特·迈斯纳和罗伯特·奥克森菲尔德发现了超导体的完全抗磁性，即当超导体处于超导状态时，超导体内部磁场为零，对磁场完全排斥，即迈斯纳效应。但当外部磁场大于临界值时，超导性被破坏。

1935年，解释超导现象最早的理论出现。弗里茨·伦敦和海因茨·伦敦兄弟在提出伦敦方程，这套方程基于经典电磁学理论并能有效的解释迈斯纳效应。根据伦敦方程，超导体内部的电场E以及磁场B可以表述为以下关系(高斯单位制cgs)：

第一个方程说明了超导体零电阻，即无穷大电导的特性；第二个方程结合麦克斯韦方程组可以推导出磁场只能穿透超导体的表面，这个穿透深度称之为伦敦穿透深度，超导体内部的磁场则为零，即是迈斯纳效应。

1953年，科学家发现了合金超导体硅化钒。

1957年，美国物理学家约翰·巴丁、利昂·库珀和约翰·施里弗提出了以他们姓氏首字母命名的BCS理论，用于解释超导现象的微观原理。

按这一理论解释，在极低的温度下，金属晶格的振动（声子）作为「媒介」，使自旋和动量都相反的两个电子组成动量为零、总自旋为零的「库珀对」，从而配对形成库珀对（Cooper pair）。这些库珀对作为一个整体运动，不会被晶格中的缺陷或杂质散射，因此能够实现零电阻的超导电流。

BCS理论的建立标志着超导研究进入了新的阶段，巴丁、库珀、施里弗因此获得1972年的诺贝尔物理学奖。

05

第三阶段：高温超导体的发现

BCS理论成功解释了常规超导现象，根据该理论预测，超导的临界温度存在一个极限，即麦克米兰极限（McMillan limit），约为30 K至40 K。这一限制曾让很多人认为，超导体的临界温度不可能超过这个范围。

1986年，瑞士IBM公司的研究员贝德诺尔茨（Bednorz）和米勒（Müller）在一种铜氧化物（钡镧铜氧化物）中发现了高达35 K的超导电性，打破了麦克米兰极限，被称为高温超导体。

这一惊人发现迅速引发了全球性的超导研究热潮，贝德诺尔茨和米勒因此在次年获得了诺贝尔物理学奖。

1987年，中国科学院物理研究所的赵忠贤团队和美国休斯顿大学的朱经武团队几乎同时发现了一种钇钡铜氧化物（YBCO），其临界温度达到了93 K，成功突破了液氮的沸点（77 K）。

液氮比液氦便宜得多，这一突破极大地降低了超导体的冷却成本，为超导技术的商业化应用带来了巨大的希望。

06

第四阶段：近期与现在

2008年，日本科学家细野秀雄在铁砷化合物中发现了临界温度为26 K的超导电性，开启了铁基超导体的研究浪潮。

随后，中国科学院物理研究所的陈仙辉、赵忠贤等科学家团队在铁基超导体材料上取得了突破，将其临界温度提升至55 K。

2015年，物理学者发现，硫化氢在极度高压的环境下(至少150GPa，也就是约150万标准大气压)，约于温度203K （-70 °C）时会发生超导相变，是目前已知最高温度的超导体。

2018年3月，21岁的中国物理学生曹原在《自然》期刊上以第一作者发表两篇论文，内容是试验发现两层石墨烯以1.1度的偏转夹角叠起来时实现了1.7K温度下的超导。

这种超导方式虽然离高温超导很远，其价值在于向揭开超导原理的成因迈出一大步，一种绝缘体或不良导体透过参杂与变换突然变成超导体，是众多当前热门铜氧系超导材料的特性。

罗伯特·劳夫林（1998年诺贝尔物理奖得主）发表文章认为这种思路给出了「一个令人目眩的暗示」，也许超导体成因没有想像中复杂，终有一天能轻易用一套物理计算法算出怎样的物质在怎样情境下能超导，那时瞬间就能推理设计出常温超导体，大幅改变科技进程。

2023年，韩国团队声称发现了一种常压下的室温超导体LK-99，引发了巨大的轰动和争议。可惜，随后的复现实验并未能证实其超导性，大多数科学家认为该材料不具备超导特性。

来源：刘兴亮