讓科學家告訴你超導材料為何物？

　　本文介紹了超導材料作為一類新材料的來源、應用領域及其獨特性能，還對超導材料為何具有特異的性能作了解釋，并且指出低溫超導是限制超導材料廣泛應用的原因，目前科學家們正致力于實現室溫超導。

　　早在20世紀初物理學家就已經掌握了將實驗室材料冷卻到絕對零度的技術，并開始研究在極端溫度下材料導電性能。一些元素如汞和鉛，在低于一定溫度時，其電阻為零了！從發現這個現象到過去的幾十年中，從陶瓷到碳納米管，科學家們已在成千上萬的化合物中發現了此類獨特現象。

　　我們現在知道在特定條件下具有電阻為零特性的材料既非金屬亦非絕緣體，而是另一類材料，稱為超導材料。超導材料導電能力優異，電流在超導材料制成的電線中可以循環數億年而不衰減或者消失。

　　電子在快車道“行駛”

　　在微觀上，超導材料中的電子與普通金屬中的有顯著差異，其電子是成對的，這使它們非常容易流動。這種現象有點像在繁忙的公路上的優先行車道。單個電子在流動中容易堵塞，會與其他電子碰撞或者在“行駛”中遇到障礙。然而成對的電子卻有優先通過權，可以在快車道上行駛，更容易在材料中流通以免擁擠。

　　超導材料早已成功運用在實驗室以外的領域，例如核磁共振成像（MRI）。核磁共振成像是利用超導材料產生的強大磁場，使醫生以一種非破壞性的方式觀察到病人體內狀況。通過彎曲和聚焦光束碰撞粒子，超導磁體使CERN(歐洲核子研究中心)研究人員觀察到希格斯玻色子成為可能。

　　當超導材料靠近強磁場時會激發一種奇妙而實用的性能。磁場使電流自發流動于超導材料表面，使超導材料上升，磁場被抵消。這是抽象的磁場力導致的超導材料在磁體上方懸浮現象。

　　我們知道超導材料只能在非常低的溫度才具有特異性能，正是這一點阻止了超導材料的廣泛應用。例如在一些例如汞和鉛的元素中，超導現象在10K以上就會消失。在一些復雜的化合物中，例如YBa₂Cu₃O₇，超導現象能保持在更高的溫度直到100K。盡管這在簡單元素中的溫度有一個提升，但是仍然比南極洲上最冷的冬天的溫度還要低。

　　科學家夢想著找到一種在室溫下呈超導性的材料，但這是個艱巨的任務。因為溫度升高會破壞超導材料中電子對中的結合膠，使超導材料變成金屬態。我們面臨的挑戰是我們對這種膠只是略知皮毛。

　　從超原子到超導體

　　南加州大學的一項新研究使我們對超導現象有了更進一步的理解。Vitaly Kresin和他的合作者成功在一秒內隔離和檢查到一小簇十幾個鋁原子(非大塊材料如電線中的超導現象)。這些小原子簇能起到和“超級原子”的作用，類似單個巨型原子的方式共享電子。

　　令人驚訝的是監測的這些原子簇電子對可以一直保持到100K。當然這仍是非常低的溫度，但比鋁線的超導溫度高出100倍。為什么原子簇超導的溫度能比電線中數百萬溫度高？物理學家對此有些想法但未被證實，而這一現象為更高的溫度下實現超導提供了一個有趣的方法。

　　任何人都能懸浮嗎？

　　如果物理學家能夠實現材料的室溫超導（這種材料將會是電線的寵兒），那么相應的新技術應跟進。首先，電力的設備更高效且耗電更少。

　　長距離傳輸電力更容易實現，尤其是啟用可再生能源方面的應用，有人提議用超導電纜將歐洲和位于非洲的太陽能農場連接起來。

　　超導體能懸浮在強磁體上方為實現高效、超高速磁懸浮列車創造可能。日本工程師曾做過這樣一個實驗：將一架列車的輪子換成超導體，能使列車在軌道上方懸浮幾公分。這種想法原則上是可行的，但是列車上必須使用昂貴的液氮冷卻以確保超導體超導性能的發揮。

　　許多超導技術可能仍會停留在藍圖板上，或者是太昂貴以至于無法實現，除非我們發現能在室溫超導的超導體。然而，Kresin's的團隊做出的貢獻仍有可能是在發現室溫超導的超導材料的旅途上的里程碑。