废热无处不在。
往小了说，如果你感受到手机或笔记本发热，那是因为手机或笔记本中的一些内置驱动设备的能量会被转化为不被需要的多余热能。往大了说，电网（如高压电线）在传输过程中会损失超过5%的能量。
每年，电网在传输电能时产生的废热都会造成巨大的经济损失。| 图片来源：jonasschloegljs / pixabay
在全球范围内，互联网巨头所拥有的计算机系统，都需要大量的能量来驱动其大型云服务器和数据中心。然而，为了抵消这些计算机产生的热量，驱动水和空气冷却系统所需的能量甚至更多。
这些废热从何而来？答案是电子。原子中的这些四处移动的基本粒子，会与其他电子和原子相互作用。由于它们带有电荷，当它们穿过某些材料，比如如可导电的金属时，就会散射其他原子并因此产生热量。
超导体是一种能解决这个问题的材料，在超导体中，能量可以高效地流动，而不会产生多余的热量。它们具有巨大的潜力和许多性价比高的应用。它们操纵着磁悬浮列车，为核磁共振设备提供磁场，近年来还被用于建造量子计算机，尽管目前还没有一台完全可运行的量子计算机。
但在许多实际应用中，超导体存在一个基本的问题：这些超导体只在超低温的条件下工作，而无法室温超导。一个多世纪以来，科学家们一直在研究可在”室温“下完美运作的超导材料。数以百亿的科研经费被投入于解决这个问题的研究中，世界各地的许多科学家，都在试图理解超导体的物理学，以及如何增强超导体。
超导机制
超导体是一种在被冷却到超低温时，电流可以在电阻为零的情况下在其中通过材料，如铝、铅等纯金属都可以表现出这种特性。从微观层面上分析这些材料是如何成为超导体并非一个简单的问题。自首次发现以来，物理学家用了40多年的时间，才在1956年对其有了一定理解，并发展出了一个成功的超导理论。
在超导领域，物理学家们专注于研究超导机制，化学家们则致力于将不同元素（比如稀有金属铌和锡）混合在一起，并从其他实验中获得灵感，尝试新的”配方“，以求发现新的、更强的超导体。这么多年来，他们渐进式地取得了一定进展。
超导现象究竟是如何发生的呢？简而言之，它发生在当两个电子在低温下结合的时候。我们从基础物理和化学中得知，两个电子会相互排斥；但是当温度下降到某一点时，电子开始变得容易配对，形成所谓的库珀对——这是会构成超导体的基本单元。这时，两个在通常情况下互相排斥的电子之间，宛若出现了一种能将它们粘在一起的”胶水“。
冷却问题
1911年，汞（Hg），即水银，成为了第一个被发现的超导体。同样，要使这种老式温度计中的常用材料成为超导体，必须将它冷却到超低温度。然而这并非是一件轻而易举的事。
物理学家海克·卡末林·昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）是第一个通过运用压缩和液化氦气的方法做到这一点的科学家，他成功地将氦的温度降到了接近绝对零度（即0K，详见：[color=var(--weui-LINK)]《零，零，还是零！》）。
1913年诺贝尔物理学奖得主海克·卡末林·昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes），他对在低温下研究物质性质以及液氦的制作方面做出了巨大贡献。| 图片来源：nobelprize.org
在昂内斯对水银进行实验的过程中，他发现被放置在液氦容器冷却到极低温度时的水银的电阻，突然下降到0——不是接近0，而是完完全全的0。这意味着没有电阻，没有热损耗，电流一旦产生，就能不受阻碍地不间断流动。
很快， 许多超导材料相继被发现。不过，将它们应用于实际却又是另外一回事。正如前面所提到的，这些超导材料有一个”通病“——需要被冷却到很低的温度，而将一种材料冷却到超导状态所需的能量对于日常应用来说代价太过高昂了。
到了20世纪80年代初，超导体的研究几乎走到了尽头。
惊人的发现
然而，在80年代末，事情却发生了戏剧性的转变。1987年，在瑞士苏黎世的IBM公司的科学家亚历克斯·穆勒（Alex Muller）和乔治·贝德诺兹（Georg Bednorz）发现了一种新的超导材料。几个月之内，这种材料便”红“遍全球，世界各地的实验室都开始合成这种可以在不那么极端的温度下运行的超导材料。
1987年诺贝尔物理学奖得主乔治·贝德诺兹（左）和亚历克斯·穆勒（右），获奖原因是他们在发现陶瓷材料的超导性方面做出了重大突破。| 图片来源：nobelprize.org
这种新的超导材料是一种陶瓷，它由铜和氧与其他元素如镧、钡和铋混合制成。这些材料颠覆了物理学家对超导体的认知。在此之前，这个领域的研究人员一直搜寻的是那些导电性能非常好的材料，而不是几乎绝缘的陶瓷。在正常情况下，这些材料中几乎是不会有电流通过的。
摧毁了物理学家们对传统超导体的认知的是磁性，也就是这些超导体所拥有的一种关键属性——它们本身就是磁体。因此，这些可在更高温度下运行超导体，有着一套不同的运作法则。
在超导体上悬浮的磁体。| 图片来源：Wikimedia Commons
新的挑战
在高温超导体已被发现逾30年后的今天，科学家们正面临一个新的挑战。他们仍然在努力在微观层面上理解超导体是如何工作的。为了解答这些问题，世界各地的许多大学和研究实验室正在进行一系列富有创造性的实验。
举例来说，有物理学家利用一种被称为扫描隧穿显微镜的仪器来“看到”材料表面的电子，从而理解电子在原子尺度上是如何结合和形成超导性的。现在，科学家对于电子在高温超导体重的配对方面的研究已经取得了很大进展。
超导体的发展。绿色圆圈代表的是BCS超导体，绿色星星表示的是重费米子超导体，红色三角形表示的是碳的同素异形体，紫色三角形表示的是巴克敏斯特富勒烯，橙色方形表示的是铁-氮族元素，用蓝色菱形表示的是铜氧化物。| 图片来源：ChemistryWorld；素材来源：PJRay
这些研究具有极大的应用价值，因为这可能是通往真正的室温超导性的路径。一旦成功地制造出室温超导体，那么我们就可以解决从发电厂向城市输送能源途中，代价高昂的热能浪费问题。而这只是其中一个例子，室温超导的潜力难以想象，找到室温超导体中的”胶水“，将是下一个万众期待的大问题。
撰文：Pegor Aynajian（纽约州立大学物理副教授）原文标题为“Physicists hunt for room-temperaturesuperconductors that could revolutionize the world’s energy system”，于2020年6月3日首发于The Conversation，原文链接：https://theconversation.com/phys ... energy-system-80707，中文内容略有编辑，仅供参考，一切内容以原文为准。封面图来源：intographics / Pixabay
发表于 2020-6-4 21:48
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