电阻为零的世界

电阻为零的世界——超导

1911年，致力于低温物理学研究的荷兰科学家——卡末林·昂内斯，在液氦的温度下研究汞时发现：当温度降到绝对温度4．2K左右时，水银的电阻竟然突然地消失了。这种现象是谁也没有预先想到的。由于它的特殊导电性能，卡末林·昂内斯把它称为超导电性，把超导体电阻为零的温度，叫超导临界温度。也正是从那时起，超导这门新兴的物理学诞生了。

日常生活中我们见到的电线中的铜和铝、灯泡中的钨丝和电炉中的合金电炉丝这些都是良好的金属导体。当电流通过这些金属导体时，由于电阻的存在，一部分能量要转变为热能，使金属发热。而金属的电阻随温度的升高而增大，电阻的增大反过来又促进金属的发热，如此恶性循环，金属导线传输的电流将因此受到限制。而超导体最突出的性质是它们处于超导状态时，材料内部的电阻为零，电流通过时不会发热，允许通过的电流达几万安培／毫米2，产生超强磁场。人们把超导体的这种现象被称作零电阻效应。

用超导体制作线圈，通以电流，使它产生磁场，就可以得到超导磁体。由于电阻为零，超导磁体产生很强的磁场，用它做成超导电机磁线圈，可大大提高单机容量，降低电阻损耗。同时，由于可以省去一般电机需要的冷却设备，也使超导电机重量大大减轻了。

1933年，荷兰的迈斯纳和奥森菲尔德发现了超导体的另一个重要性质。当金属处在超导状态时，这一超导体内的磁感兴强度为零，却把原来存在于体内的磁场排挤出去。后来人们还做过这样一个实验：在一个浅平的锡盘中，放入一个体积很小但磁性很强的永久磁体，然后把温度降低，使锡盘出现超导性，这时可以看到，小磁铁竟然离开锡盘表面，慢慢地飘起，悬空不动。人们将这种现象称之为“迈斯纳效应”。

迈斯纳效应有着重要的意义，人们可以到用此原理制造磁悬浮列车。

自1825年世界上第一条标准轨铁路出现以来，火车开始成为人们出行最常选用的交通工具。然而，随着火车速度的提高，轮子和钢轨之间产生的猛烈冲击引起列车的强烈震动，发出很强的噪音，严重影响了乘客的乘坐环境。并且列车行驶速度愈高，阻力就愈大。当火车行驶速度超过每小时300公里时，就很难再提速了。而如果能够使火车从铁轨上浮起来，就可以消除火车车轮与铁轨之间的摩擦，大幅度地提高火车的速度。但如何使火车从铁轨上浮起来呢？近代超导技术的发展，正好为解决这个问题提供了可能。超导磁悬浮方法可将列车在轨道上悬浮起来，利用超导体直线同步电机可以非粘着地推动列车高速前进。磁悬浮列车能无机械接触地由电磁推力稳定地升起和导向。它升起的高度离轨道一般大于10厘米。在静止或低速行驶时，仍由列车的车轮系统支撑。它的升举力、导向力和推进力都靠超导直线电机产生。在轨道上安装了一系列电机的相绕组，这些相绕组从电力系统获得能量，并与列车上的超导磁体相互作用，推动列车前进。

德国和日本是世界上开展磁悬浮研究较早的国家。德国开发的磁悬浮列车Transrapid于1989年在埃姆斯兰试验线上达到每小时436公里的速度。日本开发的磁悬浮列车MAGLEV（Magnetically Levitated Trains）于1997年12月在山梨县的试验线上创造出每小时550公里的世界最高纪录。这相当于中等飞机的速度，且无噪音、无污染、无振动，其载重量更是普通客车所无法比拟的。而在我国，上海磁悬浮列车经过两年的商业试运营，已于2006年4月26日示范运营线项目26日正式通过国家竣工验收。

除此以外，利用超导磁体还可以制成电磁推进船，且已于1992年1月27日下水试航。相信随着研究的不断深入，超导材料将为未来的交通工具注入更多的新鲜元素。

超导为大多数国人所认识应该是在1987年2月25日，这一天，我国国内各大报刊纷纷以大字标题登出了头条新闻：“我国超导研究取得重大突破！”新闻中讲到，中国科学院物理研究所近日获得起始转变温度在绝对温度100℃以上的高临界温度超导体。这项研究成果居于国际领先地位。从此以后，报纸、电视、广播中不断传来世界各国科学家和中国科学家在超导研究中取得重大进展的消息，一时间，像一阵旋风一样，“超导热”席卷了全世界。

其实，对超导的研究是一个循序渐进的过程。最初发现的较高临界温度的超导体，是1941年时德国科学家艾舍曼等人发现的氮化铌，临界温度为15K。到1973年，在一类叫A－15结构的物质中，泰斯塔迪等科学家获得了23．2K的临界温度。这个记录直到1986年之前都没被打破。但科学家们并没有因此而灰心，而是继续努力地探索着，并且又提出了许多新的理论设想。例如，在1963年，美国物理学家利特尔提出，除了电子和点阵相互作用的机制之外，在另一种电子和激子相互作用的机制中，也可能会有很高临界温度的超导体。后来，人们又在理论上继续发展了利特尔的想法，提出了各种结构的激子超导体设想。虽然这种新的超导机制最终还没有得到实验的确证，但它的提出却促进了人们对有机超导体的研究。尽管有机超导体的临界温度目前还不太高，但它无疑是一个很有前途的新的研究方向。

探索高临界温度超导体的历程是漫长、曲折、艰巨的。但终于到了1987年2月15日，美国国家基金宣布，朱经武等物理学家发现了临界温度为98K的超导体，但没有公布材料成分。时隔不久，2月24日，中国科学院举行了中外记者新闻发布会，郑重宣布，物理研究所的赵忠贤、陈立泉等13名中国科学家获得了液氮温区的超导体，转变温度达100K以上，材料成分为钡—钇—铜—氧。至此，人们终于实现了液氮温区超导体的多年梦想，完成了科学史上的一次重大突破。中国科学家的研究工作也随之跨入了世界先进行列。

从1973年23．2K最高临界温度记录，一跃而至液氮温区，转瞬间梦想变成了现实，人们终于可以摆脱液氦制冷的种种不便了。由于氮气在地球上极为丰富，液氮的制备也很容易，所以这一次腾飞的意义非同小可。超导临界温度的这一大幅度提高，可以说是20世纪科学史中最重要的事件之一。

迄今为止，研究得最仔细的液氮温区超导体仍然是钡—钇—铜—氧体系。大量实验证明，这一体系的结构和超导电性对氧含量和氧有序都十分敏感。钡—钇—铜—氧的制备工艺十分简单，它可在空气中或氧气流中用高温（约950℃）陶瓷烧结的方法获得。

超导材料的研究是当今世界上一门新兴的科学技术，鉴于超导材料能影响人类生存的许多重要领域，各国的材料科学家都在竞相探索它的结构、研究它的性能，以求率先找到具有高临界温度的超导材料。可以这样说，高温超导材料的突破，必将深刻地促进尖端科学技术的发展，从而加速人类文明的进程。含苞待放的超导之花，必将带来一个缤纷的世界。