一文读懂超导，告诉你为什么超导不能带来第四次工业**
超导是一种神奇的物理现象，指的是某些物质在低温下表现出的零电阻和完全磁场排斥的特性。这一现象的背后是超导理论，它解释了为什么在特定条件下，电子可以在材料中**移动而不受电阻的影响。
图1、荷兰物理学家海克·卡默林·奥涅斯（右一）
1911年，荷兰物理学家海克·卡默林·奥涅斯发现了超导现象。他在实验中发现，当一种材料的温度降低到接近绝对零度时，电阻突然消失，电流可以无阻地流动，这就是超导现象。这个发现震惊了科学界，因为它完全颠覆了我们对电阻的理解。
然而，直到1957年才由约翰·巴丁、利昂·库珀和罗伯特·朔利夫提出了BCS超导理论。BCS理论认为，超导现象是由于电子在低温下形成了一种特殊的配对状态，称为库珀对。在超导材料中，电子通过量子力学的相互作用形成库珀电子对。这种相互作用是由于电子之间的库伦排斥力和晶格振动（声子）之间的相互作用。
图2约翰·巴丁、利昂·库珀和罗伯特·朔利夫
根据库仑定律，两个带电粒子之间的相互作用力与它们之间的距离成反比。在普通材料中，电子之间的库伦排斥力会导致电子受到散射，从而产生电阻。然而，在超导材料中，晶格振动（声子）的存在可以中和这种排斥力。
晶格振动是超导现象的关键。当电子在晶格中移动时，它们会与晶格原子相互作用，产生声子。这些声子的存在导致了电子之间的吸引力，从而克服了库伦排斥力。这种吸引力使得两个电子可以形成一个稳定的库珀电子对。
图3 晶格使电子产生吸引作用的示意图（实空间）
库珀电子对的形成是量子理论的结果。根据量子力学的波粒二象性，电子可以被视为波动粒子。在超导材料中，电子的波动性使得它们可以在晶格中传播，并与其他电子相互作用。这种相互作用可以通过波函数来描述，波函数描述了电子的位置和动量等信息。
库珀电子对的形成可以通过波函数的概念来解释。当两个电子靠近时，它们的波函数会重叠并形成一个共享的波函数。这个共享的波函数描述了两个电子同时存在的可能性，即它们可以在晶格中以一种协同的方式移动。这种协同运动使得库珀电子对能够在超导材料中**移动而不受电阻的影响。
图4 超导临界温度与晶格（媒介）震动频率的近似关系曲线
超导现象的解释还涉及到磁通量量子化。根据量子理论，磁通量只能以一个固定的量子单位进入超导材料中。这意味着超导材料对磁场具有完全的排斥，因为磁场的变化会**库珀电子对的稳定性。当磁场强度超过一定临界值时，超导材料将失去超导状态，电阻将重新出现。
从能否用BCS理论解释，超导体可以分为常规超导（能用BCS理论解释）和非常规超导（不能用BCS理论解释）两类。其实受到广泛关注的“高温超导机理”问题就是非常规超导中电子配对的问题，目前还没有达成共识。
我比较支持并非所有超导体都能够用BCS理论解释这种观点，还有另外一种观点，就是BCS理论是不正确的。下面举三个BCS理论不能解释的超导案例：
铌是超导临界温度最高的金属单质，9.2K。而用铌制造的合金，超导临界温度更高，Nb3Ge能达到23K，是非常重要的超导材料。然而Nb却不符合同位素效应，不仅是Nb，还存在其它超导金属单质也严重偏离同位素效应（而Hg和Pb是严格服从同位素效应的）。Nb就成了BCS理论的第一个挑战，因为BCS理论中电声耦合建立的基础就是同位素效应。但是电声耦合只是BCS理论中的一部分，而并非全部，如果存在新的耦合效应取代电声耦合效应实现电子配对，那么BCS理论依然是有效的。
图5 Y-Ba-Cu-O超导体的晶体结构
铜氧化物高温超导是第二个对BCS理论的严重挑战。1986年Bednorz和Müller发现La-Ba-Cu-O氧化物中可能存在高温超导电性，临界温度31K。1987年吴茂坤等和赵忠贤等，几乎同时制备出Y-Ba-Cu-O超导体，超导临界温度达到93K，这是在常压下！而BCS理论预言常压下电声耦合导致的超导临界温度不可能超过40K。图5给出了Y-Ba-Cu-O超导体晶体结构图，最明显特征是的是层状结构，存在铜氧面，科学家认为铜氧面是出现超导电性的核心因素，这一点已经达成共识。
图6 122型铁基超导的晶体结构
铁基超导是第三个对BCS理论的严重挑战。2006年，科学家首次在LaOFeP中发现超导电性，其临界温度仅为4K。然而在不断探索中，发现了超过40K的铁基超导，PrFeAsO0.89F0.11临界温度达到52K，SmFeAsO0.85 的临界温度达到55K。2014年薛其坤等更是报道了临界温度超过100K的FeSe单层。图6给出的是122型铁基超导的晶体结构，也具有明显的层状结构。
尽管超导技术是一项引人注目的科学领域，它在能源、医学、科学研究等众多领域具有巨大的潜力。特别是近年来，研究人员已经取得了一些重要的突破，如发现了新的高温超导材料、改进了制备工艺和设备技术等。这些进展为超导技术的应用提供了新的机遇和可能性。然而，超导技术的应用仍然面临一些**和挑战。
图7、超导磁悬浮列车
首先，超导材料需要在极低的温度下才能表现出超导特性。传统的超导材料，如铅和铌，需要在接近绝对零度的温度下才能实现超导。这**了超导技术的应用范围，因为低温条件的维持成本高昂且技术复杂。近年来，高温超导材料的发现为超导技术带来了新的希望。高温超导材料可以在相对较高的温度下实现超导，但仍然需要低温条件来保持其超导特性。
其次，制备高温超导材料仍然是一个挑战。高温超导材料的制备过程复杂且困难，需要精确控制材料的化学成分和结晶结构。此外，高温超导材料的制备还面临着材料的不稳定性和**的问题。这些因素**了高温超导材料的商业化应用和大规模生产。
图8、全超导托卡马克核聚变实验装置
第三，超导材料对外部磁场的敏感性。虽然超导材料在磁场中表现出完全的磁场排斥，但当外部磁场超过一定临界值时，超导材料将失去超导状态。这意味着超导材料在实际应用中需要受到精确的磁场控制，以避免超导状态的**。此外，超导材料对磁场的敏感性还**了超导磁体的应用范围，因为制造和维护强大的磁场需要昂贵的设备和技术。
第四，超导技术的应用还面临着成本和规模化生产的挑战。超导材料的制备和处理过程通常需要昂贵的设备和材料，这**了超导技术的商业化应用。此外，超导设备的规模化生产也面临着挑战，因为大规模生产需要解决材料的一致性、稳定性和可靠性等问题。
图9、超导核磁共振
结语：
尽管超导的研究为我们开辟了一条探索超导技术和应用的道路，为能源、医学、科学研究等领域带来了巨大的潜力。但我们仍然应该清醒地认识到，目前的超导不论是在理论层面还是在应用上，仍然存在着很多困难，这些难题很难在短时间内解决。
希望这篇科普文章能够帮助您更好地了解超导理论。如果您还有其他问题，我将尽力为您解答。
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