超導效應

超導效應的發(fā)現則來源于 1911 年荷蘭科學家海克·卡末林·昂內斯的一次意外之舉，1908年，得益于低溫技術的發(fā)展，來自荷蘭萊頓大學萊頓低溫實驗室的昂內斯教授以極大的精力改善了實驗室裝備，通過采用壓縮氮氣節(jié)流預冷氫、氫壓縮節(jié)流預冷氦，最終用壓縮節(jié)流的方法將氦液化，獲得了4.2K的低溫。成功將最后一種“永久氣體”——氦氣液化。

氦氣制冷的氫液化系統

永久氣體是指臨界溫度小于-10℃的氣體（新標準改為-40℃）。如：空氣、氧、氮、氫、甲烷、一氧化碳等氣體，氦氣是最后一種被液化的永久氣體，因為液化氦氣需要非常低的溫度。（只要低于一定的溫度，就可以把氣體轉化為液體，同理，如果需要把液體轉化為氣體，就需要達到一定的高溫）

低溫研究的突破，為超導效應的發(fā)現奠定了基礎。再接再厲的昂內斯在 1911 年發(fā)現，在4.3K低溫以下，鉑的電阻保持為一常數，而不是通過一極小值后再增大。

因此昂內斯認為純鉑的電阻應在液氦溫度下消失。為了驗證這種猜想，昂內斯選擇了更容易提純的汞作為實驗對象。首先，昂內斯將汞冷卻到零下40℃，使汞凝固成線狀；然后利用液氦將溫度降低至4.2K附近，并在汞線兩端施加電壓；當溫度稍低于4.2K時（相當于-269℃時，將開氏溫度轉變?yōu)閿z氏度的公式就是開氏溫度-273，因為絕對零度是-273度），汞的電阻突然消失，表現出超導狀態(tài)，后來他又發(fā)現許多金屬和合金都具有與上述汞相類似的低溫下失去電阻的特性，由于它的特殊導電性能，卡茂林-昂尼斯稱之為超導效應。

一開始，超導效應只能在低溫下實現，1957年，三位物理學家提出了BCS理論，而美國物理學家麥克米蘭發(fā)現，BCS理論存在一個極限溫度大約39K，高于這個溫度后的任何物質，都不能形成超導態(tài)，這個發(fā)現被稱為麥克米蘭極限，這一極限打擊了人們的信心，因為如此低的溫度難以用于實際。

直到1987年，物理學家吳茂昆和朱經武在釔鋇銅氧系材料上把臨界超導溫度提高到90K以上，液氮的“溫度壁壘”（77K）也被突破了。

朱經武

這是史上第一次超越液態(tài)氮沸點“溫度壁壘”而將超導溫度從30K提升到90K（攝氏零下183度）以上，液氮的“溫度壁壘”（77K）也被突破了，科學界因此把臨界溫度高于77K稱之為“高溫超導”，它是指一些具有較其他超導物質相對較高的臨界溫度的物質在液態(tài)氮的環(huán)境下產生的超導現象，并不是真的高溫。

直到目前為止，科學家依然沒有實現常溫超導，這是科學界一直努力想要實現的目標。

超導材料有哪些

既然存在超導效應，那么肯定有超導材料，人們開始把處于超導狀態(tài)的導體稱之為“超導體”也稱超導材料，它一般是指在某一溫度下，電阻為零的導體。在實驗中，若導體電阻的測量值低于10的-25次方Ω，就可以認為電阻為零。超導體不僅具有零電阻的特性，另一個重要特征是完全抗磁性。

可以說，對超導體的研究在凝聚態(tài)物理領域甚至在整個物理學界中，都扮演著不可忽視的重要角色。

科學界發(fā)現大多數金屬元素以及數以千計的合金、化合物都在不同條件下顯示出超導性。如鎢的轉變溫度為0.012K，鋅為0.75K，鋁為1.196K，鉛為7.193K。

超導體得天獨厚的特性，使它可能在各種領域得到廣泛的應用。但由于早期的超導體存在于液氦極低溫度條件下，極大地限制了超導材料的應用。

直到1987年，物理學家吳茂昆和朱經武在釔鋇銅氧系材料上把臨界超導溫度提高到90K以上，突破自1911年后七十多年的物理學研究瓶頸，為臨界溫度高于77K的材料稱為高溫超導體下了定義，此后，很多科學家開始嘗試打破麥克米蘭極限，努力尋求高溫超導體。

比如于20世紀80年代最早被發(fā)現的銅氧化物——釔鋇銅氧，以及后來發(fā)現的鉈－鋇－鈣－銅－氧系材料，除了銅氧化物超導體之外，還有氫基超導體、鐵基超導體、金屬低溫超導體等。

而來自德國馬克思普朗克化學研究所的物理學家Mikhail Eremets更是氫化鑭（LaH）利用在-23℃（250K）的條件下實現超導。

但是，此類高溫超導體，由于微觀結構非常復雜，結構往往難以調整，很難進行微觀尺度的研究，所以難以發(fā)現其超導機制；而超高壓類的超導體，研究起來更難，也無法實現實際應用。

像2019年來自美國喬治華盛頓大學的地球物理學家Russell Hemley其團隊合成的氫化鑭（LaH10）超導轉變溫度為260K（約-13.15℃），比Mikhail Eremets的-23℃（250K）還低。

但是，Hemley等人的實驗需要在200GPa的超強壓力下進行，且這種化合物的超導特性還有待進一步驗證。

盡管應用難度很高，但超導材料具有的優(yōu)異特性使它從被發(fā)現之日起，就向人類展示了誘人的應用前景。但要實際應用超導材料又受到一系列因素的制約，這首先是它的臨界參量，其次還有材料制作的工藝等問題（例如脆性的超導陶瓷如何制成柔細的線材就有一系列工藝問題）。

超導體的應用可分為三類：強電應用、弱電應用和抗磁性應用。強電應用即大電流應用，包括超導發(fā)電、輸電和儲能；弱電應用即電子學應用，包括超導計算機、超導天線、超導微波器件等；抗磁性應用自然就顯而易見了。

到80年代，超導材料的應用主要有：①利用材料的超導電性可制作磁體，應用于電機、高能粒子加速器、磁懸浮運輸、受控熱核反應、儲能等；可制作電力電纜，用于大容量輸電（功率可達10000MVA）；可制作通信電纜和天線，其性能優(yōu)于常規(guī)材料。②利用材料的完全抗磁性可制作無摩擦陀螺儀和軸承。③利用約瑟夫森效應可制作一系列精密測量儀表以及輻射探測器、微波發(fā)生器、邏輯元件等。利用約瑟夫森結作計算機的邏輯和存儲元件，其運算速度比高性能集成電路的快10～20倍，功耗只有四分之一。

如果有哪種材料能夠在室溫下表現出超導電性，就可以為能量傳輸、醫(yī)用掃描儀和交通領域帶來革命性的改變。科學家后來鎖定了石墨烯。

石墨烯：絕緣體向超導體的輕松轉變

2004年，英國曼徹斯特大學的兩位科學家安德烈·蓋姆（Andre Geim）和康斯坦丁·諾沃消洛夫（Konstantin Novoselov）發(fā)現他們能用一種非常簡單的方法得到越來越薄的石墨薄片。他們從高定向熱解石墨中剝離出石墨片，然后將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開膠帶，就能把石墨片一分為二。不斷地這樣操作，于是薄片越來越薄，最后，他們得到了僅由一層碳原子構成的薄片，這就是石墨烯。

2009年，安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫在單層和雙層石墨烯體系中分別發(fā)現了整數量子霍爾效應及常溫條件下的量子霍爾效應，他們也因此獲得2010年度諾貝爾物理學獎。在發(fā)現石墨烯以前，大多數物理學家認為，熱力學漲落不允許任何二維晶體在有限溫度下存在。所以，它的發(fā)現立即震撼了凝聚體物理學學術界。雖然理論和實驗界都認為完美的二維結構無法在非絕對零度穩(wěn)定存在，但是單層石墨烯能夠在實驗中被制備出來。

自石墨烯被發(fā)現以來，其諸多優(yōu)異屬性一直令人印象深刻：比如它比鐵還要堅固，比銅的導電性還要好等等，還具有透光率、機械強度、穩(wěn)定性等等性質，在各種不同的領域都發(fā)揮著效用，比如移動設備、航空航天、新能源電池領域等。

石墨烯材料結構圖

日本東北大學和東京大學的研究人員在2016年用兩片石墨烯構建了一個類似夾心餅干似的結構，在石墨烯片中插入了一些鈣原子之后驚奇地發(fā)現，這個結構實現了超導性！也就是說，如此構建的材料可以實現電阻為零。

2018年，曹原團隊在研究之中發(fā)現，堆疊的雙層石墨烯中，電學行為對原子排列非常敏感，影響層間電子移動。對于物理學家而言，電學行為通常是由能量主導。而在這項研究中，單層石墨烯內原子間電子移動有關的能量在eV量級，而在層間的電子移動涉及的能量量級最多在幾百meV。要想解開這個謎題，對稱性是關鍵！所以曹原團隊嘗試將兩層石墨烯片疊加起來，兩層的晶格取向互相旋轉一個角度。

雙層石墨烯電性能與相對偏離角關系的實驗

當角度剛好是1.1°時。曹原團隊驚奇地發(fā)現了雙層石墨烯一個意想不到的行為：雙層石墨烯材料具有了超導特性。

也就是說當兩層石墨烯以一個“魔角”扭曲在一起時，只做了簡單的角度旋轉，就能在零電阻下導電。讓雙層石墨烯實現從絕緣體到超導體的轉變，被稱為"魔角"雙層石墨烯的概念頓時大火起來，它已經為超導研究開拓出一個新的子領域——"轉角電子學"（twistronicic），極有望推動超導技術的進一步發(fā)展。。

而最近，由中國、美國和日本科學家們共同完成的一項研究表明，"魔角"雙層石墨烯的超導性可以通過一個很小的電壓變化來開啟或關閉，這增加了其超導性在電子設備中的用途。

該研究發(fā)表在了最近一期的 Nature 雜志上，研究負責人之一、得克薩斯大學奧斯汀分校的理論物理學家 Allan MacDonald 表示："創(chuàng)造出一種室溫下具有超導性的材料，可以說是物理學的圣杯。所以這就是該研究的部分動機——為了更好地理解高溫超導性。"

隨著探索的不斷深入，從絕緣體向超導體輕松轉變的方法已經被科學界窺得路徑，相信在不久的將來，常溫超導一定會得到實現，從而掀起新一輪革命！