超導(dǎo)效應(yīng)

超導(dǎo)效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)則來源于 1911 年荷蘭科學(xué)家海克·卡末林·昂內(nèi)斯的一次意外之舉，1908年，得益于低溫技術(shù)的發(fā)展，來自荷蘭萊頓大學(xué)萊頓低溫實驗室的昂內(nèi)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(yù)冷氫、氫壓縮節(jié)流預(yù)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(tǒng)

永久氣體是指臨界溫度小于-10℃的氣體（新標(biāo)準(zhǔn)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(zhuǎn)化為液體，同理，如果需要把液體轉(zhuǎn)化為氣體，就需要達到一定的高溫）

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

因此昂內(nèi)斯認(rèn)為純鉑的電阻應(yīng)在液氦溫度下消失。為了驗證這種猜想，昂內(nèi)斯選擇了更容易提純的汞作為實驗對象。首先，昂內(nèi)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(dāng)溫度稍低于4.2K時（相當(dāng)于-269℃時，將開氏溫度轉(zhuǎn)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(xiàn)出超導(dǎo)狀態(tài)，后來他又發(fā)現(xiàn)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(dǎo)電性能，卡茂林-昂尼斯稱之為超導(dǎo)效應(yīng)。

一開始，超導(dǎo)效應(yīng)只能在低溫下實現(xiàn)，1957年，三位物理學(xué)家提出了BCS理論，而美國物理學(xué)家麥克米蘭發(fā)現(xiàn)，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(zhì)，都不能形成超導(dǎo)態(tài)，這個發(fā)現(xiàn)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(xué)家吳茂昆和朱經(jīng)武在釔鋇銅氧系材料上把臨界超導(dǎo)溫度提高到90K以上，液氮的“溫度壁壘”（77K）也被突破了。

朱經(jīng)武

這是史上第一次超越液態(tài)氮沸點“溫度壁壘”而將超導(dǎo)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(xué)界因此把臨界溫度高于77K稱之為“高溫超導(dǎo)”，它是指一些具有較其他超導(dǎo)物質(zhì)相對較高的臨界溫度的物質(zhì)在液態(tài)氮的環(huán)境下產(chǎn)生的超導(dǎo)現(xiàn)象，并不是真的高溫。

直到目前為止，科學(xué)家依然沒有實現(xiàn)常溫超導(dǎo)，這是科學(xué)界一直努力想要實現(xiàn)的目標(biāo)。

超導(dǎo)材料有哪些

既然存在超導(dǎo)效應(yīng)，那么肯定有超導(dǎo)材料，人們開始把處于超導(dǎo)狀態(tài)的導(dǎo)體稱之為“超導(dǎo)體”也稱超導(dǎo)材料，它一般是指在某一溫度下，電阻為零的導(dǎo)體。在實驗中，若導(dǎo)體電阻的測量值低于10的-25次方Ω，就可以認(rèn)為電阻為零。超導(dǎo)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(dǎo)體的研究在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域甚至在整個物理學(xué)界中，都扮演著不可忽視的重要角色。

科學(xué)界發(fā)現(xiàn)大多數(shù)金屬元素以及數(shù)以千計的合金、化合物都在不同條件下顯示出超導(dǎo)性。如鎢的轉(zhuǎn)變溫度為0.012K，鋅為0.75K，鋁為1.196K，鉛為7.193K。

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

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

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

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

但是，此類高溫超導(dǎo)體，由于微觀結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，結(jié)構(gòu)往往難以調(diào)整，很難進行微觀尺度的研究，所以難以發(fā)現(xiàn)其超導(dǎo)機制；而超高壓類的超導(dǎo)體，研究起來更難，也無法實現(xiàn)實際應(yīng)用。

像2019年來自美國喬治華盛頓大學(xué)的地球物理學(xué)家Russell Hemley其團隊合成的氫化鑭（LaH10）超導(dǎo)轉(zhuǎn)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(dǎo)特性還有待進一步驗證。

盡管應(yīng)用難度很高，但超導(dǎo)材料具有的優(yōu)異特性使它從被發(fā)現(xiàn)之日起，就向人類展示了誘人的應(yīng)用前景。但要實際應(yīng)用超導(dǎo)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(dǎo)陶瓷如何制成柔細(xì)的線材就有一系列工藝問題）。

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

到80年代，超導(dǎo)材料的應(yīng)用主要有：①利用材料的超導(dǎo)電性可制作磁體，應(yīng)用于電機、高能粒子加速器、磁懸浮運輸、受控?zé)岷朔磻?yīng)、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(yīng)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(jié)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(xiàn)出超導(dǎo)電性，就可以為能量傳輸、醫(yī)用掃描儀和交通領(lǐng)域帶來革命性的改變。科學(xué)家后來鎖定了石墨烯。

石墨烯：絕緣體向超導(dǎo)體的輕松轉(zhuǎn)變

2004年，英國曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家安德烈·蓋姆（Andre Geim）和康斯坦丁·諾沃消洛夫（Konstantin Novoselov）發(fā)現(xiàn)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(gòu)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(xiàn)了整數(shù)量子霍爾效應(yīng)及常溫條件下的量子霍爾效應(yīng)，他們也因此獲得2010年度諾貝爾物理學(xué)獎。在發(fā)現(xiàn)石墨烯以前，大多數(shù)物理學(xué)家認(rèn)為，熱力學(xué)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(xiàn)立即震撼了凝聚體物理學(xué)學(xué)術(shù)界。雖然理論和實驗界都認(rèn)為完美的二維結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(dǎo)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(zhì)，在各種不同的領(lǐng)域都發(fā)揮著效用，比如移動設(shè)備、航空航天、新能源電池領(lǐng)域等。

石墨烯材料結(jié)構(gòu)圖

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

2018年，曹原團隊在研究之中發(fā)現(xiàn)，堆疊的雙層石墨烯中，電學(xué)行為對原子排列非常敏感，影響層間電子移動。對于物理學(xué)家而言，電學(xué)行為通常是由能量主導(dǎo)。而在這項研究中，單層石墨烯內(nèi)原子間電子移動有關(guān)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(guān)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(zhuǎn)一個角度。

雙層石墨烯電性能與相對偏離角關(guān)系的實驗

當(dāng)角度剛好是1.1°時。曹原團隊驚奇地發(fā)現(xiàn)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(dǎo)特性。

也就是說當(dāng)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(zhuǎn)，就能在零電阻下導(dǎo)電。讓雙層石墨烯實現(xiàn)從絕緣體到超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變，被稱為"魔角"雙層石墨烯的概念頓時大火起來，它已經(jīng)為超導(dǎo)研究開拓出一個新的子領(lǐng)域——"轉(zhuǎn)角電子學(xué)"（twistronicic），極有望推動超導(dǎo)技術(shù)的進一步發(fā)展。。

而最近，由中國、美國和日本科學(xué)家們共同完成的一項研究表明，"魔角"雙層石墨烯的超導(dǎo)性可以通過一個很小的電壓變化來開啟或關(guān)閉，這增加了其超導(dǎo)性在電子設(shè)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(fù)責(zé)人之一、得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的理論物理學(xué)家 Allan MacDonald 表示："創(chuàng)造出一種室溫下具有超導(dǎo)性的材料，可以說是物理學(xué)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(dǎo)性。"

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