超導(dǎo)是一種物理現(xiàn)象，指某些材料在低溫下電阻突然消失，呈現(xiàn)出零電阻和完全抗磁性的特征。超導(dǎo)最早是在 1911 年由荷蘭科學家昂內(nèi)斯發(fā)現(xiàn)的，當時他將汞冷卻到 4.2K 時，發(fā)現(xiàn)其電阻降為零。后來人們又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了許多其他的超導(dǎo)材料，如鉛、錫、鈮等。
超導(dǎo)有兩個重要的特點：零電阻和完全抗磁性。零電阻意味著超導(dǎo)體可以無損耗地傳輸大電流，并在周圍產(chǎn)生強大的磁場。完全抗磁性意味著超導(dǎo)體可以排斥外部磁場，并保持內(nèi)部磁通量不變。這兩個特點使得超導(dǎo)體在許多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，如核磁共振成像、高能物理實驗、核聚變裝置、儲能系統(tǒng)、電力輸送等。
那么，為什么某些材料在低溫下會變成超導(dǎo)體呢？這背后有什么物理機制呢？
常規(guī)超導(dǎo)原理
常規(guī)超導(dǎo)體是指那些在低溫下，通過電子-聲子相互作用而產(chǎn)生超導(dǎo)電性的材料，如金屬和合金等。常規(guī)超導(dǎo)體的理論基礎(chǔ)是 BCS 理論，該理論由巴丁、庫珀和施里弗三人于 1957 年提出。
BCS 理論認為，在常規(guī)超導(dǎo)體中，低溫下兩個原本均帶負電、互相排斥的電子，通過影響原子晶格產(chǎn)生的振動（這一振動的能量量子稱為聲子）而建立間接吸引作用，從而兩兩配對構(gòu)成“庫伯對”。在量子相干效應(yīng)下，這些“庫伯對”可以在晶格中無損耗地運動，形成了整體的超導(dǎo)電性。
BCS 理論還給出了計算常規(guī)超導(dǎo)體臨界溫度、臨界磁場、能隙等物理量的方法，并與實驗結(jié)果符合得很好。BCS 理論為解釋和發(fā)展常規(guī)超導(dǎo)現(xiàn)象做出了重大貢獻，并使其三位創(chuàng)始人獲得了 1972 年諾貝爾物理學獎。
高溫超導(dǎo)原理
高溫超導(dǎo)體是指那些在超過 77K（液氮溫度）的溫度下，仍然表現(xiàn)出超導(dǎo)電性的材料，如銅氧化物和鐵基化合物等。高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)打破了 BCS 理論預(yù)言的常規(guī)超導(dǎo)體的臨界溫度上限，引起了物理學界的巨大震動和廣泛關(guān)注。
高溫超導(dǎo)體的最大特點是其具有層狀結(jié)構(gòu)，其中含有銅氧面或者鐵砷面等過渡金屬氧化物平面 ?？茖W家們普遍認為，這些平面是產(chǎn)生高溫超導(dǎo)電性的關(guān)鍵所在，因為它們提供了足夠大的態(tài)密度和強烈的電子-電子相互作用。
然而，高溫超導(dǎo)體中電子配對的機制仍然不清楚。BCS 理論中提出的電子-聲子相互作用在這里顯然不適用，因為聲子能量太低，無法解釋高達 100K 以上的臨界溫度。因此，人們提出了許多其他可能的配對機制，如電子-自旋波相互作用、電子-極化子相互作用、電子-荷波相互作用等 。但是目前還沒有一個統(tǒng)一而完備的理論能夠解釋所有高溫超導(dǎo)體中觀察到的各種奇異現(xiàn)象。
高溫超導(dǎo)體不僅具有理論上的挑戰(zhàn)性和吸引力，還具有巨大的應(yīng)用潛力。由于它們可以在液氮等廉價易得的低溫介質(zhì)下工作，因此可以大幅降低制冷成本，并擴展超導(dǎo)技術(shù)在能源、交通、醫(yī)療、通信等領(lǐng)域中的應(yīng)用。
高溫超導(dǎo)的應(yīng)用
高溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用通常分為兩大類：強電應(yīng)用和弱電應(yīng)用。
強電應(yīng)用是指利用高溫超導(dǎo)材料的零電阻和大電流密度特性，實現(xiàn)低損耗、高效率、高容量的輸配電系統(tǒng)，如超導(dǎo)變壓器、超導(dǎo)發(fā)電機、超導(dǎo)儲能器、超導(dǎo)限流器、超導(dǎo)傳輸線等。這些應(yīng)用可以提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性，減少線路損耗和碳排放，節(jié)約能源和土地資源。
弱電應(yīng)用是指利用高溫超導(dǎo)材料的量子效應(yīng)和磁通量釘扎特性，實現(xiàn)高靈敏度、高精度、高速度的測量和信號處理系統(tǒng)，如超導(dǎo)磁體、超導(dǎo)量子干涉器件（SQUID）、超導(dǎo)濾波器、超導(dǎo)邏輯器件等。這些應(yīng)用可以廣泛地服務(wù)于科學研究、醫(yī)療診斷、通信技術(shù)、雷達探測等領(lǐng)域。
本文來自微信公眾號：萬象經(jīng)驗 （ID：UR4351），作者：Eugene Wang
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