科学变得简单：什么是超导？

时间：2022-05-20 11:25:03 来源：

一块磁性材料悬浮在超导体上方。磁铁的磁场在超导体中感应出电流，从而产生相等且相反的磁场，从而精确平衡了立方体上的重力。

在大多数人认为的“正常”温度下，所有材料都具有一定量的电阻。这意味着它们会像狭窄的管道阻止水的流动一样抵抗电流的流动。由于电阻，当电子通过计算机或手机等设备中的电子设备移动时，一些能量会作为热量散失。对于大多数材料，即使将材料冷却到非常低的温度，该电阻也会保持不变。超导材料除外。超导性是某些材料在冷却到临界温度（称为Tc）以下时传导直流（DC）电而不会损失能量的特性。这些材料在过渡到超导状态时也会排出磁场。

超导性是自然界最引人入胜的量子现象之一。100多年前在冷却至液氦温度（约-452F，仅比绝对零值高出几°度）的汞中发现了汞。早期，科学家可以解释超导发生了什么，但是为什么和如何超导成为近50年之谜。

1957年，伊利诺伊大学的三位物理学家使用量子力学来解释超导的微观机理。他们提出了一种全新的理论，即通常彼此排斥的带负电的电子如何在Tc以下成对形成。这些成对的电子通过被称为声子的原子级振动保持在一起，并且这些成对的电子可以无阻力地穿过材料。这些科学家因发现而获得1972年诺贝尔物理学奖。

在发现汞中的超导性之后，在非常低的温度下在其他材料中也观察到了该现象。这些材料包括几种金属以及铌和钛的合金，它们很容易制成线材。导线导致了超导体研究的新挑战。超导线中缺乏电阻意味着它们可以支持非常高的电流，但是在“临界电流”以上时，电子对破裂并破坏了超导性。从技术上讲，导线为超导体开辟了全新的用途，包括缠绕线圈以产生强大的磁体。1970年代，科学家使用超导磁体来产生磁共振成像（MRI）机器开发所需的高磁场。最近，科学家引入了超导磁体，以在科学用户设施中的同步加速器和加速器中引导电子束。

1986年，科学家发现了一类新型的氧化铜材料，它们具有超导性，但其温度要比本世纪初的金属和金属合金高得多。这些材料被称为高温超导体。尽管仍必须对其进行冷却，但它们却在更高的温度下超导-其中一些温度高于液氮（-321F）。°这一发现为革命性的新技术带来了希望。这也表明，科学家也许能够找到在室温或接近室温时超导的材料。

从那时起，许多新的高温超导材料已经通过有根据的猜测与反复试验相结合的方式被发现，其中包括一类铁基材料。但是，也变得很清楚，描述金属和金属合金中超导性的微观理论不适用于大多数这些新材料，因此，超导性的奥秘再次挑战了科学界。最近在极高压下对氢基材料进行的实验证实了在接近室温的温度下超导性的理论预测。

能源部科学与超导办公室

美国能源部科学办公室，基础能源科学办公室自发现以来一直支持高温超导材料的研究。该研究包括理论和实验研究，以揭示超导性的奥秘并发现新材料。尽管尚未完全了解量子机理，但科学家们已经找到了增强超导性（增加临界温度和临界电流）的方法，并发现了许多新型的高温超导材料。每种新的超导材料为科学家提供了一个机会，使他们可以更深入地了解高温超导的工作原理以及如何为先进技术应用设计新的超导材料。

超导事实

1911年，Heike Kamerlingh-Onnes发现了超导性。由于这一发现，氦的液化和其他成就，他获得了1913年诺贝尔物理学奖，其中五项诺贝尔物理学奖被授予超导研究奖（1913年，1972年，1973年，1987年和2003年）。元素周期表中的元素显示出低温超导性，但超导性的应用通常使用易于使用或价格较便宜的合金。例如，MRI机器使用铌和钛的合金。

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