克里斯汀·科因著
我们是悲哀的。
我们的水电费涨了。政客们希望在墨西哥湾和其他生态敏感地区钻探石油。全球变暖已经开始危害地球。当我们对有限的资源提出越来越多的要求时，我们大多数人都担心长期的后果。我们能做些什么呢?
科学家们一直在探索多种选择，从更实际的太阳能应用到更安全的核电站。在MagLab和其他地方，物理学家也在努力寻找解决方案，他们使用巨大的磁铁和许多其他工具。他们希望利用这种现象的力量，他们已经实验了近一个世纪，并在理论上研究了更长的时间，但尚未掌握，甚至尚未完全理解:超导．把它想象成类固醇上的电。
不，等等，这不完全正确。虽然“类固醇”这个词确实表达了超导的不可思议的力量，但它也错误地暗示了大量的汗水和努力。这一物理现象的美妙之处在于超导电流的流动不需要任何努力。
这是定义超导性的另一个尝试。就像那些完美的日子有时会出现在我们的道路上，当一切都神奇地顺利，当所有障碍从我们的道路上移除，我们在时间上飞逝，几乎毫不费力地完成每一项任务，就像在自动驾驶仪上一样。
900 MHz超宽口径磁体
是的，这就是超导电性:轻松实现高效。事实上，当你有超导电流时，它可以一直不停地流动——在你拔掉机器的插头很久以后，在劲量兔停止工作很久以后，多年以后，你无聊得毫无意义，你不再等着看它能持续多久。
听起来很神奇，不是吗?嗯，这是现实。事实上，MagLab要感谢超导，因为它有一个最强大的工具:它900兆赫兹超宽口径磁体．它是世界上最强大的超导磁体之一，被用于重要的研究核磁共振(核磁共振)。自从2004年7月第一次充电以来，它就一直在自己导电——不需要插头。
问题是:虽然超导一旦实现，就像做梦一样，但创造使其成为可能的环境和工具却是一项艰巨的任务。
物理仿真陈述
2003年，全世界消耗了147.68亿千瓦时的电力。如果经济高速增长，预计到2025年，这一数字将增至288700亿美元。(如果你使用100瓦的灯泡一个小时，你已经使用了100瓦的电力，或0.1千瓦时。)
对超导的追求是一个激动人心的故事，充满悬念，转移话题，某些原子粒子的丑闻行为，关于合作的好处的深刻信息，以及潜在的，一个非常愉快的结局。就像所有的好故事一样，我们的故事也有一个英雄。我们就叫他“超导体”吧。
但是我们有点超前了。在我们理解披风十字军的惊人力量之前，我们需要认识一下他温和的封面人物:斯帕克·肯特。Spark的日常工作是在当地的发电厂，向我们社区的家庭和企业输送电力，这种单调乏味的方式从19世纪后期就开始了。虽然Spark工作很努力，但还不够努力，尤其是在地球面临的能源问题上。原子不安分，电子没有生产力:需要有人来拯救。
对于那些需要快速复习原子行为的人——理解超导性所必需的知识——请进入下一节。否则，请随意使用页面顶部的下拉菜单跳转。
《电子欺骗了我:果壳中的原子
理解电学意味着首先要回忆原子是如何工作的。虽然你永远无法通过观察(至少用肉眼)来判断，但这些原子就像《绝望主妇》(Desperate Housewives)中的主角一样活跃。
当然，在这个物质基本构件的核心是一个核(部分)由一个或多个正电荷组成质子．围绕着这些轨道电子——质子的正面属性的否定答案．根据一个原子有多少电子，它可能有一个或几个电子轨道。氢在它的一个小轨道上有一个电子，而铀在7个轨道上有92个电子。
铝原子
然而，对于我们的目的来说，重要的不是原子有多大，而是它的最外层(或最外层)有多少电子价)轨道，与那里可能有多少个轨道有关。大自然对于在一个给定的轨道上所能容纳的最大电子数是非常具体的。2是第一个轨道的上限，8是第二个轨道的上限。第三个轨道在8点时也将是满的(尽管它可以为聚会挤进两倍的人)。让我们以铝原子为例。它有13个电子:第一个轨道上有2个(最大)电子，第二个轨道上有8个(最大)电子，剩下的3个电子在第三个也是最后一个轨道上，这个轨道还没有满(它至少还能容纳5个)。
一般来说，原子中质子的数量等于电子的数量，它们的电荷相互抵消。但这种稳定性并不总是如此——如果是这样，我们会有什么样的故事呢?如果你把原子看作是一个由粒子组成的家族(如果你愿意的话，可以称之为原子家族)，那么质子基本上就呆在家里。然而，电子有时表现得就像伤感的乡村歌曲中忍不住的坏男孩:总是和其他相反的人在一起，或者只是在路上自由自在地游荡。事实上，它们经常被称为自由电子．
这是一个比……还要古老的故事嗯哼-原子和夏娃:在适当的情况下，一个电子与它的原子分离，给它留下了糟糕的记忆和净正电荷。带这种电荷的原子叫做离子．我们刚刚描述了a阳离子(一种带正电荷的离子)，但也有阴离子(带负电荷的离子，电子比质子多)。
物理仿真陈述
电子几乎是不可思议的小而轻。相比之下，质子是巨大的，其质量约为电子的1836倍。它需要很多很多很多个电子才能达到一克。
一些本质上稳定的材料(比如木头)是由原子组成的，它们的电子是你可以称之为结合型的——它们倾向于呆在壳层里。这些材料是绝缘体．由于电子围绕原子核的特殊排列——最外层的轨道是满的——它们不倾向于容纳在附近巡航的孤独电子。然而，其他的材料则更加放荡。在它们中，电子有可能很容易地从一个原子移动到另一个原子，或者撞上电子高速公路。这些都是导体．这就是铝原子的情况(以及一般金属)。它的三个自由电子中的一个或多个可能会游离;同样，价层也有空间容纳访客。
所有这些都让我们回到了电力。
《艰难打击的燃料:果壳中的电
让我们仔细看看铝原子。
我们刚才描述的一些跳跃活动发生在桌子上的一段铝线中。你不需要插上电源——普通房间的固有能量足以激发电子。铝中的价电子从一个原子来回迁移到另一个原子。
现在，你可以通过在这种情况下引入电池来提高效率。如果你把电线的一端连接到正极，另一端连接到负极，铝中的那些自由电子就会开始移动，都朝着同一个方向。电池的负极上有过多的电子，而正极上缺乏电子，所以负极将带负电的粒子推入铝中，而正极将它们拉出。铝导体为电子的运动提供了高速公路。这就形成了一个电子流电路。Voilà:为收音机或手电筒提供燃料的电力。
事实上，“流”并不是描述电子活动的最佳词汇。科学家使用的动词是漂移而且理由很充分。在点亮家用灯泡的电流中，电子正在以每小时几英寸的速度悠闲地移动!(事实上，它们可以为你的搅拌器提供动力，与其说是因为它们的速度，不如说是因为大量的电子在移动。)
为什么这么慢?问题是，这是一场名副其实的破坏大战，电子在试图回应电池正电荷的诱惑时，会撞到原子(或其他自由电子)。这就是所谓的电阻．原子更难避免，因为它们不会静止不动:仍在轨道上的电子正忙着绕着原子核转，而原子核本身也会有些振动。因此，电子经常会偏离轨道。它们在这个过程中释放的能量不是电，而是热——这对我们的Spark Kent来说是个大问题。这就是为什么你家里的电线如果没有被绝缘塑料包裹，摸起来会有点热。因此，热是电的副产品，有时是可取的(电热毯或电炉)，有时不是(电脑和其他电子产品)。要了解这个概念，请查看这个关于抵抗的互动教程。
物理仿真陈述
电流中的自由电子沿着导线表面移动，因为它们在向正电荷移动时尽可能地相互排斥。这就是所谓的“表皮效应”。
碰撞导致这些电流的另一个重要的低效率。电子倾向于选择风景优美的路线。想象一下，一个来自塔拉哈西的家伙想去洛杉矶见他的新女友。他的车在商店里，他不得不搭便车(他是个绝望的人)，所以他不能直接沿着I-10公路行驶，他必须满足于任何他能搭到的车。他最终曲折地到达伯明翰，然后下到比洛克西，然后回到小石城，然后回到孟菲斯，然后下到——嗯，你明白了吧。
这种电子行为的底线是潜在电流损失约7%。你可以想象，如果不是因为这个损失，仅在美国每年就可以节省数十亿美元。如果有人能找到解决办法，那岂不是太棒了?
这是一只鸟，这是一架飞机，这是:果壳中的超导
有人!进入我们的英雄，超导，拯救世界!他的力量是:克服障碍，就像它们不存在一样。
实现超导电性的关键是让不稳定的原子不受电子流的影响。这些原子越热，就越焦躁不安:这就是为什么你的冰块里的原子比你的茶里的原子慢，而茶里的原子又像乌龟一样慢悠悠地走，而茶壶里的蒸汽里的原子则在飞速移动。
温度范围
所以为了让原子真正冷却下来，你需要打开空调。
的方式。
基本物理定律告诉我们，你不可能从一大块物质中吸取所有的能量。但是你可以非常接近，事实证明，非常接近就足够了。
多冷才算够近?
首先，让我们定义温度桶的底部。据我们所知，宇宙的温度是没有限制的。但是，多亏了一位叫威廉汤姆逊(开尔文勋爵对你说)，我们知道气温是有一定限度的。科学家称之为0开尔文(0 K)或者绝对零度。你可以称之为零下273摄氏度，零下460华氏度，或者就是该死的寒冷。相比之下，地球上有记录的最冷温度是零下129华氏度。
你可能会松一口气，因为你不需要一直降到绝对零度才能达到超导性。然而，这一事实对于第一个完全出乎意料地达到这种状态的科学家来说是相当惊讶的，在此之前，这种状态只是理论上的。这发生在1911年。
荷兰物理学家Heike Kamerlingh Onnes是液化难以液化气体的先驱。在当时，他是第一个，也是唯一一个一起创作和工作的人液态氦，这需要一个牙齿打颤的4k。他想看看金属(在这个实验中他使用了汞)在暴露在这种极端条件下的表现。
正如你现在已经猜到的，昂内斯发现金属失去了所有的电阻，电子自由地流过．因此，他被称为超导之父。
什么东西能在一次跳跃中快速穿过物质?不是鸟，不是传统的电流，而是我们的英雄，超导!
物理仿真陈述
并非所有物质都具有超导性。在元素周期表中，已知有57种元素具有超导性(截至2009年5月)，但有些超导性只能在高压下或以改性形式存在，如薄膜或纳米管，如下表所示。
作为一个英雄，超导显示出巨大的潜力。一个世纪以来，许多著名和不那么著名的科学家都在努力解开它的秘密。他们已经取得了相当大的进展，创造了运行多年的实验电流，开发了非常有价值的应用程序，如磁共振成像(MRI)和“悬浮”磁悬浮列车．超导的时代还很年轻，但它就在这里。
但和其他超级英雄一样，超导也有他的宿敌。我们叫他冰人吧。
的确，极冷是超导的必要条件。但冰人仍然是我们的坏人，因为他使这个过程相当困难(液氦既昂贵又麻烦)，而且非常不切实际。自1911年以来，科学家们一直在与这个敌人作斗争，我们稍后会看到。
然而，昂内斯的消息是革命性的，为人类带来了各种各样的希望。然而，在科学家们开始开发这一发现的应用程序之前，还需要几十年的时间。见鬼，多年来他们甚至不知道超导是如何工作的。
二对二:库珀·拜斯
1957年，这种情况发生了变化。当时，三位研究人员预感到，处于超导状态的电子实际上是相互吸引的，他们偶然发现了一个相当有说服力的假设。因此他们有了一个以他们命名的理论(Bardeen-Cooper-Schrieffer,因为约翰巴丁，利昂·库珀而且罗伯特Schrieffer)，作为额外的奖励，他还获得了诺贝尔奖。
物理仿真陈述
物理学家倾向于不考虑事物有多冷——即使它们接近绝对零度——而是考虑它们有多热;冷只不过是没有热。科学家们认为，我们的宇宙在自然状态下的最低温度大约是3开尔文。然而，他们已经在实验室中创造了比绝对零度高几度的温度，包括在MagLab的米利开尔文设备和我们的高B/T设备．
当然，BCS背后的理念与你所学的粒子物理知识背道而驰。异性相吸，粒子相斥。这就是使原子旋转的原因。
然而，每条规则都有例外，或者两三个例外(欢迎来到物理学!)这可以归结为超导的极端温度。
穿上你的大衣和手套，我们去看看。
金属原子在固态时有a晶体点阵结构．想象一个由Tinker Toys玩具制作的相互连接的立方体组成的塔，小木圆盘就是原子。圆盘之间的空间代表电子的潜在路径。因为这种金属被液氦包围，原子几乎不动。
如果电子一次穿过晶格，超导性就没有什么“超级”可言。根据BCS理论，实际发生的是一种伙伴系统:电子配对，以更高的效率快速穿过晶格，形成一种非常流畅的流。科学家称这些为电子库珀对。再用我们之前的比喻，想想如果你有一个朋友提供支持，而不是独自一人，和一个新认识的人开始谈话会容易得多。
观看下面的视频，了解库珀对是如何形成的。
一般来说，它看起来是这样的:当一个电子进入晶格并在两个带正电荷的原子之间穿过时，这些阳离子会被轻微地拉向电子和彼此。离子不会用它们的正电荷吸引电子;他们也不妨碍它。相反，在超导温度下，他们通过产生一种带正电荷的波来推动它前进声子，在电子经过的时候。这个带正电的声子反过来又吸引了第二个电子进入画面，而第二个电子又利用了第一个电子的动量。因此他们成为了好兄弟，并继续以这种方式旅行。
你可以这样想象:我们的第一个电子试图开始与带正电的离子对话。离子稍微凑过来听他说什么，决定不感兴趣，回到原来的位置，很高兴地让这个粗鲁的电子(和它的伙伴)离开，去别处碰碰运气。库珀对现象，由于其量子性质，很难可视化，但下面的动画传达了在这种状态下发生的主要思想。
电子之间不相互吸引:声子起着键的作用。这个键非常稳定，当然比单个电子在一群阳离子中一个接一个地曲折运动更有效率。电子，你可能会说，互相提防，不会让它的伙伴偏离正道。
这个理论还有另一个重要的方面:这些库珀对不仅彼此合作，而且还与其他库珀对合作。简单地说，这些对可以重叠，甚至在更长的配对中包含其他对。这就形成了一组有凝聚力的成对电子，以一种单一的波的形式，以极高的效率流过超导体。这种转变是这样的，在超导模式下的材料被认为是处于完全不同于固体、气体或液体的物质相中。
冰人屈服:高温超导
甚至在BCS理论出现之前，科学家们就开始尝试在更高的温度下产生超导性。他们知道，如果汞在4 K的温度下成为超导，那么在适当的条件下，其他金属或合金也可能在更合理的温度下成为超导。他们最大的希望是在77k的温度下产生超导性。虽然以大多数标准来看仍然很冷，但这种温度可能是由液态氮．液氮比液氦便宜得多，也更容易处理。
物理仿真陈述
液氮比液氦更方便、更便宜，因为氮就在我们身边。事实上，尽管我们习惯于将空气等同于氧气，但氮气占我们吸入肺部的物质的三分之二以上。相比之下，氦要难得多，必须从大平原和其他地方开采的气体中提取。
在过去的一个世纪里，科学家们逐渐消灭了邪恶的冰人。他们取得了重大进展，但进展缓慢。从长远来看，这只是婴儿阶段。冰人仍然是一个强大的对手。
直到1986年，该领域才迈出了阿姆斯特朗式的一大步。
那一年，IBM的两位科学家发表了一项研究，表明他们已经在大约30 K的温度下实现了超导。然而，比达到的温度更令人惊讶的是他们用来达到温度的材料:a陶瓷氧化物。
在那之前，很少有科学家相信用陶瓷(无机非金属)进行超导有多大前景。但当其他人证实IBM的结果时，这些怀疑论者很快就改变了主意。在此期间，世界各地的研究人员重新开始努力达到圣杯:77 K的超导性。
一年之内，事情发生了，一个新的研究领域诞生了:高温超导．
从那以后的几年里，科学家们一直很忙。他们继续挑战超导的极限:截至2006年，1994年达到的138 K的记录仍然存在。(科学家们实际上已经在高达164 K的高温下实现了超导，但只是在高压下)。
但对于我们的英雄超导来说，突破高温屏障意味着与冰人战斗的结束，而不是整个战争。下一个伟大的成就——如果你愿意说是比你神圣的圣杯——是室温下的超导性，不含液氮。这是许多科学家的梦想。
科学家们幻想的另一项壮举是发现高温超导的工作原理。专家们一致认为BCS理论只能解释高达40k的超导现象。许多研究人员提出了理论来解释开尔文尺度更高的超导现象，但没有人能在科学界成功解决这个问题。
《锦衣锦绣:迈斯纳效应》
失去抵抗力是一个很酷的现象。但这并不是超导的全部妙处。等着瞧吧迈斯纳效应．
事实上，这种效果的演示看起来就像从魔术师的笔记本上撕下来的一页。古怪的科学家们利用迈斯纳效应让各种各样的东西悬浮起来，包括相扑手!
这种魔法被称为抗磁性，当超导材料排除另一个磁铁的磁力，从而迫使该磁铁漂浮在空气中。你可能会说，这位超导体采取了一种“这个城市不够大，容不下我们俩”的心态。
如果你认为让一个小磁铁悬浮是一项令人印象深刻的壮举，那就试试火车吧!这正是全球众多工程师和科学家多年来一直在做的事情，利用这一特性用于高速公路磁悬浮列车悬浮在轨道上。通过使用磁体——无论是超导磁体还是需要电的普通电磁铁——他们消除了摩擦，从而减缓了所有其他陆路运输的速度。
人格分裂:1型和2型超导体
现在你已经了解了低温和高温超导以及迈斯纳效应，你已经准备好让我们扔给你另一个概念了:1型和2型超导体．
所有高温超导体都属于第2类，所有超导合金也是如此;仅由一种元素(例如汞和铝)组成的超导体是第一类超导体。但这两种分类不应该混淆。让我们回顾一下。
你已经知道，温度可以决定材料是否具有超导性。磁场的存在也可以成就或破坏材料的超导性。
物理仿真陈述
这种现象被更正式地称为迈斯纳-奥森菲尔德效应，以1933年发现这种现象的两个德国人命名，沃尔特迈斯纳还有罗伯特·奥克斯菲尔德。
根据迈斯纳效应，超导体可以排出外部磁力。我们没有告诉你的是，如果磁力足够大，情况就会发生变化:磁场会战胜超导体，然后超导体就会失去超导性，重新开始正常导电。
打破材料超导性所需要的磁场强度称为关键字段．
区分1型超导体和2型超导体的是它们在临界场存在时恢复正常导电性的方式。
第一类超导体的工作方式是相当老套的(就像物理学所能得到的那样老套!)让我们以水星为例。如你所知，这个元素在4.2 K时是超导的。但如果把它暴露在0.041特斯拉或更高的磁场中，一切都完了;这些库珀对断裂，水银立即恢复正常传导。
第二类超导体稍微复杂一些。他们有两个关键领域，而不是一个。让我们以一种广泛用于核磁共振机器超导磁体的材料为例:铌锡，或Nb3.Sn。这种合金在18k时变成超导(假设没有任何显著的磁场)。
下面的注3.Sn的低临界场0.01特斯拉，合金仍然完全超导。超过29特斯拉的上临界场，它就完全停止超导。但在这两个场之间，物质进入了所谓的a混合态本质上，它的一部分正常导电，一部分是超导的。
物理仿真陈述
找到术语“类型1”和“类型2”也....冷吗?这里有一个替代方案:前者有时被称为“软”，后者被称为“硬”。
这种混合状态的产生是因为超导材料不再完全排斥外界磁场;随着场强的增加，并接近上临界场，场强穿透超导体越多。越接近上临界场，材料的超导性就越弱。
因此，与一型超导体不同的是，二类超导体愿意花更多的时间在中间地带。一型超导体对超导有一种要么接受要么放弃的方法。
无论从长期还是短期来看，2型超导体通常可以在更高磁场的存在下保持超导性。这对磁铁实验室的科学家和其他需要高磁场进行实验的人来说意义重大。所有用于强磁场研究的超导磁体都是2型。
超导在科学研究中是一个独特而强大的工具，并有望为地球带来巨大的利益。作为使核磁共振成像成为可能的力，超导已经改善了——而且常常拯救了——无数病人和他们的医生的生命。这项技术的其他应用已经开发了多年，包括磁悬浮列车和超导电缆，它们可能会彻底改变全球的电力。在你的一生中，你很可能会从这项研究中受益。点击这些链接中的任何一个，或查看下面列出的一些资源，探索超导的其他方面。
感谢本文的科学顾问:Scott Hannahs博士，磁铁实验室的研究助理和用户研究仪器主管。
