超導材料

在一根普通的導線裡，推動電流通過總會以熱的形式浪費掉一些能量，因為移動的電子不斷撞上金屬裡振動的原子——這份電阻正是手機充電器會發熱的原因。但把某些材料冷卻到一個特殊的臨界溫度以下，會發生驚人的事：它們的電阻不只是降得很低，而是恰好降到零。讓電流在這種材料的環裡流起來，它能持續繞行數年而不衰減。這就是超導體，是整個材料化學裡最戲劇性的現象之一。

超導體有兩手看家本領。第一是在臨界溫度以下電阻為零。第二同樣重要：它會把磁場從內部排斥出去——邁斯納效應——這正是超導體能把一塊磁鐵懸浮在其上方、半空漂浮的原因。在經典的低溫超導體裡，解釋是：在臨界溫度以下，電子不再作為孤立粒子行進，而是兩兩成對（即所謂庫珀對），這些對以一種協調的方式滑過晶格、再也不會被原子振動打斷，於是沒有能量損耗。難點在於，這通常只在接近絕對零度的幾度之內才發生。材料化學的突破，是發現了陶瓷銅氧化物——層狀、類鈣鈦礦的氧化物，如著名的釔鋇銅氧（YBCO）——它們在高得多的溫度下超導，超過了廉價液氮的沸點，這使超導實用了許多。

超導材料之所以重要，是因為零電阻和強磁性行為造就了沒有發熱損耗的強力電磁鐵——MRI 掃描儀和粒子加速器裡的磁體就是超導的——也造就了超靈敏的磁感測器，以及一條無損輸電的有希望的路徑。幾條老實告誡是實打實的：即便是高溫超導體，仍需要嚴肅的製冷（液氮很冷，約零下 196 攝氏度），因此對「室溫、常壓超導」的宣稱應當極為審慎、堅持要求可重複的證據——這個領域已出現過若干被撤稿或未獲證實的宣稱。而高溫銅氧化物超導體的機理至今仍未被完全解釋，是物理和化學中重大的未解難題之一。