超导材料

在一根普通的导线里，推动电流通过总会以热的形式浪费掉一些能量，因为移动的电子不断撞上金属里振动的原子——这份电阻正是手机充电器会发热的原因。但把某些材料冷却到一个特殊的临界温度以下，会发生惊人的事：它们的电阻不只是降得很低，而是恰好降到零。让电流在这种材料的环里流起来，它能持续绕行数年而不衰减。这就是超导体，是整个材料化学里最戏剧性的现象之一。

超导体有两手看家本领。第一是在临界温度以下电阻为零。第二同样重要：它会把磁场从内部排斥出去——迈斯纳效应——这正是超导体能把一块磁铁悬浮在其上方、半空漂浮的原因。在经典的低温超导体里，解释是：在临界温度以下，电子不再作为孤立粒子行进，而是两两成对（即所谓库珀对），这些对以一种协调的方式滑过晶格、再也不会被原子振动打断，于是没有能量损耗。难点在于，这通常只在接近绝对零度的几度之内才发生。材料化学的突破，是发现了陶瓷铜氧化物——层状、类钙钛矿的氧化物，如著名的钇钡铜氧（YBCO）——它们在高得多的温度下超导，超过了廉价液氮的沸点，这使超导实用了许多。

超导材料之所以重要，是因为零电阻和强磁性行为造就了没有发热损耗的强力电磁铁——MRI 扫描仪和粒子加速器里的磁体就是超导的——也造就了超灵敏的磁传感器，以及一条无损输电的有希望的路径。几条老实告诫是实打实的：即便是高温超导体，仍需要严肃的制冷（液氮很冷，约零下 196 摄氏度），因此对「室温、常压超导」的宣称应当极为审慎、坚持要求可重复的证据——这个领域已出现过若干被撤稿或未获证实的宣称。而高温铜氧化物超导体的机理至今仍未被完全解释，是物理和化学中重大的未解难题之一。