科学解密不可思议超导体 激发电流可悬浮磁列车

什么是超导体？超导体是如何发现的？

科学家发现许多金属和合金具有在低温下完全失去电阻和完全抗磁性的特性，具有这种性质的导体称为超导体。科学家曾经在超导体中激发了电流，发现在两年半的时间内一直没有任何衰减。

1911年，荷兰莱顿大学的卡末林·昂内斯意外地发现，将汞冷却到零下268.98摄氏度时，汞的电阻突然消失卡末林·昂内斯称之为超导态。由于这一发现他获得了1913年诺贝尔奖。

1933年，荷兰的迈斯纳和奥森菲尔德共同发现了超导体的另一个极为重要的性质——当金属处在超导状态时，这一超导体内的磁感应强度为零，却把原来存在于体内的磁场排挤出去。

完全抗磁(迈斯纳效应)——超导体最重要特征

1933年德国物理学家迈斯纳和奥森菲尔德对锡单晶球超导体做磁场分布测量时发现，在小磁场中把金属冷却进入超导态时，体内的磁力线一下被排出，磁力线不能穿过它的体内，也就是说超导体处于超导态时，体内的磁场恒等于零。这种效应被称为“迈斯纳效应”。

由于超导体“不允许”其内部有任何磁场，如果外界有一个磁场要通过超导体内部，那么超导体必然会产生一个与之相反的磁场，保证内部磁场强度为零，这就形成了一个斥力。当在一个超导体正下方放置一个磁体，并使磁感线垂直通过超导体的时候，超导体将获得垂直的上浮力。当这个力的大小刚好等于超导体的重力的时候，超导体就可以悬浮在空中。在科幻大片《阿凡达》中就有设置的超导磁悬浮的情景。

超导磁悬浮的重要应用——磁悬浮列车

中国上海磁悬浮列车采用的是常规磁体悬浮技术，日本的磁悬浮列车采用的是超导磁悬浮技术，2003年12月2日，日本超导磁悬浮列车最高速达到581km/h（361 mph），创下有车厢车辆的陆地极速。

超导线圈是磁悬浮列车的最关键设备之一，它使列车获得上浮、推进、导向力。日本使用的超导物质是将超细铌钛合金多芯线埋入铜母线内制成的超导电线，当此种超导电线浸入液氦(零下269摄氏度)中时进入超导状态产生强大磁场。这是世界上首次在实用运输设备上用超导技术实现可获得550公里稳定时速的大功率强磁线圈，其电压为22KV。日本的MLX01型列车装备的压缩机为目前世界上体积最小、能力最强的节能型车载液氦及液氮压缩机，并且实现了连续工作1万小时无故障的纪录。使得列车运行时一次充氦(氮)以后无需再补充液氮或液氦。 

表面金属内部超导体 美研制出奇特拓扑超导材料

3年前，美国普林斯顿大学的一个研究小组发现了三维拓扑绝缘体，这是一种金属表面的奇怪绝缘体，虽然它独特的属性具有很大应用潜力，但用于量子计算机却并非理想材料。两年来，科学家经过不断探索，完全扭转其性质，使之成为表面是金属、内部却具有超导性的拓扑超导体。这种新材料的发现有望发展出新一代电子学，使当前的信息存储与处理方式完全改观。

表面是金属内部是超导体

据美国物理学家组织网报道，普林斯顿大学扎西德·哈桑领导的研究小组发现了一种具有“双重性格”新型晶体材料：在极低温度下，晶体内部表现与普通超导体类似，能以零电阻导电；同时，它的表面是仍有电阻的金属，能传输电流。相关成果发表在最新一期《自然·物理学》杂志上。

实验中，为了评价新晶体材料的性能，研究人员利用X光谱进行分析，通过研究X射线轰击出来的单个电子来确定晶体的真实属性，测试发现生成的是一种拓扑超导体。研究人员进一步在晶体的表面发现了不同寻常的电子，其表现得像轻子。由于哈桑小组2009年曾经第一次直接观察到了一种被称为螺旋状狄拉克费米子的电子，此时他们立刻认出了这种电子就是科学家长期寻找的马拉约那费米子（Majorana fermions）。

而宾夕法尼亚大学物理学家查尔斯·凯恩预测，如果一种拓扑超导体取代了一种拓扑绝缘体，把这种混合材料置于强磁场中时，其边界电子将变成马拉约那费米子。由于这种新晶体材料囊括了金属、绝缘体和传统超导体等多重“身份”，如何根据电子状态来将它归类让科学家困惑不已。哈桑表示，拓扑超导体除了表面是金属以外，其他部分都是超导体，这将给我们带来许多应用前景。

2007年，哈桑领导的研究小组发现了三维拓扑绝缘体硒化铋。在过去的两年中，研究小组扭转了硒化铋的属性，使其变成了表面是金属、内部为超导体的材料，这种属性就很适合于未来电子学的开发。

为了使超导体具有拓扑性质，参与研究的普林斯顿大学化学教授罗伯特·卡瓦把铜原子嵌入硒化铋半导体的原子晶格中，发明了一种新晶体。这一过程称为半导体掺杂，是一种改变材料电子数量的方法，用来转变其电性。结果发现，在低于4K（约零下269摄氏度）的温度下，合适的嵌入数量能将晶体转变成一种超导体。但美中不足的是，根据最初的实验结果，超导体无法长久保持其拓扑性质，在真空中仅能保持几个月。

加州大学伯克利分校物理副教授约尔·摩尔说，从理论上而言，如果一种拓扑绝缘体变成了拓扑超导体，它会具有一些超常的性质，最异类的就是出现马拉约那费米子。由普通原子核和电子构成的固体能“生成”具有特异性质的粒子，比如分数电荷，但马拉约那费米子是零质量零电荷，这可能是最奇怪的。尽管还没有能检测拓扑超导体的工具，但哈桑的研究在正确的方向上迈进了一大步。

量子计算机使用次原子粒子“量子”来存储和处理信息。量子计算机将来能以远远超过今天传统计算机的速度来操作数据，然而，研制更高性能量子计算机的努力，却由于量子行为的不确定而受到阻碍。如果多个马拉约那费米子的运动能被预测，拓扑量子计算机用它们来存储信息将是容错的，即计算机能“知道”自己在执行对错计算时是否出现了错误。

“从新物理学发展到新技术应用需要很长时间，通常要20年到30年时间。”哈桑介绍说，拓扑超导体最激动人心的应用就是高能量子计算机，它能在计算中发现错误，一旦出错就会在信息处理过程中产生抵抗。他解释说，普通电子带负电荷，而马拉约那费米子是中性的，它不会被附近的粒子、原子吸引或排斥，它们的行动就是可预测的，有着预定的轨迹，这是它们真正的潜能所在。

哈桑也称，这种具有双重电子特性的新型超导材料，可以被认为是一种特殊的绝缘体。“我们可以利用这一点来‘哄骗’电子嗖嗖地跑到它的表面上，变成马拉约那费米子。”

目前，研究小组还在鉴别其他种类的拓扑超导体和拓扑绝缘体。关于进一步的研究，哈桑和他的团队表示将继续检测马拉约那费米子，找出控制它们性质的方法。他们的两个重要目标，一是找到高温超导的拓扑材料，二是开发内部高度绝缘的拓扑绝缘体。

量子计算机之所以成为人们关于这种新材料应用的第一联想，主要是因为如果用马拉约那费米子承载量子信息，将能有效保护脆弱的量子态不受侵害。与两次受到诺贝尔奖青睐的量子霍尔效应极其相似，“非驴非马”的拓扑超导体和不久前发现的拓扑绝缘体展示的奇异量子现象自然让这些科学家兴奋不已。拓扑绝缘体一经发现便成为宠儿，拓扑超导体肯定更将被物理学界视作明天娇子。求索之路遥遥，即使它只是昙花一现，我们无疑也会从中获知良多。

新型高温超导体材料问世 多层超导体可传输电流

如果这种新材料预示着新事物的到来，那么这个世界将很快看到超导体的实际应用，为医学、技术、运输以及能源等领域带来改善。威斯康辛大学材料科学与工程学教授Chang-Beom Eom所带领的一个科学家团队已经开发出一种独特的多层超导体，它能够传输大量的电流。

他们的这种创新材料具备在高温下操作的能力。大多数超电导材料通常含有传导性元素，比如说铌、铅或者水银，而且只能在极端寒冷的条件下操作，这就使它们在现实世界中的应用变得不切实际。然而耐高温超导体在目前的医疗技术中找到了实际应用，比如说在诊断测试中使用的磁共振成像（MRI）以及超导量子干涉装置(SQUIDs)。借助电动力悬浮的磁悬浮列车也依靠耐高温超导材料进行工作。

Eom和他的团队创造的这种超导材料是由氮族元素化物组成的，或者由氮族的五种元素之一与钛酸锶氧化物混合组成。尤其独特的是它能力改善后能够大面积携带连续的强电流。Eom说道，虽然这种人造构造并非是它这个种类的第一种超导体，但是它确实让研究人员的研究更进了一步，来创造出一种能够在室温下操作的超导体，而且它对于电子设备和高压设备的未来发展是非常重要的。