档案中的片段：超导体终于成熟

为了纪念 150 周年，我们重新回顾了科普故事（成功和失败），这些故事有助于定义科学进步、理解和创新，并增加了一些现代背景。探索整个档案系列并查看我们所有的周年报道。

在 19 世纪中期物理学家开始理解热力学定律之前，发明家们受到永动机理念的诱惑，试图利用热的运动。除了热心的创新者，骗子们也填补了科学空白。查尔斯·雷德赫弗就是一个例子，他自称是发明家，1812 年在费城和纽约市张贴广告，出售门票，让人们一睹他的无限运动机器，后来人们发现，这台机器是由一位老人在隐蔽的阁楼里转动曲柄操作的。

即使在热力学揭露了所有骗局之后，免费工作的概念仍未消亡。1911 年，荷兰物理学家海克·卡默林·昂内斯 (Heike Kamerlingh Onnes) 发现，电流可以无限地流过冷却至 -452° 华氏度（接近绝对零度）的汞。永动机又回来了！这一次，它被超导金属所覆盖。

据《大众科学》杂志 1967 年 3 月报道，工程学还需要 50 多年的时间才能利用这些材料取得真正的进展。又过了半个世纪，使电子快速流动的量子机制仍在研究中，对完美超导物质（即在室温下工作的物质）的探索仍在继续。

“未来的‘永动机’” （W. Stevenson Bacon，1967 年 3 月）

在接近绝对零度（−459°F）的温标上，存在着一个奇怪的“电永动机”世界，即超导世界，电流一旦启动，就会永远流动。随着材料和冷却方法的新发展，全国各地的实验室正在制造出真正奇妙的设备：

• 超导电动机的运行效率比以往任何旋转机器都要高（尽管需要消耗制冷能量）——因为它采用了无电阻绕组和无摩擦超导轴承。

• 超导发电机比目前已知的任何发电机更轻、体积更小、输出功率更大。

• 在真空或液氦中“漂浮”的超导轴承和陀螺仪。

• “快速思考”的计算机逻辑元件，称为冷子管。IBM 的最新冷子管从未公开过，它基于一种称为电子隧穿的现象，运行速度不到十亿分之一秒。

• 直径为 1/100 英寸的细线状导线，由特殊材料制成，可承载 300 安培的电流 — 无电阻，不发热。传统室温导体的直径必须大 600 倍。

• 直流变压器，在超冷技术出现之前被认为是不可能的。

• 被称为“通量泵”的设备，将小电压、电流和磁场转换为大电压、电流和磁场。

• 超导磁体和螺线管，与同类电磁铁相比，体积很小，但其磁场强度比地磁场强很多倍，只要有启动电流，就能永久运转。它们是第一批成熟的新型“永动机”，目前有一家制造商（RCA）在流水线上生产它们。

追寻“不可能”

寻找电永动机已历时 50 年。这是一个引人入胜的故事，充满了意外的发现、多年的挫折，然后慢慢地逐渐发现新的线索，这些线索今天将我们带到了一项令人兴奋的新技术的门槛上。

通常，金属对电流有阻力，输入到电线中的大部分能量都以热量的形式浪费掉了。这是为什么呢？

例如，铜原子结合在一起形成分子，分子又形成高度有序的三维网格或晶格。有大量“自由”传导电子可以携带电流穿过晶格。不幸的是，在任何高于绝对零度的温度下，热能都会引起大量的无序。

晶格结构处于不断振动的状态，它会散射电子，产生更多的热量、更多的扰动，以及对电流流动的更大阻力。大约在 [20] 世纪之交，荷兰物理学家卡默林·昂内斯 (Kamerlingh Onnes) 决心找出金属的电阻在极低温度下可以降低多少。他做到了，因为他是第一个成功液化氦的人。氦的沸点极低，为 −452°F (4.2 开尔文)，这为将金属冷却到接近绝对零度提供了第一种实用方法。

昂内斯利用纯化的水银，测量了温度下降时水银的电阻。起初，一切如预期。然后，突然间，莫名其妙地，在 4.15 开尔文的温度下，电阻完全消失了。一旦在水银中流动，电流就会永远流动。昂内斯惊呆了，他意识到自己偶然发现了一种全新的物质状态，在这种状态下，某种永动机或超导性是可能的。

22 年后，即 1933 年，德国物理学家瓦尔特·迈斯纳 (Walther Meissner) 发现了另一个惊人的事实。纯超导体放在磁场中会迫使磁通量释放。一些可能性包括：漂浮在磁场中的无摩擦超导轴承、无误差陀螺仪——甚至有人提出了利用磁场悬浮在超导轨道上方的交通列车。

解决谜题

超导性是什么？它又能如何应用？这个问题困扰了科学家 50 年。诱饵——传输和使用电力的极其高效的方式——很诱人，但问题也很多。昂内斯很快发现他的超导体，尤其是铅丝，存在严重的局限性。他试图制造一块磁铁，却发现铅在磁场中不再具有超导性。强电流也会产生同样的效果。

理论并没有多大帮助。很容易理解为什么温度下降时电阻会变小。除去热量，晶格振动和电子散射就会减少。但完全没有电阻又是另外一回事。更糟糕的是，超导性发生在远高于绝对零度的温度下——在最近发现的化合物中，温度高于 18°K。

随后，1957 年，三位杰出的科学家 J. Bardeen、LN Cooper 和 JR Schrieffer 提出了第一个可行的超导理论。

尽管电子带同种电荷，通常相互排斥，但在接近绝对零度的寒冷世界中，一种前所未有的现象“电子配对”却发生了。在极寒的环境下，它们会凝结——就像冰冷表面上的水滴一样——降到较低的能量或量子水平。在这个水平上，自旋相反、动量相等且相反的电子之间会产生微小的吸引力。它们相互作用并与晶格相互作用，与之交换声子（振动能量的量子），就像两个频率相同的音叉彼此靠近地安装在同一个基座上一样。电子对以波状方式与超导体中的其他电子对相互作用。

是什么阻止电子与晶格碰撞并释放出热量？科学家说，答案在于量子力学。一定的结合力将电子结合在一起，从而降低了它们的势能。如果一对电子中的一个电子被散射，它的势能将发生量子跃迁，足以弥补其速度损失。

换句话说，处于低能级的电子不可能通过与晶格碰撞而释放能量给晶格；它们只能获得能量。没有能量损失，电子就成为任何施加在它们身上的电流的“无摩擦”——永动机——载体。

最后的屏障

有了可行的理论，第一台“永动机”的诞生就已准备就绪。剩下的问题是：材料要能承受强磁场并保持超导性。

随后，在一项堪比超导发现本身的突破中，贝尔电话实验室的 JE Kunzler 于 1961 年发现某些超导合金——铌锡、钒硅、钒镓、钼铼和铌锆的组合——可承受高达 100,000 高斯的磁场，这一强度是地球磁场的 200,000 倍！

与纯元素超导体（例如铅、钽、汞、锡、铝）相比，这种新型超导体被贴上了“硬”的标签，纯元素超导体具有延展性和柔软性。它们也被称为 II 型超导体或丝状超导体，这解释了它们为何能发挥作用。

与纯超导体不同，新合金允许磁通量进入，使导线的某些区域恢复正常。然而，由于导线本身的成分非常不纯，超电流仍会继续在导线中以细小的线状细丝形式流动。

磁铁和机器

超导磁体通常只不过是一个悬浮在装有液氦的闪亮不锈钢杜瓦瓶（绝缘容器）中的小线圈。然而，它们的磁场却与需要小型发电厂全部输出功率和数千加仑冷却水的传统电磁铁的磁场相当。

当你将超导磁体放大时会发生什么？我在波士顿的 Avco 公司看到了世界上最大的磁体。在一座 40 英尺高的塔下，在一个巨大实验室的一侧，由非磁性铝梁支撑着一个巨大的杜瓦瓶，里面装有 6,000 升（价值 24,000 美元）的液氦。为了进行测试，将 10 英尺、8 吨重的磁体慢慢放入杜瓦瓶中，并加入氦气。它的绕组是九股铌锆丝，嵌入铜条中，以防止超导体产生热点并保持正常状态。厚铝制圆柱体支撑着每一层绕组——以防止磁体内部的巨大力量以爆炸性的暴力将其炸开。

当磁铁开始充电时，直流发电机（超导体确实会迅速对高交流电流产生抵抗力）在背景中嗡嗡作响。这个过程需要 25 分钟，充电完成后，磁铁将拥有 500 万焦耳的能量——相当于 91/2 根炸药。