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超导百年

发自芝加哥——世界首台“量子”计算机——一台利用量子现象的魔力来构成记忆体且任务执行速度远远高于当前使用的硅芯片的机器——最近由加拿大的D-Wave系统公司出售给洛克希德-马丁公司。与此同时,当人们开始质疑这台量子计算机的真伪时,其设计者在权威专业杂志上发表文章,阐述了构成这台崭新计算机的基本元素其实就是超导的量子位。

此举也成为了超导现象100周年纪念的标志性事件。所谓超导,就是物质携带电流却不造成损失的能力。超导线中的电流可以存在数年都不出现可测量的衰减。

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这种特性使得超导体拥有了可供多方面利用的独有特征。它们可以携带巨量电流,非常适用于城市电网,而被卷成线圈时又能制造出极其强大的磁场。

这些超导磁体被应用到一系列技术当中。最广为人知的就是驱动医院磁共振成像系统(MRI)的磁体。最鲜为人知的或许是欧洲大型强子对撞机中用于加速粒子的巨型磁体,而该设备则被利用来探索物质的基本原理。

虽然拥有巨大的前景,但超导体也存在自身的限制,其中最主要的一点就是大多数超导现象只有在极低温环境下才能实现——事实上就是接近绝对零度(-273摄氏度)。而这种温度只能通过液氦冷却来实现。因此当瑞士研究人员在1986年宣布发现了一种可以在比前纪录保持者高一倍的温度下实现超导的铜氧化物时,全世界都为之一振。

不久之后美国研究人员也发现了一种可以在高于气体液化温度的情况下实现超导的相关物质。正如《时代》杂志在1987年5月正式宣布的那样,随着这类名为“高温超导铜氧化物”的发现,我们已经迎来了超导的革命。

无奈这场革命却很快陷入了低潮。这类铜化合物非常难以使用,因为它们极为易碎。更糟糕的则是它们本身强烈的各向异性——这种材料拥有一个由大量互相弱连结的导电薄层所组成的准二维结构,因此虽然不断得到应用,对工业界来说也极富技术难度。

在高温超导铜氧化物发现之后,科学界也发现了一系列其他类型的“高温”超导体——其中一种是镁和硼的简单化合物,另一种则是铁和砷的混合物。虽然这些材料都未能在高于气体液化温度的情况下实现超导,但他们可能会最终成为可供应用的更佳材料。考虑到不同元素间可以组合出成千上万种化合物,因此更好的超导材料很可能就在不远处。

超导体预计将在未来科技中扮演日渐重要的角色。“第二代”高位超导铜氧化物导线已经被用于制造利于电力传输的高能电缆以及风力涡轮的更轻量发电机。强超导磁体推动下的MRI技术发展使得医学诊断更加精确。超导体被运用于高速悬浮列车,还可以制成微波过滤器来提高蜂窝电信基站的信号带宽。一个拥有更优秀特性的新超导体的发现可能会带来更重大的技术革新。

这是我们所面临的关于超导体智力挑战。从发现超导现象到1957年巴丁-库珀-施里弗(BCS)关于该现象如何产生的理论发表足足用了46年。沿着这条道路,一大批著名物理学家前赴后继地追寻这个答案——爱因斯坦,沃纳·海森堡和理查德·费曼则是他们的杰出代表。

解开这个难题需要依靠先进理论工具的发展。其中较为困难的则是如何使电子显示超导性。巴丁-库珀-施里弗理论的基本发现则是如果电子能两两配对,那么这些电子对就能实现超导。

幸运的是,这种配对的机制已经被发现了。虽然电子都是带负电并互相排斥的,但它们穿过金属时所抛弃的正离子可以在某种限制性条件下(比如冷却该金属)成为两个电子互相吸引的有效媒介。

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但也有人认为这不会是新超导体的特性。高温超导铜氧化物能在更高的温度下实现超导,但更重要的是它们拥有一种吸引人的特性:它们是由将电载流子掺入基质材料而形成的——该材料是一种磁性绝缘体,也是研究者们最没想到可能实现常规超导体的地方。跟巴丁-库珀-施里弗理论中电子对都是等方性的(即空间中所有方向都具有同样特性)不同的是,高温超导铜氧化物的电子对是强烈各向异性的,类似一个四面立体交叉的结构。

如何能在缺少离子的情况下让电子对互相连结在一起,并以此实现高温超导体?当关于这点的理论设想层出不穷之时,必须在解释这类电子-电子理论的体系(甚至包括黑洞)上取得新的理论突破。但无论这一理论将如何发展,它都注定将催生物理学的革命。