零电阻的秘境：超导世界的百年探索

1911 年 4 月的一个午后，荷兰莱顿大学的低温实验室里，海克・卡末林・昂内斯正凝视着示波器上跳动的曲线。液态氦在杜瓦瓶中发出微弱的沸腾声，将温度降至 4.2K（-268.95℃）时，汞线两端的电压突然归零。这个意外发现让他攥紧了手中的记录笔 —— 人类首次窥见超导现象的神秘面纱。

当时物理学界普遍认为，电阻会随温度降低逐渐趋近某个最小值。昂内斯团队原本计划测量金属在极低温下的电阻变化规律，却在重复实验三次后确认：当温度低于特定临界值，汞的电阻确实消失了。他们将这种零电阻状态命名为 “超导电性”，这个词汇后来被镌刻在 1913 年诺贝尔物理学奖的证书上。

![超导现象示意图：低温环境下电流在超导材料中无损耗流动的模拟图像]

真正揭开超导微观机制的，是半个世纪后的美国物理学家约翰・巴丁。1957 年，他与利昂・库珀、约翰・施里弗共同提出的 BCS 理论，像一把精密钥匙打开了量子世界的大门。理论指出，低温下金属晶格振动形成的 “声子” 会让电子两两配对，这种 “库珀对” 能在晶格中畅通无阻，就像人群中默契十足的双人舞，巧妙避开所有碰撞。

巴丁因此成为史上唯一两获诺贝尔物理学奖的科学家，但他的研究之路并非坦途。1950 年代初，固态物理学界对超导机理的争论如同迷雾笼罩的沼泽。有人认为电子与晶格的相互作用微不足道，有人坚持量子隧穿效应才是关键。巴丁团队在计算库珀对结合能时，曾因忽略晶格振动的色散关系而陷入数月僵局，直到引入玻恩 – 黄近似才突破瓶颈。

超导研究的真正爆发，始于 1986 年瑞士苏黎世的 IBM 实验室。贝德诺尔茨和米勒在镧钡铜氧陶瓷中观察到 35K 的超导转变温度，这个数值远超传统金属的临界温度，像一声惊雷炸响在凝聚态物理领域。当时学界普遍认为氧化物陶瓷是绝缘体，两人的发现被《自然》杂志拒稿三次，审稿人甚至嘲讽 “这就像宣称塑料能导电一样荒谬”。

这场 “高温超导革命” 迅速席卷全球。1987 年 2 月，中国科学院物理研究所的赵忠贤团队将临界温度提升至 90K，首次实现液氮温区（77K）的超导现象。液氮成本仅为液氦的百分之一，这个突破让超导应用从实验室走向产业化成为可能。当时北京的实验室里，研究人员用保温瓶储存液氮，在简易装置上重复实验，玻璃器皿上凝结的白霜与示波器上跳跃的曲线，共同见证着科学探索的热忱。

超导体的另一重特性 —— 完全抗磁性，同样充满魔力。1933 年，迈斯纳和奥森菲尔德发现，超导体能将内部磁场完全排斥，就像穿上了一层无形的磁铠甲。当永磁体靠近超导盘时，会受到向上的斥力而悬浮，这就是磁悬浮列车的核心原理。1999 年，日本山梨磁悬浮试验线创造出 581km/h 的世界纪录，车厢底部的超导线圈与轨道磁场相互作用，让列车如同在磁场中飞行。

医用核磁共振成像（MRI）是超导技术最成熟的应用之一。强磁场环境能让人体水分子中的氢原子核有序排列，接收射频脉冲后释放的信号经计算机处理形成清晰图像。一台标准 MRI 设备的超导磁体需要用液氦维持 4K 的低温，线圈中通过的电流能持续数年而无衰减。这种零损耗特性，让磁场强度稳定在 1.5T 至 3T 之间，足以分辨毫米级的脑部病变。

能源领域的超导应用正在改写电力传输的未来。2014 年投运的上海南汇超导变电站，采用铋系高温超导电缆实现了 10kV/1kA 的电力传输，损耗仅为常规电缆的三分之一。在液氮冷却下，超导电缆能承载的电流密度是铜缆的 10 倍以上，同等容量下的截面积仅为五分之一。这种 “能量高速公路” 若广泛应用，每年可减少我国电力传输损耗约 1500 亿度，相当于三个三峡电站的年发电量。

超导量子计算是当前最前沿的研究方向之一。量子比特在超导环中形成的宏观量子态，能同时处于 0 和 1 的叠加状态，运算速度呈指数级增长。IBM 在 2021 年发布的 127 量子比特处理器 “鹰”，就采用铝制超导电路，在 10mK 的极低温环境下运行。但量子态的脆弱性如同风中烛火，哪怕是微弱的热振动或电磁干扰，都可能导致计算错误。科学家们正在研发的拓扑超导材料，或许能像给量子比特穿上 “防弹衣”，让容错量子计算机成为现实。

室温超导的梦想始终照耀着科研之路。2023 年，美国罗切斯特大学团队宣称在高压下的镥氮氢体系中实现了近室温超导，这一成果引发全球关注，也伴随着激烈争议。重复实验显示，该材料在 21℃和 1 万个大气压下出现电阻骤降，但临界电流密度等关键指标尚未达标。即便如此，这个方向如同远方的灯塔 —— 若能在常压下实现室温超导，输电网络、磁悬浮交通、量子计算等领域将迎来颠覆性变革。

实验室里的探索仍在继续。低温恒温器的显示屏上，温度数字缓慢跳动；磁场线圈通入电流时，液氦液面泛起细碎的涟漪；XRD 衍射仪记录的晶体结构图谱，藏着超导机制的密码。从昂内斯的汞线实验到今天的高温超导薄膜，从液氦的极寒世界到室温超导的可能，人类对零电阻状态的追寻，不仅是对物理规律的探索，更是对突破极限的向往。那些在实验室灯光下闪烁的超导材料，或许正预示着一个能量无损耗、计算无极限的未来。