【极冷篇｜第三章：凝聚态物理】03 超导体

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这一节我们来介绍一个更为神奇的低温物理现象——超导（superconductivity）。

超导就是物体的电阻为零，超导体就是电阻为零的导体。超导这个现象在20世纪初就已经被发现了，当时有一位荷兰物理学家，把水银的温度降到十分接近绝对零度，发现这时水银居然超导了。超导的类型有很多，物体会超导的原因具体是什么，到今天也不能解释清楚。

3.3.1 BCS 超导

电阻本质上是电子运输过程中的各种阻碍，比方与晶格的碰撞，这其实体现为一种摩擦。既然超流摩擦为零，只要让超流体带上电，岂不就是超导了？这里面有一个巨大的鸿沟，我们论证了超流通常都处在玻色-爱因斯坦凝聚状态，但是玻色-爱因斯坦凝聚只能发生在玻色子身上，而电子是费米子，费米子无法发生玻色-爱因斯坦凝聚，因此只给电子降温是无法达到超导的状态的。

最早关于超导的微观理论叫 BCS 理论，由三位美国物理学家约翰·巴丁、利昂·库珀和约翰·施里弗（Bardeen、Cooper 和 Schreiffer）共同提出，BCS 就是他们三人名字首字母的缩写。该理论让这三位物理学家获得了 1972 年的诺贝尔物理学奖。

BCS 理论的关键在于如何让电子变成玻色子，这里就要说到上一节提到的声子。在第四篇【极小篇】讨论过，粒子物理中，力的本质就是有粒子的交换。BCS 理论的关键，就是两个电子通过交换声子，产生了一个等效的吸引作用。在声子的作用下，两个电子以自旋相反的方式被束缚在一起形成了一个电子对，这个电子对叫做库珀对（Cooper Pair），它总体上是一个玻色子。

既然变成了玻色子，就可以发生玻色-爱因斯坦凝聚，成为超流，并且这个玻色子是个带电的玻色子，因此就成为了超导。

3.3.2 完全抗磁性

超导拥有完全抗磁性，也就是说，磁场无法进入超导体，它内部的磁场一定为零。

如何理解完全抗磁性呢？磁场进入超导之后，会激发起超导里的电流，当然并非只有超导里会被磁场激发起电流，任何材质都可以。但是，由于超导的电阻为零，这个电流一旦被激发起来之后不会消失，电流会产生新的磁场，它与入射磁场的方向相反，会抵消入射磁场的强度，并且是完全抵消。如果不完全抵消，就会有新的电流被激发起来，新电流的磁场会抵消之前还没有被抵消的部分，因此最终的状态就是所有磁场都被抵消，这样，超导的内部才会是稳定的。这就是超导完全抗磁性的来源。

超导的完全抗磁性的分析，和另外一种电学现象，静电屏蔽现象的分析一样。为什么飞机即便被闪电击中，飞机内的乘客也不会受伤？为什么手机进入电梯就没有信号？这些其实都是静电屏蔽现象。

静电屏蔽现象说的是，电场无法在金属中存在。如果金属中存在电场，这个电场会倾向于把正电荷沿着电场方向推动，负电荷沿着相反的方向推动，正电荷和负电荷分开产生一个新的电场，这个电场的方向与入射电场方向刚好相反，与入射电场相抵消，因此最终的效果是金属里的电场为零。之所以有这个现象，是因为金属里有大量自由电子，而绝缘体不行是因为电场无法让绝缘体里的电子充分分开。

所以金属拥有完全抗电性，超导拥有完全抗磁性。

3.3.3 高温超导

BCS 超导理论对应的是最普通的一种超导体，这种超导的临界温度非常低，大概是液氦的 4K 左右。后来科学家们发现，超导的临界温度可以通过改变物质的种类进行提高，比如用结构十分复杂的化合物把这个温度提升到 100K 以上。

科学家们竞相提升超导的临界温度，这个研究领域变成了一个全新的领域，叫做高温超导。此处的高温并不是我们认为的那种几千几万度的高温，而是跟绝对零度相比之下的高温，100K（-170℃）跟4K的液氦超导相比要高得多。

科学家们对高温超导的原理的研究，目前也只是在半摸索的状态中前进，至今还没有完全清楚。主流的高温超导的原理有若干种，但是万变不离其宗，都要形成库珀对（Cooper Pair），要让电子形成电子对，只是形成电子对的机制，在高温超导中未必是通过声子，而是通过一些其他的方式。

有一种机制叫自旋密度波（Spin density wave），可以这么理解，我们上一章通过 Ising Model 讨论过铁磁体，也就是加了一个磁场以后，电子的自旋都倾向于平行排列。当然我们也讨论了反铁磁体，也就是相邻的自旋倾向反平行排列。

自旋密度波说的是在低温情况下，这些电子的自旋情况与反铁磁体类似，它自身产生的磁场，倾向于让周围的电子都以反平行的形态靠拢并形成反平行排列的电子对，如同波动在传播一样，因此叫自旋密度波。

自旋密度波对于高温超导的解释只是定性的，目前还并没有被证明是完全正确的高温超导理论。

3.3.4 超导的应用

超导的应用十分广泛，在第四篇【极小篇】里，粒子物理的实验用的对撞机需要生成巨大的磁场来束缚粒子的运动，这就要靠巨大的电流，但是一般的线圈在有电阻的情况下是无法支撑超大的电流的，而超导在承受大电流方面有天然的优势。除此之外，为了束缚住一亿度高温的反应物，可控核聚变也需要用强大的磁场，这种磁场也是依靠超导来承载的。

如果高温超导（尤其是室温超导）能实现，将为人类的用电方式带来革命性的改变。我们目前之所以用的是交流电，是因为交流电可以通过超高的电压，降低在传输过程中的线路损耗。如果超导输电实现，超高压的交流电将退出历史舞台。

超导和超流可以说是在低温状态下最早被发现的奇异物理现象，从上世纪 80 年代起，低温状态下的奇异物理学现象越来越多，开启了一个全新的物理学领域——强关联电子系统。