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[产业气象站]漫谈神奇石墨烯的绝缘超导与抗磁性

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超导体也被称为超导材料 ， 它一般是指在某一温度下 ， 电阻为零的导体 。 在实验中 ， 若导体电阻的测量值低于10的-25次方Ω ， 就可以认为电阻为零 。 超导体不仅具有零电阻的特性 ， 另一个重要特征是完全抗磁性 。
超导体的应用可分为三类：强电应用、弱电应用和抗磁性应用 。 强电应用即大电流应用 ， 包括超导发电、输电和储能；弱电应用即电子学应用 ， 包括超导计算机、超导天线、超导微波器件等；抗磁性应用主要包括磁悬浮列车和热核聚变反应堆等 。
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而超导体的发现则来源于1911年荷兰科学家海克·卡末林·昂内斯的一次意外之举 ， 1908年 ， 得益于低温技术的发展 ， 来自荷兰莱顿大学莱顿低温实验室的昂内斯教授以极大的精力改善了实验室装备 ， 通过采用压缩氮气节流预冷氢、氢压缩节流预冷氦 ， 最终用压缩节流的方法将氦液化 ， 获得了4.2K的低温 。 成功将最后一种“永久气体”——氦气液化 。
低温研究的突破 ， 为超导体的发现奠定了基础 。 再接再厉的昂内斯在1911年发现 ， 在4.3K低温以下 ， 铂的电阻保持为一常数 ， 而不是通过一极小值后再增大 。
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因此昂内斯认为纯铂的电阻应在液氦温度下消失 。 为了验证这种猜想 ， 昂内斯选择了更容易提纯的汞作为实验对象 。 首先 ， 昂内斯将汞冷却到零下40℃ ， 使汞凝固成线状；然后利用液氦将温度降低至4.2K附近 ， 并在汞线两端施加电压；当温度稍低于4.2K时（相当于-269℃时 ， 将开氏温度转变为摄氏度的公式就是开氏温度-273 ， 因为绝对零度是-273度） ， 汞的电阻突然消失 ， 表现出超导状态 ， 后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性 ， 由于它的特殊导电性能 ， 卡茂林-昂尼斯称之为超导效应 。
在他之后 ， 人们开始把处于超导状态的导体称之为“超导体” 。 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 。 对单晶锡球进行实验发现：锡球过渡到超导态时 ， 锡球周围的磁场突然发生变化 ， 磁力线似乎一下子被排斥到超导体之外去了 ， 人们将这种现象称之为“迈斯纳效应” ， 这也就是我们在一开始说的半导体具有完全抗磁性 。
由此 ， 迈斯纳效应和零电阻现象是实验上判定一个材料是否为超导体的两大要素 。 超导已有了一些重要的实际应用 ， 如用于医院里的核磁共振成像、高能加速器、磁约束核聚变装置等 ， 但长期以来 ， 制约超导体广泛应用的一个主要瓶颈是 ， 最佳超导体需要用液氦或液氮加以冷却才能使用（往往冷却至-250℃） 。
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理论物理学家也在试图解开超导体的奥秘 ， 直到1957年 ， 三位物理学家提出BCS理论 ， 近自由电子模型为基础 ， 是在电子－声子作用很弱的前提下 ， 解释常规超导体的超导电性的微观理论 ， 并因此获得1972年诺贝尔物理学奖 。
美国物理学家麦克米兰还发现 ， BCS理论存在一个极限温度大约39K ， 高于这个温度后的任何物质 ， 都不能形成超导态 ， 这个发现被称为麦克米兰极限 ， 这一极限打击了人们的信心 ， 因为如此低的温度难以用于实际 。
因为人类追求的是实现常温超导 ， 这样低的温度实在是难以在现实生活运用 ， 难度太大 ， 投入太高 ， 目前科学家还在对高温超导领域进行探究 ， 高温超导体并不是大多数人认为的几百几千的高温 ， 只是相对原来超导所需的超低温高许多的温度 ， 不过也有零下几百多摄氏度 。 而在人类所研究的超导中温度算提高非常多 ， 所以称之为高温超导体 。


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