作者：羅會(huì)仟 中國科學(xué)院物理研究所

電影《阿凡達(dá)》中潘多拉世界的哈利路亞懸浮山

電影《阿凡達(dá)》不僅僅給我們帶來了3D的震撼視覺享受，也為我們構(gòu)想出了一個(gè)奇幻美麗的潘多拉世界。其中最令人難忘的場景之一是一座座懸浮在云端的哈利路亞山。這些山爬滿粗壯的藤蔓、壁掛飛天的瀑布、容納神秘的大鳥，并且時(shí)常在空中移動(dòng)，是何等地神奇！這其實(shí)是一種超導(dǎo)磁懸浮現(xiàn)象，電影中這么給出了解釋：這些山體含有大量的超導(dǎo)礦石，在神秘母樹區(qū)域的強(qiáng)大磁場作用下，這些超導(dǎo)礦山得以懸浮在空中。

超導(dǎo)磁懸浮與超聲生物懸浮

在地球這個(gè)現(xiàn)實(shí)世界中，懸浮現(xiàn)象實(shí)際上在身邊比比皆是。如翱翔在天際的飛鳥和暢游在水中的魚蝦，它們利用排開液體或者氣體形成浮力與自身重力相平衡而可以懸浮。氣墊船、鷂式飛機(jī)、直升飛機(jī)、火箭推進(jìn)器等向下噴出氣體也可以懸浮在空中，布滿靜電的氣球可以懸浮在電容器中，處于超導(dǎo)態(tài)的超導(dǎo)體可以把小磁鐵懸浮起來，用超聲波也可以懸浮起液體甚至小昆蟲。即我們可以用氣、聲、磁、電磁等外界作用力抵御物體的重力，從而實(shí)現(xiàn)懸浮現(xiàn)象。用光照射物體產(chǎn)生所謂“光壓”也可以實(shí)現(xiàn)光懸浮，太陽帆飛船就是設(shè)想中的一種利用光壓進(jìn)行遠(yuǎn)距離太空航行的飛行器。對于微觀世界的原子，如果用六束激光從不同方向?qū)⑵洹安东@”，可以使得它大大降低熱振動(dòng)而“冷靜”下來，似乎它是“悠哉”地享受懸浮世界的美妙。然而，要實(shí)現(xiàn)哈利路亞山那么壯觀的懸浮山景象，似乎超導(dǎo)磁懸浮是首選的方法，因?yàn)槌瑢?dǎo)體和哈利路亞山一樣——也是如此地神奇（也許卡梅隆也是這么想的？）。

超導(dǎo)體的神奇之處在于，一旦進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)，超導(dǎo)體將從電、磁、熱三個(gè)方面獨(dú)立表現(xiàn)出一些奇妙特性。超導(dǎo)態(tài)下超導(dǎo)體是沒有電阻的，即處于零電阻狀態(tài)，如果你做一個(gè)超導(dǎo)環(huán)路并感應(yīng)出電流，那么它可以持續(xù)不斷地保持下去；超導(dǎo)體一旦進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)，那么它會(huì)把體內(nèi)的磁通線排出去，即超導(dǎo)體內(nèi)磁場為零，我們稱之為完全抗磁性；超導(dǎo)體從正常態(tài)轉(zhuǎn)變到超導(dǎo)態(tài)時(shí)，其電子比熱會(huì)出現(xiàn)一個(gè)躍變，即電子整體凝聚到了一個(gè)低能態(tài)。超導(dǎo)磁懸浮利用的原理正是超導(dǎo)體的完全抗磁性：處于磁場中的超導(dǎo)體一旦進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)，它將會(huì)排出體內(nèi)的磁通線，即對磁場產(chǎn)生一個(gè)作用力，而磁場對超導(dǎo)體也存在反作用力，永磁體附近磁場的大小約與到磁體的距離立方成反比，所以越靠近磁體將大大增加超導(dǎo)體受到的作用力，因此在一定高度就可以達(dá)到與重力的平衡，也就實(shí)現(xiàn)了磁懸浮。乍一看超導(dǎo)磁懸浮似乎很容易實(shí)現(xiàn)，事實(shí)上這里有個(gè)重要的前提，那就是超導(dǎo)體必須處于超導(dǎo)態(tài)，而超導(dǎo)態(tài)往往需要在低于某個(gè)溫度下才能實(shí)現(xiàn)，這個(gè)溫度稱之為超導(dǎo)臨界溫度（Tc）。超導(dǎo)臨界溫度有多低？第一個(gè)發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)體是金屬汞，它的Tc只有4.2K，也就是-269 ，目前最高的超導(dǎo)臨界溫度記錄是約164K，也是-109 ，而人類生活的環(huán)境（室溫）一般在300K左右，即0~40 。和人類生活的環(huán)境相比，超導(dǎo)臨界溫度還是太低太低，這也就是超導(dǎo)體應(yīng)用的最大瓶頸。《阿凡達(dá)》里的潘多拉星球看起來和地球環(huán)境溫度差不多，不過大氣的氣氛不同，而在自然環(huán)境中懸浮的哈利路亞山則意味著室溫超導(dǎo)體的大量存在。地球上已知的超導(dǎo)體都因?yàn)榕R界溫度太低而難以大規(guī)模應(yīng)用，所有人類才跑到外星球瘋狂地掠奪室溫超導(dǎo)礦石而不顧破壞那威人的生存環(huán)境，當(dāng)然這是科幻。生活在我們這個(gè)藍(lán)色地球上的人類自從1911年發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象以來，就在不斷地尋找和研究超導(dǎo)體，一方面試圖研究清楚其超導(dǎo)機(jī)理，另一方面則試圖不斷地提高臨界溫度并探索其可能的應(yīng)用，而室溫超導(dǎo)可謂是超導(dǎo)材料探索的終極夢想。

目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)體及其代表材料結(jié)構(gòu)

1908年，荷蘭萊頓實(shí)驗(yàn)室的K.Onnes借助范德瓦爾斯模型原理把最后一個(gè)最難液化的氣體——氦氣給液化，從而得到了當(dāng)時(shí)最低的溫度4.2K。1911年當(dāng)他測量金屬汞在如此低的溫度下電阻時(shí)，驚奇地發(fā)現(xiàn)其電阻降到了儀器可測量精度的最小值以下，即可認(rèn)為電阻為零，這就是超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)。1933年德國物理學(xué)家W.Meissner發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)體的完全抗磁性又稱Meissner效應(yīng)。零電阻和Meissner效應(yīng)是判斷檢驗(yàn)超導(dǎo)體的兩種獨(dú)立特征。在此后的半個(gè)世紀(jì)里，人們又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)元素周期表中大部分元素單質(zhì)都可以超導(dǎo)，許多金屬合金在低溫下也具有超導(dǎo)電性，但Tc都要低于23.2K。需要說明的是，所有的超導(dǎo)體一般分為兩類，第一類超導(dǎo)體是零電阻和Meissner態(tài)同時(shí)存在并能同時(shí)被外加磁場破壞的；第二類超導(dǎo)體則存在處于超導(dǎo)態(tài)和正常態(tài)之間的混合態(tài)，即Meissner態(tài)在很低磁場就被破壞，磁通線可以部分穿透進(jìn)入超導(dǎo)體并按照一定的規(guī)則排列，而此時(shí)仍有部分電子處于超導(dǎo)態(tài)也即還有零電阻效應(yīng)，直到更高的磁場下才能破壞零電阻效應(yīng)；大部分超導(dǎo)體都屬于第二類超導(dǎo)體，處于混合態(tài)的超導(dǎo)體仍然具有部分抗磁能力，也可以實(shí)現(xiàn)磁懸浮。1957年，J. Bardeen、L. N. Cooper和J. R. Schrieffer成功建立了常規(guī)金屬合金超導(dǎo)體的微觀理論——BCS理論。BCS理論認(rèn)為當(dāng)金屬材料處于低溫狀態(tài)時(shí)，材料中能量較高的巡游電子將借助周期排列的原子振動(dòng)交換的能量而兩兩配成電子對（又稱Cooper對），這些電子對將集體關(guān)聯(lián)共同凝聚到一個(gè)低能態(tài)——超導(dǎo)態(tài)，要破壞電子對就必須付出足夠的能量，即超導(dǎo)態(tài)和正常態(tài)之間存在一個(gè)能隙，因此超導(dǎo)態(tài)在低外磁場及低溫下是穩(wěn)定存在的有序量子態(tài)。配對以后的電子對在運(yùn)動(dòng)中各自受到的散射將相互抵消，相當(dāng)于其在行進(jìn)中不受到阻礙，即實(shí)現(xiàn)了零電阻狀態(tài)。同時(shí)材料中所有電子對之間的集體關(guān)聯(lián)效應(yīng)能夠把外磁場屏蔽，即實(shí)現(xiàn)了完全抗磁性。此外，隨著超導(dǎo)體承載的電流密度增加，電子對將可能獲得超過能隙大小的能量并被拆散，超導(dǎo)態(tài)也將隨之破壞，我們把材料可承載的最大電流密度稱之為臨界電流密度。BCS理論的關(guān)鍵在于電子配對且存在能隙，但能隙大小實(shí)際上和電子分布結(jié)構(gòu)以及原子振動(dòng)能量密切相關(guān)。要實(shí)現(xiàn)高Tc就必須借助更高能量的原子振動(dòng)方式，而若原子振動(dòng)過強(qiáng)那么材料的微觀結(jié)構(gòu)就會(huì)失穩(wěn)而塌縮。因此人們預(yù)言在BCS理論框架下，Tc不可能超過30K。而確實(shí)在隨后的許多年里，雖然發(fā)現(xiàn)了不少新的超導(dǎo)體，但都沒有打破這一預(yù)言，這讓許多人失去了對超導(dǎo)研究的興趣和希望。 直到1986年，似乎山窮水盡的超導(dǎo)材料研究才出現(xiàn)柳暗花明又一村，Bednorz和M ller在以絕緣體為母體的銅氧化物材料La2BaCu4Ox中發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)電性，其Tc高達(dá)35K，打破了BCS理論的預(yù)言上限。人們緊接其后在Y-Ba-Cu-O、Bi-Sr-Ca-Cu-O、Tl-Ba-Ca-Cu-O、Hg-Ba-Ca-Cu-O等諸多銅氧化物材料中發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)電性，并在短短的十年時(shí)間把Tc記錄提高了100K以上，達(dá)到最高的164K，這類超導(dǎo)體于是被稱為銅氧化物高溫超導(dǎo)體。高溫超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)過程，諸多華人和中國科學(xué)家都做出了重要貢獻(xiàn)，如朱經(jīng)武、吳茂昆、趙忠賢、盛正直等。如此激動(dòng)人心的發(fā)現(xiàn)引起超導(dǎo)界乃至整個(gè)凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的一輪前所未有的壯大研究熱潮。當(dāng)然，除了銅氧化物超導(dǎo)體外，人們還在其他許多材料中發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)電性，諸如重費(fèi)米子超導(dǎo)體、超晶格超導(dǎo)體、有機(jī)超導(dǎo)體、磁性超導(dǎo)體、多帶超導(dǎo)體等，在其他金屬氧化物如鈦氧化物、鈮氧化物、釕氧化物、鈷氧化物等材料中同樣發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)電性，只是這些超導(dǎo)體的Tc不如銅氧化物高，但是在這些超導(dǎo)體中發(fā)現(xiàn)豐富而奇異的物理性質(zhì)同樣引起許多科學(xué)家的興趣。銅氧化物高溫超導(dǎo)體發(fā)現(xiàn)初期，人們對它的應(yīng)用前景充滿厚望。尤其是液氮溫區(qū)以上的高溫超導(dǎo)體，因?yàn)檫@就可以不再依靠昂貴的液氦提供低溫，大大降低了使用成本而使廣泛推廣成為可能。經(jīng)過20多年的努力，銅氧化物高溫超導(dǎo)材料的質(zhì)量和性能也不斷提高，而為研究其物理性質(zhì)的諸多實(shí)驗(yàn)手段本身也取得了顯著的提升并觀察到了許多新奇的物理現(xiàn)象。令人頗感失望的是，人們發(fā)現(xiàn)銅氧化物高溫超導(dǎo)體很難得以大規(guī)模應(yīng)用。因?yàn)檫@類材料屬于極端第二類超導(dǎo)體，混合態(tài)下的物理性質(zhì)非常復(fù)雜多變，而且臨界電流密度較小，不適合用于承載大電流，而從力學(xué)角度來看作為陶瓷材料的銅氧化物在柔韌性和延展性上都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如金屬材料，在材料機(jī)械加工等許多方面存在嚴(yán)重的困難。盡管應(yīng)用銅氧化物高溫超導(dǎo)體在高敏感磁信號探測和微波通訊等方面取得了重大的進(jìn)展，但作為超導(dǎo)最直接的應(yīng)用——超導(dǎo)輸電線、超導(dǎo)強(qiáng)磁體和超導(dǎo)磁懸浮等方面，銅氧化物材料仍然不是首選。當(dāng)然，科學(xué)家們并不僅僅滿足于新超導(dǎo)材料的應(yīng)用價(jià)值，對于銅氧化物上呈現(xiàn)的各種新奇的物理性質(zhì)同樣引起了人們的強(qiáng)烈關(guān)注，而對這些問題的解答過程發(fā)起了對現(xiàn)有凝聚態(tài)物理基礎(chǔ)理論體系的挑戰(zhàn)。和BCS理論處理的金屬合金超導(dǎo)問題不同，銅氧化物材料中的超導(dǎo)問題具有許多獨(dú)特性。它的晶體結(jié)構(gòu)具有典型的準(zhǔn)二維特性，導(dǎo)電層就主要發(fā)生在Cu-O平面上，超導(dǎo)態(tài)下載流子雖然還是配對的電子對，但原子振動(dòng)提供的能量尺度不再是電子配對的來源，電子配對的能隙在空間上也不再是各向同性的而是各項(xiàng)異性的，在某些方向存在能隙為零的節(jié)點(diǎn)，一些材料甚至遠(yuǎn)在Tc以上就已經(jīng)打開了一個(gè)能隙，而正常態(tài)下雖然仍然具有金屬導(dǎo)電性卻和傳統(tǒng)的金屬行為完全不同。總之，人們對銅氧化物研究的越多越深入，越發(fā)感到困惑不解。于是，一些科學(xué)家建議回到銅氧化物超導(dǎo)體母體來認(rèn)識問題的本質(zhì)。銅氧化物母體是一個(gè)按照傳統(tǒng)意義上理解本應(yīng)該是金屬的材料，但是它反映的確確實(shí)實(shí)是一個(gè)絕緣體的行為——電子在其中被強(qiáng)烈地局域化了，只能間接地耗費(fèi)大量能量來進(jìn)行跳躍運(yùn)動(dòng)，因而隨溫度降低電阻值將急劇升高甚至發(fā)散到無窮大。研究表明，這是因?yàn)椴牧现蠧u位置上的電子和電子之間存在很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)效應(yīng)，這讓處于同一個(gè)位置上的兩個(gè)電子之間存在非常強(qiáng)的庫侖排斥能，這讓它很難進(jìn)行躍遷。而通過往母體中摻雜空穴或者電子（這是逐漸進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)的條件，摻雜后將不再是絕緣體），就會(huì)使得Cu位置上鄰近的O位置形成空穴或者電子，這將削弱電子和電子之間的關(guān)聯(lián)效應(yīng)，這樣Cu位置上的電子就可以輕松地間接借助O位置而向前運(yùn)動(dòng)了。人們同時(shí)還關(guān)注到 ，銅氧化物母體實(shí)際上是一個(gè)反鐵磁絕緣體，也就是說Cu位置上相鄰的電子的磁矩排列是大小相同方向相反的，它們之間存在所謂的反鐵磁關(guān)聯(lián)效應(yīng)。而摻雜的效應(yīng)也使得反鐵磁關(guān)聯(lián)被削弱，而最終超導(dǎo)態(tài)得以出現(xiàn)，并只留下一些反鐵磁的漲落效應(yīng)。不少理論和實(shí)驗(yàn)暗示，銅氧化物超導(dǎo)體中殘存的反鐵磁漲落將是電子配對的主要來源，至于其他一些新奇的性質(zhì)可能與材料結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及其他雜質(zhì)或者缺陷效應(yīng)等相關(guān)。這類解釋的基本原因之一在于反鐵磁相互作用的能量尺度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原子振動(dòng)產(chǎn)生的能量，如果以反鐵磁背景漲落相互作用提供電子配對媒介，那么超導(dǎo)臨界溫度完全可以達(dá)到100~200K。為了驗(yàn)證對銅氧化物超導(dǎo)問題的理解和認(rèn)識并進(jìn)一步推動(dòng)超導(dǎo)應(yīng)用的前進(jìn)，人們寄希望于找到其他可以和銅氧化物的Tc相比擬甚至更高Tc的超導(dǎo)材料。

設(shè)想中的中國超導(dǎo)磁懸浮列車

超導(dǎo)研究之路總是充滿著驚喜，2006年5月，日本的細(xì)野秀雄研究小組在探索新型透明導(dǎo)電材料中，偶然發(fā)現(xiàn)LaOFeP 這類氧化物中可以出現(xiàn)Tc=5K左右的超導(dǎo)電性。2008年1月，該研究小組成功在F摻雜的LaOFeAs材料中發(fā)現(xiàn)了Tc高達(dá)26K的超導(dǎo)電性，一下子吸引了諸多超導(dǎo)研究專家的注意力。中國科學(xué)家在得知此消息的第一時(shí)間內(nèi)對該系列超導(dǎo)體進(jìn)行了詳細(xì)地探索和研究，在短短的數(shù)月時(shí)間，不僅找到了許多新體系的超導(dǎo)體而且還把Tc翻了一番，達(dá)到了56K。這類超導(dǎo)體被稱為鐵基超導(dǎo)體，是繼銅氧化物高溫超導(dǎo)體之后發(fā)現(xiàn)的第二個(gè)高溫超導(dǎo)家族。人們用通常被認(rèn)為會(huì)破壞超導(dǎo)電性的鐵磁金屬做成的化合物里，得到了如此意外的驚喜。通過近兩年來超導(dǎo)領(lǐng)域科學(xué)家的努力（當(dāng)然包括諸多華人和中國科學(xué)家的杰出貢獻(xiàn)），人們發(fā)現(xiàn)鐵基超導(dǎo)材料和銅氧化物存在許多類似之處。如鐵基材料結(jié)構(gòu)也是以層狀結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，導(dǎo)電一般都發(fā)生在Fe-As層上，最有意思的是其母體也是反鐵磁體！這使得人們找到了研究銅氧化物超導(dǎo)體的一個(gè)很好的參照物，通過兩者的對比研究，也許高溫超導(dǎo)機(jī)理會(huì)一下子變得清晰許多。更有趣的是，鐵基超導(dǎo)體其Fe-As層并不如銅氧化物中Cu-O層那么平坦，因此改變晶體結(jié)構(gòu)和摻雜不同載流子濃度同樣可以改變其Tc而呈現(xiàn)許多豐富的物理現(xiàn)象。另外，現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)的鐵基超導(dǎo)體母體已有六七種，而大部分母體中任何一個(gè)元素都可以被其同族或者類似電子結(jié)構(gòu)的元素替代，甚至還可以在某些原子位置上換成一個(gè)子結(jié)構(gòu)形成更為復(fù)雜的鐵基超導(dǎo)材料，這就使得鐵基超導(dǎo)家族要比銅氧化物家族大得多。因此，我們在銅氧化物看到的許多令人困惑的物理現(xiàn)象或許都有可能在鐵基材料中找到相應(yīng)的參照，這種相互印證的研究可以對兩者的機(jī)理問題認(rèn)識更為深入。已有的研究表明，鐵基超導(dǎo)體的存在幾類不同的空穴和電子載流子，它們之間可能通過交換反鐵磁漲落相互作用而實(shí)現(xiàn)配對，即反鐵磁漲落在鐵基超導(dǎo)中仍然扮演著極其重要的角色。 銅氧化物和鐵基超導(dǎo)體的相繼發(fā)現(xiàn)使得人們對超導(dǎo)材料的研究重新點(diǎn)燃了希望。如何尋找更高Tc的超導(dǎo)體？銅氧化物和鐵基超導(dǎo)體的研究或許給我們提供了一個(gè)可能的線索：電子或許可以通過交換反鐵磁漲落相互作用配對而實(shí)現(xiàn)較高臨界溫度的超導(dǎo)電性，只要反鐵磁漲落具有足夠強(qiáng)的能量尺度，那么就有獲得足夠高Tc的可能性！當(dāng)然，要實(shí)現(xiàn)室溫超導(dǎo)的終極夢想，則勢必需要相當(dāng)強(qiáng)的反鐵磁漲落效應(yīng)，而即使就在目前已知的無數(shù)個(gè)材料中尋找到反鐵磁漲落很強(qiáng)的幾個(gè)，還是有希望的。退一步而言，固體材料中比反鐵磁相互作用強(qiáng)度還要強(qiáng)的多的磁相互作用也大有所在，而除磁相互作用之外更有其他不少強(qiáng)的相互作用，也許有一天我們會(huì)發(fā)現(xiàn)電子能夠借助這些相互作用而配對，從而獲得更高的超導(dǎo)臨界溫度，那時(shí)我們離室溫超導(dǎo)的夢想就不遠(yuǎn)了。還有一點(diǎn)令國人值得驕傲的是，在銅氧化物和鐵基超導(dǎo)的研究進(jìn)程中，華人和中國科學(xué)家的貢獻(xiàn)已經(jīng)越來越明顯和重要，他們的研究工作也不斷受到國際同行的贊譽(yù)和尊敬。超導(dǎo)研究歷史上已經(jīng)有5人獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，我們完全有理由相信，未來的超導(dǎo)研究之路上萬眾矚目的焦點(diǎn)之一也許就是中國人。只要我們不斷努力前行，現(xiàn)實(shí)中的哈利路亞山——室溫超導(dǎo)體也許不再是夢想。到那時(shí)你或許可以用超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)在云彩之中練瑜伽或在懸空的“白云”沙發(fā)上酣睡，那是何等地美妙和愜意！