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在超导体中 ， 电流可以永远存在 。
超导体是一种可以达到超导现象的材料 ， 超导体是一种没有电阻 ， 不允许磁场穿透的物质状态 。 超导体中的电流可以无限地持续下去 。超导现象通常只能在非常低的温度下才能达到 。 超导体在日常生活中有各种各样的应用 ， 从核磁共振成像仪到超高速磁悬浮列车 ， 这些列车使用磁铁使列车悬浮在轨道上以减少摩擦 。 研究人员现在正在努力寻找和开发能在更高温度下工作的超导体 ， 这将彻底改变能源的运输和储存 。
谁发现了超导现象？
超导现象的发现归功于荷兰物理学家海克·卡末林·昂内斯 。 1911年 ， Onnes 在荷兰莱顿大学的实验室里研究水银的电学性质时发现 ， 当温度降到绝对零度以上4.2摄氏度(7.56华氏度)时 ， 水银的电阻完全消失了 。
为了证实这个结果 ， 奥尼斯给一个过冷的水银样品施加了电流 ， 然后断开了电池 。 他发现电流持续存在于水银中而没有减少 ， 这证实了电阻的缺乏 ， 并为超导现象的未来应用打开了大门 。
超导现象的历史
物理学家花了几十年的时间试图理解超导现象的本质以及它的成因 。 他们发现 ， 许多元素和材料 ， 但不是全部 ， 当冷却到一定的临界温度以下时 ， 就会变成超导体 。
1933年 ， 根据乔治亚州立大学物理和天文学系的教育网站 Hyper Physics 的报道 ， 物理学家瓦尔特·迈斯纳和罗伯特·奥克森菲尔德发现超导体可以“驱逐”任何附近的磁场 ， 这意味着弱磁场不能穿透超导体的内部 。 这种现象被称为迈斯纳效应 。
直到1950年 ， 理论物理学家 Lev Landau 和 Vitaly Ginzburg 才在诺贝尔奖网站上发表了关于超导体如何工作的理论 。 虽然他们成功地预测了超导体的性质 ， 但他们的理论是“宏观的” ， 这意味着他们关注的是超导体的大规模行为 ， 而忽略了微观层面上正在发生的事情 。
最终 ， 在1957年 ， 物理学家 John Bardeen ， Leon n. Cooper 和 Robert Schrieffer 发展出了一个完整的超导现象微观理论 。 为了产生电阻 ， 金属中的电子需要自由地反弹 。 但是当金属内部的电子变得非常冷的时候 ， 它们可以成对 ， 防止它们反弹 。 这些电子对 ， 称为库珀对 ， 在低温下非常稳定 ， 没有电子“自由”反弹 ， 电阻消失 。 巴丁、库珀和施里弗把这些碎片拼凑在一起形成了他们的理论 ， 即 BCS 理论 ， 他们在《物理评论快报》上发表了这一理论 。
超导体是如何工作的？
当一种金属下降到一个临界温度以下时 ， 金属中的电子就会形成一种叫做库珀对的化学键 。 根据剑桥大学的研究 ， 像这样锁定 ， 电子不能提供任何电阻 ， 电能可以完美地流过金属 。
然而 ， 这只在低温下有效 。 当金属变得过热时 ， 电子有足够的能量打破库珀对的键 ， 回去提供电阻 。 这就是为什么奥尼斯在他最初的实验中发现水银在4.19 k 时是超导体 ， 而不是4.2 k 。
超导体有什么用？
很有可能你在没有意识到的情况下就遇到了超导体 。 为了产生强大的磁场用于磁共振成像(MRI)和核磁共振成像(NMRI)， 机器使用强大的电磁铁 ， 如梅奥诊所描述 。 这些强大的电磁铁会融化正常的金属由于热量 ， 即使是一点点的电阻 。 然而 ， 由于超导体没有电阻 ， 因此不会产生热量 ， 而电磁铁可以产生必要的磁场 。
类似的超导电磁铁也用于磁悬浮列车、实验核聚变反应堆和高能粒子加速器实验室 。 超导体还被用于电磁轨道炮、线圈炮、手机基站、快速数字电路和粒子探测器 。
基本上 ， 任何时候你需要一个真正强大的磁场或电流 ， 不希望你的设备融化的时候 ， 你打开它 ， 你需要一个超导体 。
伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的凝聚态物理学家 Alexey Bezryadin 说: “超导体最有趣的应用之一就是量子计算机 。 ” 。 由于超导体中电流的独特性质 ， 它们可以用来建造量子计算机
“这种计算机是由量子位或量子位组成的 。 量子比特不同于传统的信息比特 ， 它可以同时以0和1的态叠加原理状态存在 。 超导装置可以模拟这种情况 。 ” 。 “例如 ， 超导回路中的电流可以同时顺时针和逆时针方向 。 这种状态构成了超导量子比特的一个例子 。 ”
研究的最新进展是什么？
今天的研究人员面临的第一个挑战是“开发环境条件下的超导体材料 ， 因为目前超导现象只存在于非常低的温度或非常高的压力下”加州大学伯克利分校的博士后科学家 Mehmet dugan 说 。 下一个挑战是发展一个理论 ， 解释新的超导体如何工作 ， 并预测这些材料的性质 ， 多根在一封电子邮件中告诉生活科学 。
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