从预测到现实——超导材料的诞生

原创2021-08-06 11:52·fancy科技闲聊

原创2021-08-06 11: 52花式科技聊天

从一个故事来看，是在1784年，有一位英国化学家拉瓦锡。有一天，他突发奇想。他觉得，如果地球上的温度可以突然降到很低的温度，那么空气体就不再作为一种看不见的流体存在，它会回到液态。他的预言在当时的科学界点燃了一把火。许多人渴望用各种方法获得低温，将气体变成液体。我们知道，在18世纪末，当拉瓦锡做出预测时，科学研究水平还很低。今天，我们根本无法想象当时科学家液化气体有多困难。听起来像神话。许多人一生都致力于这项事业。但是科学家是一群创造神话的人。因为这个预言终于实现了。

到了20世纪30年代，科学家发现一些气体如硫化氢和氯化氢可以通过加压液化，但氧气、氢气和氮气没有液化的迹象。以至于在接下来的几十年里，人们想到了各种各样的方法。比如，Aimee曾经将氧气和氮气密封在一个特殊的钢瓶里，沉入1.6公里的海底，使压力超过200标准大气压；维也纳一位名叫纳特勒的医生也制作了一个能达到3000个标准大气压的容器，用来液化空气体，但不幸的是，并没有成功。所以那个时代的人认为这种气体是不能液化的，它们真的是“永久气体”。

即便如此，人类也没有停止液化“永久气体”的努力。终于在1877年，法国物理学家盖勒首次实现了氧在“永久气体”中的液化，当时液氧的温度低至-140℃。然后在1898年，英国科学家杜瓦获得了温度为-252.76℃的液化氢。第二年，杜瓦成功将液态氢转变为固态氢，固态氢的温度低至-260℃。

在这个过程中还产生了一个新的温度标准，即开尔文温标。开尔文温标中的零度是-273.16℃。是热力学的最低温度，也叫“绝对零度”。1968年，荷兰物理学家欧内斯特在气体液化的研究上取得了更大的突破。他成功地将最难冷凝的氦液化，实现了几乎0 0K - 273.16℃的低温。至此，人类终于完全实现了拉瓦锡的预言。

一个惊人的发现:

拉瓦锡的预言实现了，但人们的探索不会停止。既然气温这么低。在如此低的温度下，我们周围各种物质的特性会发生变化吗？

1910年，荷兰科学家欧内斯特开始研究低温下物质状态的变化。1911年，当他和他的学生们在研究水银电阻与温度变化的关系时，发现当温度低于4K时，已经凝固的水银电阻突然下降并归零，这让艾格尼丝感到震惊。水银的阻力会消失得无影无踪，即使是当时最有想象力的科学家也没想到低温下会出现这种现象。

为了进一步证实这一发现，他们进行了进一步的实验，用固体汞做了一个回路，让磁铁穿过回路产生感应电流。正常情况下，只要磁铁停止运动，回路中的电流就会因电阻而立即消失。但是当水银回路处于低于4K的低温时，即使磁铁停止移动，感应电流仍然存在。这种奇怪的现象能持续多久？他们坚持定期测量。经过一年的观察，他们得出结论，只要水星环的温度低于4K，电流就会存在很长时间，并且没有减弱的迹象。

随后，艾格尼丝对多种金属、合金和复合材料进行了低温实验，发现其中许多材料在低温下存在电阻消失和感应电流长期存在的现象。因为导体在正常情况下是有电阻的，艾格尼丝把这种在低温超导时失去电阻的现象称为超导。经过一系列成功的实验，艾格尼丝立即正式宣布了这一发现，并很快引起了科学界的关注，于是艾格尼丝获得了1913年的诺贝尔物理学奖。

此后，这种神奇的材料一直展示在人们面前，吸引了更多人的关注，并在一代又一代科学家的努力下取得了巨大的进步。它也逐渐融入我们现代生活的各个领域。