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羅會仟（中國科學(xué)院物理研究所副研究員）

古代人生活在一個缺醫(yī)少藥的時代，健康和長壽是每一個人美好的愿望，殘酷的現(xiàn)實則是疾病和衰老不斷攻陷生命。尤其是中國古代帝王們，天天夢想著可以長生不老，千秋萬載一統(tǒng)天下。秦始皇派徐福東渡求仙，漢武帝封禪祭祀，淮南王劉安善黃白之術(shù)，都是在千方百計尋覓長生之道，不過也都以失敗而告終。東漢的魏伯陽著有《周易參同契》闡述煉丹理論，傳述了修煉金丹的秘訣。后來東晉的葛洪總結(jié)前人經(jīng)驗教訓(xùn)，形成了一套系統(tǒng)的《神仙論》。葛洪的理論總結(jié)來說就是兩句話：神仙是存在的，成仙是可能的！成仙的秘訣就是要不斷修煉，特別是服食特效丹藥可加快成仙過程。在后人的神話小說里， 如《封神演義》、《西游記》等，干脆把道教里三清中的道德天尊——俗稱“太上老君”描繪成了一個精于煉丹的高級神仙（圖1）。歷朝歷代，不少道士名家沉迷于煉制金丹，也有不少皇帝服用有毒“紅丸”而一命嗚呼，真是可悲可笑。

圖1. 太上老君與八卦煉丹爐（圖片來源：網(wǎng)游《醉·八仙》）

煉丹的主要原料是鉛砂、硫磺、水銀等天然礦物，放到爐火中燒煉而成。實際上就是高溫下這些原料發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，生成了新的化合物。正如雍正皇帝在《燒丹》一詩中道：“鉛砂和藥物， 松柏繞云壇。爐運(yùn)陰陽火，功兼內(nèi)外丹。”煉丹其實是化學(xué)研究的雛形。可不，中國古代“四大發(fā)明”之一——黑火藥，就是用硝石、硫磺、木炭等在煉丹時發(fā)生爆炸而偶然發(fā)現(xiàn)的。話說，用木炭和銅爐搭設(shè)的煉丹設(shè)備，其溫度頂多能達(dá)到1200℃，一般只能煉化一些低熔點的固體。對于石猴精——孫悟空來說，他的主要成分是二氧化硅， 熔點在1600℃，怪不得太上老君的八卦爐也無可奈何，只夠把孫悟空煉成火眼金睛(眼睛部分玻璃化)，而沒把他徹底消滅。長生不老畢竟只是虛無縹緲的幻想，道士們在不斷煉丹摸索過程中，還發(fā)現(xiàn)了新的致富之道——煉金術(shù)。用玄乎的語言來說，就是“點石成金”。高溫可以讓礦石熔化或者與其他原材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而分離出里面的金屬，包括金銀在內(nèi)。

無獨有偶，西方世界也早早誕生了煉金術(shù)。提出原子概念的古希臘哲學(xué)家——德謨克利特，就是煉金術(shù)的祖師爺之一，他認(rèn)為世界上的金屬都有希望煉成金燦燦的黃金，前提是你要足夠虔誠和努力。這一號召，古埃及、古希臘、古巴比倫很多人都投身到轟轟烈烈的煉金運(yùn)動中去，試圖把一些便宜的鉛、銅等金屬煉成貴重的黃金（圖2）。甚至直到近代，我們偉大的物理學(xué)祖師爺——牛頓他老人家也耗費(fèi)了大半輩子去研究煉金術(shù)，秘密記錄了上百萬字的手稿。和中國人煉丹求仙求富不同的是，西方人終究在煉金術(shù)中誕生了近代科學(xué)——化學(xué)。他們試圖把各種各樣的原料進(jìn)行分離，尋找其中最本質(zhì)的成分——元素。法國的托萬— 洛朗·德·拉瓦錫（1743—1794）就是代表性人物之一，這位仁兄有一個既貌美如花又博學(xué)手巧的夫人，兩人經(jīng)常打情罵俏地一起玩各種瓶瓶罐罐，研究物質(zhì)的化學(xué)成分（圖3）。拉瓦錫開創(chuàng)了定量化學(xué)研究方法，發(fā)現(xiàn)了氧氣和氫氣的存在，也預(yù)測了硅的存在，首次提出了“元素”的定義，并于1789年發(fā)表了第一個含有33 種“元素”的化學(xué)元素表，可謂是“近代化學(xué)之父”。法國名家雅克-路易·大衛(wèi)為拉瓦錫及其夫人畫的肖像也不甘寂寞，出現(xiàn)在我國多本世界名著的中譯本封面上，真是刷臉?biāo)⒌奖娙耸熘?/span>

圖2. 西方的煉金術(shù)士（圖片來源：news.yibite.com）

圖3. 拉瓦錫與夫人在做實驗（雅克-路易·大衛(wèi)畫作）

或許是巧合，第一個被發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)體——金屬汞，也是煉金術(shù)士最常用的原料之一。因為汞在常溫下是銀白色液態(tài)，氧化汞又呈現(xiàn)出鮮艷的紅色，兩者都極具魅惑，符合金丹的神秘特質(zhì)。汞和氧化汞都是劇毒，容易分解或蒸發(fā)，攝入一點點就可能頭暈?zāi)垦?，頗有成仙的感覺，一旦搞多了，就一命嗚呼，真上西天去了。幸好，有了諸如拉瓦錫、門捷列夫等近代化學(xué)家的努力，人們終于清楚認(rèn)識自然界是由多種元素組成，整體構(gòu)成一個元素周期表。汞，無非是其中一種普通元素而已。

自從荷蘭的昂尼斯發(fā)現(xiàn)單質(zhì)汞可以超導(dǎo)之后，物理學(xué)家就把元素周期表翻了個透，到處尋找可能超導(dǎo)的元素單質(zhì)。結(jié)果是令人可喜的：汞的超導(dǎo)電性并不是特例，很多金屬單質(zhì)在低溫下都可以超導(dǎo)，只要溫度足夠低！例如人們生活中常用的易熔的錫，超導(dǎo)溫度為3.7 K；厚重的鉛，超導(dǎo)溫度為7 K；亮白的鋅， 超導(dǎo)溫度為0.85 K； 輕薄的鋁，超導(dǎo)溫度為1.2 K；熔點很高的鉭和鈮，超導(dǎo)溫度分別為4.5 K和9 K。一些金屬在常壓下難以超導(dǎo)，還需要靠施加外界壓力才能超導(dǎo)，如堿土金屬鈣、鍶、鋇等，許多非金屬如硅、硫、磷、砷、硒等也完全可以在高壓下實現(xiàn)超導(dǎo)。剩下的一些不超導(dǎo)的單質(zhì)，要么活性很低——如惰性氣體，要么磁性很強(qiáng)——如錳、鈷、鎳、鑭系和錒系元素等，要么具有很強(qiáng)的放射性如84號釙及以上的元素等。有意思的是，導(dǎo)電性很好而且在生活中利用歷史最悠久的金、銀、銅三者均不超導(dǎo)，也有可能是超導(dǎo)溫度實在太低，以至于現(xiàn)代精密儀器都無法達(dá)到?？偠灾绻o元素周期表中超導(dǎo)的元素單質(zhì)上色，就會發(fā)現(xiàn)大部分元素都是可以超導(dǎo)的（圖4）。

圖4. 超導(dǎo)元素周期表

超導(dǎo)， 并不像想象的那樣特別！但是不同元素單質(zhì)的超導(dǎo)臨界溫度，千差萬別！

究竟是什么因素影響了超導(dǎo)的臨界溫度？理論物理學(xué)家率先展開了思考。根據(jù)巴丁、庫珀、施隸弗的BCS理論，金屬中的超導(dǎo)電性來自于電子間通過交換晶格振動量子—— 聲子而配對， 那么電子和聲子、電子和電子之間的相互作用，必然會對超導(dǎo)電性造成重要影響。原子的熱振動就像兩個原子間連著一根彈簧一樣，彈簧的粗細(xì)長短將直接決定原子振動的熱能量，穿梭其中的電子也將為此受到影響（圖5）。愛因斯坦曾認(rèn)為原子振動都是一種頻率分布，建立了第一個聲子的理論模型，但這個模型過于簡單粗暴，無法準(zhǔn)確解釋固體的比熱容。德拜在此基礎(chǔ)上做了改進(jìn)，考慮了多個分支的不同頻率的聲子分布，建立了聲子的德拜模型，很好地解釋了實驗數(shù)據(jù)。根據(jù)德拜的理論，原子熱振動存在一個截止頻率——被稱之為“德拜頻率”，也就是說，連接原子的“彈簧”也有它的極限，再強(qiáng)只會崩斷，原子晶格失穩(wěn)，固體發(fā)生塌縮或熔化。BCS 理論預(yù)言，超導(dǎo)體的臨界溫度，就和原子晶格振動最大能量尺度——德拜頻率成正比，還和聲子態(tài)密度（單位體積的聲子數(shù)目）相關(guān)。

圖5. 固體中的原子振動——聲子（圖片來源：www.techtimes.com）

然而，在理論家進(jìn)行詳細(xì)計算時，發(fā)現(xiàn)有些金屬單質(zhì)中的超導(dǎo)臨界溫度并不是如此簡單。特別是實驗上有了賈埃沃的超導(dǎo)隧道效應(yīng)數(shù)據(jù)，他發(fā)現(xiàn)實際隧道效應(yīng)曲線的邊緣并不像BCS理論預(yù)言的那么光滑，而總是存在一些彎彎曲曲的特征，并且隨溫度還有變化。理論和實驗的細(xì)微矛盾引發(fā)物理學(xué)家深入思考了背后原因，原來巴丁、庫珀、施隸弗的BCS理論早期只考慮了電子和聲子之間的弱相互作用，也就是說，兩者耦合很小。

理論家厄立希伯格（G. M. Eliashberg）很早注意到了這個問題，他充分考慮了電子配對過程的延遲效應(yīng)和聲子強(qiáng)耦合機(jī)制，提出了一個復(fù)雜的關(guān)于超導(dǎo)臨界溫度的模型。威廉·麥克米蘭（William L. McMillan）在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了簡化近似，得到了一個更為準(zhǔn)確的超導(dǎo)臨界溫度經(jīng)驗公式，其中一個重要的決定性參量就是電子—聲子耦合參數(shù)，它和聲子的態(tài)密度成正比。麥克米蘭的經(jīng)驗公式非常完美地解釋了超導(dǎo)隧道效應(yīng)的實驗曲線，他本人也因這項重要成果而獲得1978年的倫敦獎（超導(dǎo)研究領(lǐng)域的理論方面大獎）。

作為繼施隸弗之后的巴丁的第二個得意弟子，生于1936年的麥克米蘭無疑是同時期最年輕有才的凝聚態(tài)理論物理學(xué)家。他憑借關(guān)于液氦超流理論的博士論文獲得了巴丁等人的賞識，并受其鼓勵從伊利諾伊大學(xué)畢業(yè)后轉(zhuǎn)到貝爾實驗室繼續(xù)科研工作。令人刮目相看的是，這位看似木訥、說話結(jié)巴、講報告超緊張的長胡子年青人，在液晶、層狀材料、自旋玻璃態(tài)、局域化現(xiàn)象等多個重要凝聚態(tài)物理方向上取得了多項重要成果（圖6）。可惜天妒英才，1984年麥克米蘭慘遭車禍，一位飆車的懵懂少年意外結(jié)束了這位才華橫溢的理論物理學(xué)家年僅48歲的年輕生命。為了紀(jì)念麥克米蘭，他的朋友和同事設(shè)立了“麥克米蘭獎”，用于年度獎勵一位年輕的凝聚態(tài)物理學(xué)家，不少超導(dǎo)領(lǐng)域的科學(xué)家包括數(shù)位華人在內(nèi)先后獲此殊榮，他們個個在超導(dǎo)領(lǐng)域功勛卓著，或許算是對麥克米蘭在天之靈的一種慰藉吧。

圖6. 威廉·麥克米蘭

另一方面，實驗物理學(xué)家也在不斷努力探索和嘗試。1930 年左右，大家發(fā)現(xiàn)常壓下最高臨界溫度的單質(zhì)是金屬鈮（9 K），繼而在鈮的化合物中尋找超導(dǎo)。后來發(fā)現(xiàn)氧化鈮和氮化鈮都是超導(dǎo)體，特別是氮化鈮的臨界溫度達(dá)到了17.3 K，幾乎是單質(zhì)鈮臨界溫度的兩倍。由此啟示人們在更多合金或金屬—非金屬化合物中尋找超導(dǎo)，特別是在稱之為A15 結(jié)構(gòu)的合金中找到了許多超導(dǎo)體： Nb3Ge(23.2 K)、Nb3Si(19 K)、Nb3Sn(18.1 K)、Nb3Al(18 K)、V3Si(17.1K)、Ta3Pb(17K)、V3Ga(16.8 K)、Nb3Ga(14.5 K)、V3In(13.9 K) 等等。這些材料的超導(dǎo)溫度都在10 K 以上，最高的是臨界溫度為23.2 K的Nb3Ge。很奇怪的是，一直到20 世紀(jì)70 年代，超導(dǎo)溫度記錄也未能突破30 K，似乎上面有一層“看不見的天花板”。理論物理學(xué)家對此并不驚訝，科恩和安德森根據(jù)麥克米蘭的公式和BCS 理論，做了一個簡單的估算，在原子晶格不失穩(wěn)的前提下，超導(dǎo)臨界溫度不能超過40 K。原來，這就是禁錮超導(dǎo)臨界溫度的“緊箍咒”，后來人們稱之為“麥克米蘭極限”。從1911年到1986年，整整75年時間里，超導(dǎo)材料的臨界溫度一直沒能突破麥克米蘭極限（圖7），加上BCS理論的巨大成功，讓不少人對超導(dǎo)“煉金術(shù)”逐漸失去了耐心和信心。畢竟，40 K的臨界溫度還是太低了，超導(dǎo)材料的應(yīng)用仍然需要耗費(fèi)昂貴的液氦或危險的液氫，前途渺茫。

圖7. 典型超導(dǎo)單質(zhì)和合金的發(fā)現(xiàn)年代及相應(yīng)的臨界溫度

應(yīng)用物理學(xué)家并沒有直接放棄，因為金屬的良好延展性和可塑性，金屬或合金超導(dǎo)材料是理想的電纜材料。特別是需要提供大電流和強(qiáng)磁場的時候，超導(dǎo)電纜和普通鋁銅電纜相比還是有不少優(yōu)勢的，比如它的體積相對輕小，沒有熱量或損耗產(chǎn)生，可以在環(huán)路實現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定的磁場等。也正是如此，人們先后研制了多種超導(dǎo)單相線纜、多相電纜和帶材等，如今廣泛應(yīng)用到了超導(dǎo)輸電、儲能、發(fā)電、磁體等多方面。美國政府曾經(jīng)設(shè)想搭建一套全國超導(dǎo)電網(wǎng)，利用液氫來冷卻超導(dǎo)線纜，輸電損耗大大減少，液氫到家里后又可以作為清潔能源（圖8）。日本科學(xué)家甚至提出利用超導(dǎo)線把世界各地的風(fēng)能、太陽能、潮汐能等清潔能源產(chǎn)生的電力聯(lián)接起來，構(gòu)造一個全球化的超導(dǎo)供電網(wǎng)絡(luò)，讓70億地球人同受益。雖然如此宏大的設(shè)想由于種種原因，當(dāng)前還沒實現(xiàn)，但是未來誰也說不準(zhǔn)。話說，夢想還是要有的，萬一哪天實現(xiàn)了呢？

圖8. 三相超導(dǎo)電纜與超導(dǎo)電網(wǎng)設(shè)想圖（圖片來源：www2.nktcables.com，www.evolo.us）