零电阻现象：神秘的低温世界、诡异的物态变化

本文给大家介绍众多科学家一直努力奋斗，成果却并不显著的超导电基本现象之零电阻现象。所谓的超导体就是说冷却到一定温度以下能表现出超导电性的材料。当超导体显示出超导电性时，就说它处于超导态，否则就说它处于正常态。

现在的科学家已经知道，有很多正常态的时候具有很大电阻率的不纯金属都是超导体，而铂、铜、金、银等在直到目前所能达到的最低温度下还没有表现出是超导体。这些金属的剩余电阻都趋近于不为零，这个电阻的值跟这些金属中所含的杂质成分和质量有关。

十九世纪末期，液化气体的实验技术获得了空前的进展，包括曾经被认为是永久气体的空气在1895年被液化了，1899年杜瓦更是在人类历史上第一次把氢气变成了液体。1908年，荷兰莱登实验室在昂尼斯的指导下，经过艰苦的努力，进一步液化了氦气。这是当时人类能取得的实验室最低温度，4.25K。这样的技术进步，为发现低温超导现象奠定了实验室基础。

海克·卡末林·昂尼斯

海克·卡末林·昂尼斯(Heike Kamerlingh Onnes，1853~1926)，荷兰物理学家，1911年发现了物体的超导性，1913年获得诺贝尔物理学奖， 以表彰他对低温物质特性的研究。为了研究金属在低温下的超导特性，昂尼斯选择了比较容易利用真空蒸馏法制备的纯汞来进行进一步的实验。

通过实验，昂尼斯发现，在4.2K附近贡的电阻确实为零。然而比较奇怪的现象是，贡的电阻并不是随着温度的降低平滑的变小，而是在4.2K附近电阻值突然降为零。昂尼斯指出：在4.2K以下贡进入了一个新的物态，在这个新的物态中共的电阻实际上为零。他把这种显示出超导电性质的物质状态定名为超导态。此后，昂尼斯有发现了其它很多金属也有超导电现象，例如，锡在3.8K开始变为超导态。

我们称超导体开始失去电阻时候的温度称为超导体转变温度或临界温度。虽然超导体会在临界温度处突然失去电阻表现出超导电性质，但是其实电阻的下降其实是有一个温度的区间的，物理学上把这个转变温度间隔称作转变宽度。

石墨烯的理想晶体结构

为什么会有超导电性呢？这需要我们用量子力学去给出解释了。我们都知道，理想晶体（完全规则排列）的原子周期场中，电子处于确定的动量态，电子通过理想晶体时在原方向上的动量不会有任何损失，就是说，在完整晶体中流动的电流不受到电阻。但是，对于晶体周期性的任何破坏都会引起电阻。比如，由于原子在做热运动，它就会偏离原来规则的晶格位置，从而产生对周期场的微扰，这就导致电子散射而出现电阻。晶体中无规则分布的缺陷，比如杂质、空位等也都会造成电子的散射而引起电阻。

从上面的机理来看，实际晶体总是要有电阻的，因为任何真实的样品都不可能没有一点杂质。这样看来，前面谈到的有些具有很大电阻率的不纯金属也能进入超导态就更令人费解。这个问题直到上个世纪50年代，才由三位美国物理学家：巴丁、库柏、史瑞福解决了。他们把超导电性归因于一个全新的机制，即导电电子凝聚为电子对。

在超导研究领域中值得一提的是，在2018年3月份的时候，一位中国青年学者曹原，在英国《自然》杂志上连刊两篇论文，引起不小轰动；12月底，曹原登上《自然》杂志“2018年十大科学人物”榜首，杂志封面用交错双层石墨烯组成“10”的字样，来暗示曹原的发现。曹原登上《自然》杂志的文章，是发现双层石墨烯摆成魔角1.1°（1.05°~1.16°）时，将呈现超导现象，转变条件还需特殊的磁场，以及1.7K的超低温，并非某些媒体宣传的常温超导。