在这个科技飞速发展的时代,超导无疑是一个极具魅力与挑战的领域。3月30日晚上,上海科技大学的助理教授李军应邀为初阳学院的同学们带来以“什么是超导,为什么超导这么重要,为什么超导研究这么难”为主题的讲座。
超导是指某些材料在特定条件下表现出的一种神奇物理现象,其核心特性便是零电阻和完全抗磁性。当材料进入超导态后,电流能够毫无阻碍地在其中流动,这与普通导体存在电阻、会因发热而损耗能量截然不同。李老师指出,即使我国的电路运输技术已经是世界最先进的,但运输损耗率仍旧达到10%,所以,如果我们日常生活中的电线都采用超导材料,那电能传输过程中的损耗将几乎为零,这将极大地提高能源利用效率。
随后,李老师向同学们介绍了超导的机理,晶格振动频率、电声子耦合以及著名的 BCS模型。在超导材料中,晶格的振动与电子之间存在着紧密的相互作用,也就是电声子耦合。电子通过与晶格振动相互作用,形成了库伯电子对,这些电子对能够协同运动,不再像普通导体中的电子那样频繁地受到散射,从而实现了零电阻状态,超流现象也随之产生。
李老师指出,在超导研究中,制冷技术是绕不开的关键环节。家用冰箱一般最低温度能达到零下 24℃左右,实验室里的制冷机则能达到接近绝对零度的零下 274℃。而为了实现超导材料所需的低温环境,氦气至关重要。更珍贵的氦 - 3,它不仅是超导研究中理想的制冷介质,更是未来核聚变的关键原料。
超导的应用涵盖了诸多高端前沿领域。超导电缆能实现近乎无损的电力传输,这为解决远距离输电难题提供了完美方案;磁悬浮列车利用超导磁体产生的强大磁场,让列车与轨道之间形成悬浮力,从而高速、平稳地行驶,彻底改变陆地交通格局;核磁共振成像(NMR)更是医疗诊断的得力助手,它巧妙地利用了人体器官大部分成分是水,而水分子中的氢原子核(H)在超导磁体产生的强磁场下会发生共振这一原理,清晰地呈现出人体内部组织结构,帮助医生精准发现病灶;在科研前沿,强子对撞机中的超导磁体为探索微观世界的奥秘提供超强磁场环境,助力科学家寻找如“上帝粒子”这般的神秘粒子,像瑞士的同步辐射光源超导加速器就是其中典型代表;还有量子计算机,凭借超导材料独特的量子特性,有望实现远超传统计算机的运算速度,开启计算新纪元;超导微波器件更是在通信等领域大放异彩,让信号传输更高效、精准。
超导研究之路并非一帆风顺,也曾爆出室温超导相关的丑闻。一些科研团队宣称实现了室温超导,引发全球轰动,但后续却无法经得住科学界严谨的重复验证,这也让大家意识到室温超导的实现难度极大,同时更凸显了科研诚信的重要性。但科学家们从未停止追逐的脚步,始终向着实现更实用、更高性能超导材料的目标奋勇前行,相信在不久的将来,超导技术将给人类生活带来翻天覆地的变革。
本次初阳讲座让同学们对超导及其研究有了更深入的认识,部分同学对超导领域有了很大的兴趣,希望在以后的学习生活中,大家也能够有这样的探索精神,迎难而上!