高温超导体可以毫无电阻地传导电流，比常规的超导体传导电流更为经济，它们目前正在缓慢地开拓出可以得到广泛应用的道路。

自然界喜欢沿着最小阻力的途径发展，例如热量传递，河水流动和汽车行驶似乎都是如此。如果我们在制造和使用各种装置时能遵循这条途径，我们就能节省很多能量和精力，减少环境的退化，而且最后会改善我们生活的水准。然而自然界实际上并不会很乐意地向人们揭示出这最小阻力的途径，这种途径只可能在某些严格的条件下才会出现。

一个恰当的例子就是零电阻——超导电性的途径。超导电性是一种在没有电阻情况下传导电流的能力，超导电性是在1911年被首次发现的。当时荷兰物理学家昂内斯利用液氦把水银冷却到绝对零度以上4度，或4 K（摄氏25℃的室温相当于298 K）。在这个温度下，昂内斯发现水银突然在毫无电阻的情况下导电。以后人们发现，其他金属和合金在被冷却到足够低温度——大多数金属处于大约23 K以下时——也会出现超导电性。这种索然无味的温度读数——这个温度比冥王星表面的温度还要低一只能够利用如同液氦那样的稀有气体或人工特别的冷却系统来达到。尽管附加这些条件，这种超导现象还是促进了几项技术的发展——磁共振成像机械，粒子加速器以及用于石油勘探的地质遥感器，还可以举出很多例子。

然而，由于80年代末的一项发现，超导电性被预计在下一世纪会对社会产生更大的影响。在苏黎世IBM研究实验室工作的亚历山大 · 缪勒和乔治 · 贝德诺兹观察到，一种称为镧钡铜氧的类似陶瓷的物质在当时记录的35 K温度出现了超导电性。从此以后，更多的戏剧性的新闻很快接踵而来：在1987年初，吴茂坤（音译）——后来到了亚拉巴马大学——和我以及和我们的合作者一起证实了在钇钡铜氧（或简写为YBCO）物质处于93 K时存在超导电性。在那个温度下，授在液氮中的YBCO就会变成超导材料，与液氦不同的是，液氮含量丰富，价格价廉。

当研究人员寻找着其他的超导电性铜酸盐，当人们把它们称之为铜氧化合物时，该项研究工作激励起一阵“超导热”。的确，物理学家已经发现了100多种超导体，它们具有比传统的最好的超导体￥高的临界温度。（这个事实促使一些理论家们呼吁 :“我们真正了解了我们已经发现的材料之前，暂停去发现更新的材料”。）

新型的材料提出了许多问题，其中最重要的可能是这样的问题：超导体会不会继它们的“姻亲”——半导体之后，戏剧性地使我们的生活变得更美好？问题虽然是肯定的，但是目前不能过分乐观，因为超导体可能影响到包括电在内的我们生存的每一个方面。虽然超导列车几乎还只是一种理想，巨大的能量储存系统和极高速计算机目前还不是一个实际可达到的目标，但是，其它方面的大量应用不久就将成为可能：电的高效产生、传输和储存；探测那些太微弱而不能被常规方法检测到的电磁信号；保护电力网不受电流急冲、陡降和突然中断引起的危害；发展起更快和更密集的蜂窝状通信技术等。

虽然以上的应用听起来相当一般，但是当我们考虑到在发现铜酸盐以后很快变得显而易见地存在的极大数量的障碍时，这些潜在的应用在某种程度丄几乎已经是有用得令人难以置信。最大的一个障碍就是铜酸盐只能传送少量不显示电阻的电流，这是由组成该材料的各个层面的位置而引起的问题。如果各个层面没有被排列得十分恰当，很多电子会在排列混乱区域的边界上发生冲撞从而减速。磁场会加速这个进程，以至于它们可能很容易穿透这个混乱区域而破坏超导电流。事实上，即使是一种理想化的排列整齐的材料在磁场极其强大的情况下也会呈现出如此后果。

研究人员围绕这些障碍找到了一种方法：把微米量级的该种材料的薄层放置在很有组织的物质上，这种过程会产生更精确的把超导层排列起来的效果。虽然薄膜层还不会带有大量电流，然而很多机构却已经开始销售以这种薄膜为基底制造的器件，杜邦公司，麻省理工学院的林肯实验室，和伊里诺斯超导技术有限公司等都正在制造着可在微波频率下运行并适用于军事仪表和蜂窝电话系统的器件。超导薄膜以比通常导体更小的单元更有效地提供较大的信号强度和程序信号。麻省理工学院还制造出了磁场传感器，它们被称作超导量子干涉仪（SQUID）。这些器件能在77 K液氮温度下运行，如同通常的SQUID在4.2K下运行的情况一样。一家公司目前正在出售可用于教育和研究目的的模型。

当某些研究人员沿着薄膜途径推进研究工作时，其他研究者则着手处理有限电流容量和所面临的“侵入”磁场——这类难对付的问题，并寄希望于能制成导线、发动机和得到其他大量的应用。他们设计了许多方法以克服上述障碍。例如，仔细地设计一些工序，把铜酸盐层排列整齐就能大大提高电流容量。研究人员还找到了一种方法，把结构缺陷引入到超导体的指导部分，它们的作用是把磁场“钉扎”住从而限制了磁场的破坏性趋势。

这样的改进已经得到令人注目的结果。钇钡铜氧（YBCO）可以传送的最大电流密度在77 K时已达到每平方厘米100万安培。当外加磁场达到9特斯拉时，电流只下降到40万安培。这两个数值都大大高于初始的值。在没有作出这种改进时，YBCO在每平方厘米只能传送10安培电流，而且外加磁场只要达到0.01特斯拉，导电性能就全部丧失。在许多方面，目前可达到的电流容量和通常超导体的电流容量是可以比拟的。当铜酸盐被冷却到相当的温度并放下强磁场时，它们就以某种方式扮演了其它低温同类的角色。

大批量的应用还面临另一种障碍，铜酸盐本质上是陶瓷，它是脆性的，难以构成导线，研究人员通过新的加工技术和材料选择正在努力试图从易脆的物质中逐渐地提取出可以弯曲的导线。他们把一种预先制成的粉末填塞进银白色的细管中，再把它们卷绕起来压紧形成导线，然后再进行烘烤把粉末转变成一种以铋为基底的铜酸盐。简略的样品在4.2 K时可以在每平方厘米传送20万安培的电流（约是铜通常能传送电流的200倍），而在77 K时传送的电流是35，000安培。美国的超导体现在可以按常规方式拉伸为长达数千米的导线。利用离子束的方式，在洛斯阿拉莫斯国家实验室的物理学家最近生产出可弯曲的YBCO带的样品，它们抗磁的性能比铋导线优越得多。

现在人们已经构造出一些器件，从而证实了大批量应用是可行的。国际磁学学会和在休斯顿大学的超导中心已经试制成不同类型的铜酸盐磁铁，它们能够产生高达两个特斯拉的磁场，这个磁场是最好的永久磁铁产生磁场的5倍，电气可靠性协会将利用美国超导体的导线来制造出一种5马力的电动机。这些科学组织和其他协会也已经精心制造出飞轮用以储存能量，制造出电流误差限幅器用于把电流的急冲从设备中分流出去。虽然这些器件中的一部分在普通的导体可以找到相似的对应物，但是作为超导器件，它们以更高的效率和更大的容量投入运行。

对将来作出预测始终是有一点冒险的，尤其在尚未充分把握现在的情况下更是如此。然而，我将以过去9年来的发展为基础，就高温超导体对我们生活带来的影响大胆地提出几点设想。

随着制造和加工处理变得更加精密，操作日益改进，今天已经建造出来的样品器件将会变得处处可见。能够从心脏和人脑中探测微弱磁场信号的超导量子干涉仪将变成一种普通的工具，用于无创伤的诊断疾病。测试表明，这些灵敏元件能够精确地测定出引起局部癫痫的人脑部位，超导量子干涉仪还将成为标准器件用于无损伤的检测诸如输油管、桥梁之类的永久性基础设施，因为老化的金属会产生一种独特的印迹。液氮的这些优越之处将会使这类探测器在科学研究的所有领域中得到更加广泛的应用。

磁记录干涉器件可能会变得更小型和更有效。更灵敏的超导放大器和线圈探测器将意味着成像所需的磁场可能更加微弱，从而导致了更小和更廉价的机械装置问世。而更高的灵敏度将导致更快的信号处理，因此大大降低了操作这类机械装置的现有费用。

虽然不那么明显，但经济上更重要的是，高温超导体将开辟着通向微波通讯系统的道路，并以滤波器和天线的角色发挥它的作用，它们将证实在把蜂窝式电话机基地工作站的容量提高3~10倍方面是必不可少的。它们还将成为军用飞机上的普通装备用来过滤出外界可能会扰乱飞机上计算机工作的雷达信号。

在人口稠密区域可以看到陈旧的地下电缆已被超导线所取代从而满足了人们对电力日益增长的需求。这种传输线也可能减少电的消耗率——人们缴付的用电账单上的15%来自导线电阻所引起的损耗。发电站将根据现有限流器的材料，提供更稳定的电压以适应—个处处遍布计算机的社会的需要。

能量储存上也有着很强的应用前景。超导磁能储存器（SMES）将会变得十分普遍。本质上，一个超导线圈将被带有静电，然后绕制成回路。从理论上说，电流将会无损耗地流动。在需要电荷的时候，线圈就会恢复成主栅极，从而提供出大量的电荷。利用低温超导体的SMES器件原型现在正进入试验阶段。一种新式的飞轮也将用于类似的能量储存的目的，这种飞轮以无摩擦的超导轴承为支撑，并将不停地转动直到它们的能量被泄漏为止。

在空间探测的设备上，铜酸盐从经济角度考虑也是行得通的。在太阳光没有直接照射到的宇宙空间，那里的温度比需要保持许多材料超导特性的温度更低。根据这种实现的可能，美国国家航空和航天部门已经投资发展试验性的传感器和电化学器件供空间飞船使用。

有些研究人员正在探索更遥远的应用，尤其是在计算机技术方面。应用之一就是制造约瑟夫逊结的回路。约瑟夫逊结是由一个很薄的绝缘势垒夹在两个超导薄层之间而精心制成的，它可以迅速地低消耗地启动和关闭，这种超导结可以取代目前计算机中的电路，从而在理论上可以把计算的速度提高到目前的50倍。但是，技术上的障碍已经使得朝着完全超导化计算机方向的进展变得很艰难。一个混杂系统可能是行得通的。这里的关键问题在于制造出可靠的超导回路和在超导体和半导体之间设计出适当的界面，从而在来自已经改进的半导体领域的竞争中占有优势。

更大的技术上的改变可能依靠在超导体基础研究中取得的进展，材料的复杂性已经使得隐藏在高温超导体后面的机制难以被探测。超导体的传统理论表明，固体的振动使起先互相排斥的电子形成电子时。这些电子对可以没有任何阻力地沿导线流动。

然而，这个概念对铜酸盐似乎是不合适的，高转变温度意味着固体将不得不振动得如此剧烈以至化合物的晶体结构将不再能保持足够稳定从而形成电子对，而其他东西将必定会与电子相配合。一个思路在于正常态（即非超导态）中，这里材料显示出异常的、与流行的理论相违背的电和磁的性质，许多实验正在被引导到这个狭窄的理论领域中去。我猜测，有许多机制共同作用从而才在铜酸盐中产生超导电性，这一点将会在下一个10年内被详细地得到阐明。

一旦人们认识了这些材料，那么更高的转变温度也就有可能达到。对某种物质在正常条件下被证实的记载是134 K，它是在1933年由位于苏黎世的瑞士联邦技术研究所的安德鲁斯 · 希林和他的同事们首次观察到的，这种物质称为水银-钡-钙-铜氧化物。通过挤压化合物的方式，地球物理实验室的戴维和我以及我们的合作者一起，把临界温度提高到164 K。，这个温度相当于摄氏零下109℃，它是利用家用空调技术而得到的。

事实上，一种室温超导体也可能被发现；大多数理论并没有排斥这种可能性。偶尔发生的，然而难以产生的结果似乎已经表明超导转变温度可高达250 K（即摄氏零下23℃）。室温超导体将肯定会激励起又一场工业革命。虽然改进的步伐已经使工作人员感到乐观，但是，仅仅一种技术的存在并不保证它在一个定位于市场的社会中占有主导的位置、价值利益因子标志着输出。因此，挑战在于降低为用于加工材料，装备器件和改进技术所需的价格。

在过去的9年中，科学家已经通过发现高温超导体的方式使正常材料变得异常。后来，他们又借助于揭示这种现象的某些奥秘使异常材料变得正常。现在，他们正在试图证明这种效应的技术可行性，从而作出常规的实施。虽然，还有许多应用肯定还没有被预见到——没有人能够预言磁记录干涉技术会从超导体中出现——高温超导的美好境界将很有可能由细致的，而且经济上意义深远的一系列变更0组成，并且，我们会日益依赖将深奥技术转换成实用仪器的超导前景。

［Scientific American，1995年9月］

*本文作者Paul C. W. Chu（朱经武）目前正领导着在休斯顿大学的德克萨斯超导中心。他是在圣地亚哥的加利福尼亚大学获得博士学位的。他还受聘为一些组织的顾问，得到过包括国家科学奖章在内的多次奖励。除了研究超导电性以外，他还研究磁学和介质材料。