佩戈尔·艾纳坚《对话》 信用:CC0公共领域 废热无处不在
在小范围内，如果你的手机或笔记本电脑感到温暖，那是因为为设备供电的一些能量被转化为不需要的热量
在更大的范围内，电网，如高压线，在传输过程中损失超过5%的能量
在2018年发电量超过4000亿美元的电力行业，这是巨大的浪费
在全球范围内，谷歌、微软、脸谱网和其他公司的计算机系统需要大量的能量来驱动大型云服务器和数据中心
甚至需要更多的能量来驱动水和空气冷却系统，以抵消这些计算机产生的热量
这些废热从何而来？电子
原子的这些基本粒子四处移动，并与其他电子和原子相互作用
因为它们带有电荷，当它们穿过一种材料时——比如金属，它很容易导电——它们会散射掉其他原子并产生热量
超导体是解决这个问题的材料，它允许能量有效地流过，而不会产生不需要的热量
它们具有巨大的潜力和许多高性价比的应用
他们操作磁悬浮列车，为核磁共振成像机器产生磁场，最近被用于制造量子计算机，尽管还没有一个完全运行的
但是超导体在其他实际应用中有一个基本问题:它们在超低温下工作
没有室温超导体
“室温”部分是科学家们一个多世纪以来一直在研究的
数十亿美元已经资助了解决这个问题的研究
全世界的科学家，包括我在内，都在试图理解超导体的物理特性，以及如何增强它们
理解机制 超导体是一种材料，如纯金属，如铝或铅，当冷却到超低温时，允许电流以绝对零电阻通过
一种材料如何在微观层面上变成超导体并不是一个简单的问题
科学界花了45年时间才在1956年理解并形成了一个成功的超导理论
当物理学家研究对超导机制的理解时，化学家混合了不同的元素，如稀有金属铌和锡，并尝试在其他实验指导下的配方来发现新的更强的超导体
有所进展，但大多是渐进的
简而言之，当两个电子在低温下结合在一起时，就会产生超导性
它们构成了超导体的基石——库珀对
基础物理和化学告诉我们电子相互排斥
即使是像铅这样的潜在超导体，当它超过一定温度时，也是如此
然而，当温度下降到某一点时，电子变得更容易配对
不是一个电子与另一个电子相对，而是一种“胶水”将它们粘在一起
保持物质凉爽 第一个超导体发现于1911年，是水银，老式温度计的基本元素
为了让水银成为超导体，它必须被冷却到超低温
卡姆林赫·昂内斯是第一个确切知道如何做到这一点的科学家——通过压缩和液化氦气
在这个过程中，一旦氦气变成液体，温度就会降到华氏零下452度
当昂尼斯用水银做实验时，他发现当水银被放在液氦容器中并冷却到非常低的温度时，它的电阻，即材料中电流的反向，突然下降到零欧姆，这是描述电阻的测量单位
不是接近零，而是恰好为零
没有阻力，没有热量浪费
这意味着电流一旦产生，就会持续流动，没有任何东西可以阻止它，至少在实验室里是这样
许多超导材料很快被发现，但实际应用是另一回事
这些超导体有一个共同的问题——它们需要冷却
将材料冷却到超导状态所需的能量对于日常应用来说太昂贵了
到20世纪80年代初，对超导体的研究已经接近尾声
令人惊讶的发现 事情发生了戏剧性的转变，1987年在瑞士苏黎世的国际商用机器公司发现了一种新的超导体材料
几个月之内，在不那么极端的温度下工作的超导体就在全球范围内被合成
这种材料是一种陶瓷
这些新的陶瓷超导体是由铜和氧与其他元素如镧、钡和铋混合而成的
他们否定了物理学家认为他们知道的关于制造超导体的一切
研究人员一直在寻找非常好的导体，然而这些陶瓷几乎是绝缘体，这意味着很少的电流可以流过
磁性摧毁了传统的超导体，然而它们本身就是磁铁
科学家们正在寻找电子可以自由移动的材料，然而在这些材料中，电子被锁定和限制
国际商用机器公司的科学家亚历克斯·米勒和乔治·贝德诺兹实际上已经发现了一种新的超导体
这些是高温超导体
他们按照自己的规则玩
难以捉摸的解决方案 科学家现在面临新的挑战
高温超导体被发现30年后，我们仍在努力理解它们在微观层面是如何工作的
世界各地的大学和研究实验室每天都在进行创造性实验
在我的实验室里，我们建造了一台被称为扫描隧道显微镜的显微镜，帮助我们的研究团队“看到”材料表面的电子
这使我们能够理解电子如何在原子尺度上结合并形成超导性
我们在研究方面已经取得了很大进展，现在知道电子也在这些高温超导体中配对
回答高温超导体如何工作有很大的价值和用途，因为这可能是实现室温超导的途径
如果我们成功地制造了室温超导体，那么我们就可以解决从发电厂向城市传输能量所浪费的数十亿美元的热量
更值得注意的是，在世界各地广阔的沙漠中收获的太阳能可以储存和传输，而不会损失任何能量，这可以为城市供电，并大幅减少温室气体排放
潜力难以想象
找到室温超导体的粘合剂是下一个百万美元的问题
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