电阻的本质是什么？

小胡新交了一个女朋友，这是一次美丽的异地恋情，小胡在广州，他的漂亮女友在哈尔滨。小胡想念女朋友，决定搭便车去东北看她，但是他必须听从沿途所有司机的安排（这是一个绝望的人）。于是小胡从广州出发，第一站到了长沙，接下来到了武汉、南昌，又折回深圳，去到贵阳、重庆，又折返到海口......最后，你懂的。

现实生活中当然没有小胡这样的糊涂虫，但这却是自由电子的日常。自由电子的运动速度极快，它们以每秒1570公里的速度在原子间的空隙里穿行。尽管相较于电子来说原子之间很空旷，但由于失去最外层电子的原子带正电，它们的附近存在正电场，带负电的电子会不断地被吸引，它们在原子之间胡乱地碰来撞去；与此同时，原子本身也在躁动着，它们在自己的位置上振动，那些不停撞击它们的电子将能量传递给它们，使原子的振动加剧并且发热，这使得电子的旅途更加困难。从整个导体的角度看，电子实际上每秒钟只能前进几十微米，速度比蜗牛慢多了。

由于电子运动路径曲折反复，造成电路电阻和能量损耗

自由电子在电路中杂乱无章的运动一方面消耗电能使电路发热，同时也因为各种杂波削弱了电场方向的波，这就是电阻。

电阻消耗造成的浪费是惊人的，2018年我国的发电总量是6.8万亿千瓦时，同比增长6.8%。但是其中有10%都在传输过程中被电阻给消耗掉了，即使按每度电5毛钱的用电价格计算，每年被电阻“吃”掉的钱就超过了3400亿元！

对于超导的探索

科学家们想寻找一种电路，电子在其中会掠过所有障碍，仿佛它们根本就不存在一样，它是零电阻的超导体。

实现超导性的关键是让烦躁的原子远离电子流。这些原子越热，它们就越烦躁，就越会给电子制造障碍和麻烦，降低电子的速度，同时让自己更热。

因此我们一方面需要给导体降温，让它们放轻松，不要振动得太厉害；同时要让原子们排列更整齐，好让电子流拥有自己的通道。

YBaCuO超导体的YBCO晶格，它拥有规则的电子运动通道

科学家们首先将导体的温度降下来，因为从理论上来看，只要物质的温度下降到绝对零度（0开尔文或-273℃），原子的振动基本就会停止。当然这只是理论的最低温度，事实上科学家们发现我们不需要达到如此低的温度就能使一些物质拥有超导性。1911年，荷兰物理学家Heike Kamerlingh Onnes创造性地把汞放进了超低温液态氦中，在4开尔文（K）的极低温度下，他发现汞的电阻降为0，水银变成了超导体。

继汞之后，科学家们又陆续发现重金属铅、铌钛、锗铌合金和氮化铌等在超低温度下也显示出超导特性。

液态氦在-270℃下是超流体

后来，科学家们通过反复地尝试，把各种各样的东西丢到液态氦或液态氮中，又发现了掺杂了氟的LaOFeAs铁基超导体、碳纳米管。他们甚至发现某些陶瓷材料（如YBCO和二硼化镁）也具有超导特性，并且这些新发现的超导材料所要求的温度并不像汞那么低，HTS的转变温度高达138K（-135°C），它不再需要用昂贵的液态氦冷却，只需要泡在液态氮中就可以了，因此被称为“高温超导体”。

为什么超导体电阻可以为零？

我们在本文开头分析了电阻的性质，它本质上是由于电子被原子阻挡造成的。要想原子不挡道，一方面要让它冷静下来，同时还要让原子们排好队，给自由电子让出通道来。超导体的晶体结构大多很规则，电子从晶体的缝隙中通过，基本不会受到阻碍，这是一个重要原因。

与此同时，物理学家们还发现一种独特的现象：超导体中存在大量的自由电子对（称作“Cooper对”或“库珀对”），这个发现获得了诺贝尔物理学奖。

常温下电子运行会受到原子影响

库珀对是啥？打个比方：小明经朋友介绍谈了个女朋友小白，小白与小明同城。他们相约出去玩儿，旅行的过程中为了省钱就住到了一起，小明朋友安排的酒店客房里有一张大水床，于是两个人不自觉地就滚到一起变成“库珀对”，开启了浪漫的爱情故事。这在超导研究中被称为“水床效应”，由此可见有个好朋友帮忙是有多么重要。

水床效应

库珀对是一种电子配对，一般来说，当一个电子进入晶格并在两个带正电的原子之间通过时，这些阳离子会稍微向电子方向拉动，并相互拉扯，使晶格发生扭曲（就像是你躺在水床上一样）。正离子不会捕获带有正电子的电子，但也不妨碍它。相反，在超导温度下，它们通过在电子通过时在电子后面产生带正电的波（称为声子）来轻推它。反过来，这个带正电的声子会将第二个电子吸引过来，这个电子与第一个电子有相反的角动量（自旋方向相反）。因此，他们成为了伙伴，开始了成双结对的旅行。

“水床效应”及自由电子库珀对的形成过程

当电子结成库珀对之后，它们会从声子那里获得一个小小的能量，同时声子又充当了键将这一对电子牢牢地固定在一定的距离之内。更为重要的是，声子因“水床效应”提供给库珀对的能量大于原子振动骚扰电子的能量，这使得库珀电子对在晶格中变成了一种“超流体”，它们可以不受阻碍地在狭缝间穿行，再也不会有碰撞、改变方向和反弹。

“库珀对”理论还有另一个重要方面：这些电子对不仅相互合作，而且与其他库珀对合作。简单来说，这些对可以重叠，甚至可以与其它的库珀对组团配成更长的配对。这产生了一组紧密结合的电子，以极高的效率在超导体里，它们的波是完全重叠的。

同相的波会得到加强

由于超导体内的电子流没有受到阻力，它们是超流体，所以即便是外加的电压消失，电子流也不会停下来，电流会一直存在，能量也不会被热消耗。

总结：

超导体实际上是从量子的角度解决了电阻因素的这样一类物质。它们需要极低的温度来使原子保持最低限度的振动，从而避免其对电子运动路径的干扰；导体中的晶格应该是高度规则的晶体，以保证电子拥有相对宽敞的运动通道；电子通过其在原子之间的运动造成晶格的刚性扭曲，从而产生声子；声子促成“水床效应”，将两个自旋方向相反的电子结合成“库珀对”；由于库珀对从声子那里获得能量，使自己显现“超流体”状态，进而实现超导。

一块悬浮在低温磁体之上的超导体