今年以來，我國自主設計建造的“人造太陽”全超導托卡馬克核聚變實驗裝置（east）取得重大成果，“祖沖之號”超導量子計算機也不斷取得新的突破，標志著我國在能源、信息相關前沿研究領域中占據(jù)了制高點。在這些重大科技突破的背后，都離不開超導材料與超導技術的發(fā)展。

超導是人類發(fā)現(xiàn)的第一種宏觀量子現(xiàn)象，具有豐富科學內(nèi)涵和廣闊應用前景。超導表現(xiàn)出的零電阻和完全抗磁性等奇特性質(zhì)，目前已在近萬種材料中被發(fā)現(xiàn)。超導的研究歷程已經(jīng)跨越了一個多世紀，但人們的研究興趣依然未減。超導研究一次次打破人們對微觀物質(zhì)世界的認知，推動了新物理概念的產(chǎn)生、新物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)和新方法的建立；超導材料也被廣泛地應用于能源、信息、醫(yī)療、國防、交通等領域，在許多方面發(fā)揮著不可替代的作用。

零電阻和完全抗磁性是超導體的基本物理特征

對超導態(tài)的認識可以追溯到1911年，當荷蘭物理學家卡末林·昂內(nèi)斯把金屬汞冷卻到液氦溫度4.2開爾文（約為零下269攝氏度）時，意外發(fā)現(xiàn)其電阻跳躍式地下降到了設備檢測不到的數(shù)值?？┝帧ぐ簝?nèi)斯將這一當時物理學界無法理解的全新物態(tài)命名為“超導態(tài)”，進入超導態(tài)的物體被稱為超導體。隨后20多年時間里，物理學家又發(fā)現(xiàn)超導態(tài)的完全抗磁性：小磁場無法穿透到超導體的內(nèi)部。換言之，磁場被超導體排斥，只能從超導體的表面附近“繞過去”。這些獨特的電磁學性質(zhì)與人們所熟知的金屬特性完全不同，需要一套全新的物理理論進行描述。

對超導態(tài)的解釋是20世紀前半葉物理學最重要的問題之一。許多頂尖物理學家提出過自己的見解，但都不能完全解釋實驗現(xiàn)象。上世紀50年代末，這個方向出現(xiàn)了重大突破——在理論和實驗物理工作者的共同努力下，人們確認超導態(tài)的出現(xiàn)是由于固體中電子受到原子振動影響，兩個電子之間產(chǎn)生相互吸引作用，形成特殊的“電子對”。配成對的兩個電子可以當作一個基本的單元來考慮，它們的行為與單個電子截然不同，能夠相干在一起發(fā)生宏觀凝聚現(xiàn)象，形成具有零電阻和完全抗磁性的超導態(tài)。這一超導微觀理論是量子力學建立之后最重要的理論進展之一，其建立的概念也推動了宇宙學、粒子物理學、核物理學等學科的發(fā)展。

持續(xù)探索超導材料，高溫超導家族不斷壯大

建立超導態(tài)形成的微觀理論的同時，人們也在尋找具有更高超導轉(zhuǎn)變溫度（即臨界溫度）的材料。遺憾的是，幾十年時間里超導臨界溫度的提升并不明顯，最高只能到20多開爾文，離最常用的制冷劑——液氮的沸點溫度（77開爾文）還很遙遠。1986年，超導材料探索終于實現(xiàn)巨大突破：瑞士科學家在一類銅氧化物體系中發(fā)現(xiàn)了超過30開爾文的超導電性。這是20世紀科學史上的標志性事件之一。很快，一系列突破液氮溫度的高溫銅氧化物超導體被發(fā)現(xiàn)，我國科學家和華人科學家在其中作出了重要貢獻。目前銅氧化物高溫超導體已經(jīng)成為一個龐大的超導家族，一些材料也開始規(guī)?；瘧谩?/p>

2008年，超導材料的探索又迎來了重大進展：第二個高溫超導家族——鐵基超導體被發(fā)現(xiàn)。這些材料是含有鐵元素的磁性金屬，其超導態(tài)在元素替換或高壓合成下演化出豐富的行為。我國科學家在發(fā)現(xiàn)鐵基超導材料以及對其超導機理的研究中，處于國際領先的位置。高溫超導的發(fā)現(xiàn)向理論研究提出新的挑戰(zhàn)，其具體機制的探索仍在進行當中。高溫超導微觀理論的構建是當代物理學界急需解決的重要科學問題，對這個問題的解答將標志著人類對物質(zhì)世界認知水平的一次重大突破。

在能源、信息等領域帶來深刻變革的戰(zhàn)略級科技

超導體由于其獨特的物理性質(zhì)，在很多領域發(fā)揮著不可替代的作用。超導體的零電阻特性使其成為一種理想的低能耗材料，在能源領域有廣泛應用前景。它可以幫助我們顯著降低電力工業(yè)中的傳輸損耗和能源、冶金工業(yè)中的碳排放，為實現(xiàn)“雙碳”目標作出貢獻。超導線纜的實用化是實現(xiàn)大功率、低損耗、高穩(wěn)定性輸電的重要方案之一。目前我國在這一技術領域已經(jīng)有了明顯進展：國內(nèi)首個千米級超導電纜在上海投入使用，并取代了部分傳統(tǒng)變電站的作用；深圳為滿足平安大廈較大的供電需求，建設了一支長度為400米的超導電纜。這些是超導電纜應用方面里程碑式的成果。此外，能夠保護電路免受大電流沖擊的超導限流器也已經(jīng)在南方電網(wǎng)進入應用階段。

隨著我國基礎設施建設和制造業(yè)的高速發(fā)展，對有色金屬及其合金的需求與日俱增。有色金屬的傳統(tǒng)加工手段是使用常規(guī)感應加熱，即利用高頻交流電場在金屬表面的趨膚效應加熱，以高熱導特性實現(xiàn)整體熔融并進行加工。這種感應加熱長期存在能耗高、效率低的問題。我國最新開發(fā)的超導電磁感應加熱技術，兆瓦級的裝置每年可以節(jié)省800萬千瓦時電，加熱效率從原來的40%—45%提高到80%—85%。

基于超導體的強載流特性，可以制造無損耗的超導磁體線圈，實現(xiàn)傳統(tǒng)磁體不能提供的磁場強度和穩(wěn)定性。超導磁體所提供的超強磁場將有助于實現(xiàn)可控核聚變——在聚變堆內(nèi)部，溫度高達上億攝氏度，超過任何材料的熔點，因此熱核反應工作物質(zhì)只能通過強磁場約束在反應區(qū)內(nèi)；巨型強磁場超導磁體線圈的應用將有力推動可控核聚變技術的實用化，為能源產(chǎn)業(yè)帶來顛覆性變革。超導磁體的另一個重要應用場景是生物醫(yī)學：多數(shù)醫(yī)用核磁共振成像設備都要用到超導磁體，通過不斷提升超導線圈提供的磁場，可以顯著提高核磁共振成像的分辨率，實現(xiàn)更快速、更準確的臨床醫(yī)學診斷。

作為人類利用電磁相互作用的極限手段之一，超導體在電子學器件領域也具有顯著優(yōu)勢。超導電子對穿過兩個超導體之間的絕緣夾層時會發(fā)生強烈的干涉效應，即約瑟夫森效應。這種隧穿對外磁場的響應極為靈敏。基于約瑟夫森效應設計的超導量子干涉器件，能夠探測地球磁場幾十億分之一的微弱磁場變化，被廣泛應用于材料科學、地質(zhì)勘探中的磁性測量以及臨床醫(yī)學中的生物磁成像。超導薄膜和約瑟夫森結(jié)組成器件單元和電路，可以形成傳感器、探測器、數(shù)字電路、量子比特等多種超導電子有源器件和濾波器、電磁超材料等無源器件，在靈敏度、噪聲、速度、功耗、帶寬等方面具有傳統(tǒng)半導體器件無可比擬的優(yōu)勢。約瑟夫森效應也被用于設計超導量子比特，成為量子計算機的基本單元；超導量子計算在過去20多年發(fā)展迅速，已經(jīng)從最初的展示宏觀電路量子特性的基礎研究，發(fā)展成一個有可能孕育出變革性新技術的方向。

超導體在微電子技術中的應用會成為解決目前半導體集成電路功耗問題的關鍵。傳統(tǒng)半導體晶體管器件隨著集成度的不斷提高，正面臨功耗瓶頸、發(fā)熱嚴重、能耗過高等挑戰(zhàn)。由于未來制造業(yè)以數(shù)字化和智能化為主，需要處理的數(shù)據(jù)量隨著產(chǎn)業(yè)升級而急劇增加，超級計算機所需的大空間、高功耗和高散熱正制約著算力的進一步提升。相比于傳統(tǒng)半導體，使用超導電子學元件的超級計算機能耗降低五個量級，速度可以提升兩個量級，且工藝和設計上與半導體技術相互兼容。因此，超導計算機的開發(fā)將為應對能耗問題提供一個可行的出路。

自超導現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)以來，室溫超導體就是人類的一個長期夢想。目前，并不存在可靠的理論證明室溫超導不會存在，而超導材料探索中的多次驚喜也一步步打破對追求室溫超導的限制。近年來，人們在高壓下的富氫化合物中實現(xiàn)了轉(zhuǎn)變溫度接近零下20攝氏度的超導電性，看到了獲得室溫超導體的希望。隨著人們對材料探索、設計、合成和控制能力的不斷提升，超導材料的探索進程極大加速，室溫超導之夢已非遙不可及。中國超導科研工作者將抓住這一領域蓬勃發(fā)展的歷史機遇，再接再厲、勇攀高峰，爭取更多科學突破，為我國經(jīng)濟社會發(fā)展貢獻科技力量。

（作者為中國科學院院士、中國科學技術大學物理系教授陳仙輝）

推薦讀物

《d波超導體》：向濤著；科學出版社出版。

《鐵基超導體物性基礎研究》：趙忠賢、于淥主編；上海科學技術出版社出版。

《超導物理》：張裕恒編著；中國科學技術大學出版社出版。

《超導“小時代”》：羅會仟著；清華大學出版社出版。

來源：人民日報（2023-11-03 第20版）

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