【人民日報】超導(dǎo)—— 能源信息等領(lǐng)域的戰(zhàn)略級科技（開卷知新）

今年以來，我國自主設(shè)計建造的“人造太陽”全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置（east）取得重大成果，“祖沖之號”超導(dǎo)量子計算機也不斷取得新的突破，標(biāo)志著我國在能源、信息相關(guān)前沿研究領(lǐng)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(dǎo)材料與超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展。

超導(dǎo)是人類發(fā)現(xiàn)的第一種宏觀量子現(xiàn)象，具有豐富科學(xué)內(nèi)涵和廣闊應(yīng)用前景。超導(dǎo)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(dǎo)的研究歷程已經(jīng)跨越了一個多世紀(jì)，但人們的研究興趣依然未減。超導(dǎo)研究一次次打破人們對微觀物質(zhì)世界的認(rèn)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(dǎo)材料也被廣泛地應(yīng)用于能源、信息、醫(yī)療、國防、交通等領(lǐng)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(dǎo)體的基本物理特征

對超導(dǎo)態(tài)的認(rèn)識可以追溯到1911年，當(dāng)荷蘭物理學(xué)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(shè)備檢測不到的數(shù)值?？┝帧ぐ簝?nèi)斯將這一當(dāng)時物理學(xué)界無法理解的全新物態(tài)命名為“超導(dǎo)態(tài)”，進入超導(dǎo)態(tài)的物體被稱為超導(dǎo)體。隨后20多年時間里，物理學(xué)家又發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)態(tài)的完全抗磁性：小磁場無法穿透到超導(dǎo)體的內(nèi)部。換言之，磁場被超導(dǎo)體排斥，只能從超導(dǎo)體的表面附近“繞過去”。這些獨特的電磁學(xué)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(dǎo)態(tài)的解釋是20世紀(jì)前半葉物理學(xué)最重要的問題之一。許多頂尖物理學(xué)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(jì)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(rèn)超導(dǎo)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(dāng)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(dǎo)態(tài)。這一超導(dǎo)微觀理論是量子力學(xué)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(xué)、粒子物理學(xué)、核物理學(xué)等學(xué)科的發(fā)展。

持續(xù)探索超導(dǎo)材料，高溫超導(dǎo)家族不斷壯大

建立超導(dǎo)態(tài)形成的微觀理論的同時，人們也在尋找具有更高超導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)材料探索終于實現(xiàn)巨大突破：瑞士科學(xué)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(dǎo)電性。這是20世紀(jì)科學(xué)史上的標(biāo)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(dǎo)體被發(fā)現(xiàn)，我國科學(xué)家和華人科學(xué)家在其中作出了重要貢獻。目前銅氧化物高溫超導(dǎo)體已經(jīng)成為一個龐大的超導(dǎo)家族，一些材料也開始規(guī)?；瘧?yīng)用。

2008年，超導(dǎo)材料的探索又迎來了重大進展：第二個高溫超導(dǎo)家族——鐵基超導(dǎo)體被發(fā)現(xiàn)。這些材料是含有鐵元素的磁性金屬，其超導(dǎo)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(xué)家在發(fā)現(xiàn)鐵基超導(dǎo)材料以及對其超導(dǎo)機理的研究中，處于國際領(lǐng)先的位置。高溫超導(dǎo)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(dāng)中。高溫超導(dǎo)微觀理論的構(gòu)建是當(dāng)代物理學(xué)界急需解決的重要科學(xué)問題，對這個問題的解答將標(biāo)志著人類對物質(zhì)世界認(rèn)知水平的一次重大突破。

在能源、信息等領(lǐng)域帶來深刻變革的戰(zhàn)略級科技

超導(dǎo)體由于其獨特的物理性質(zhì)，在很多領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。超導(dǎo)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(lǐng)域有廣泛應(yīng)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(biāo)作出貢獻。超導(dǎo)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(shù)領(lǐng)域已經(jīng)有了明顯進展：國內(nèi)首個千米級超導(dǎo)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(shè)了一支長度為400米的超導(dǎo)電纜。這些是超導(dǎo)電纜應(yīng)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(dǎo)限流器也已經(jīng)在南方電網(wǎng)進入應(yīng)用階段。

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)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(yīng)加熱，即利用高頻交流電場在金屬表面的趨膚效應(yīng)加熱，以高熱導(dǎo)特性實現(xiàn)整體熔融并進行加工。這種感應(yīng)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(dǎo)電磁感應(yīng)加熱技術(shù)，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(dǎo)體的強載流特性，可以制造無損耗的超導(dǎo)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(dǎo)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(yīng)工作物質(zhì)只能通過強磁場約束在反應(yīng)區(qū)內(nèi)；巨型強磁場超導(dǎo)磁體線圈的應(yīng)用將有力推動可控核聚變技術(shù)的實用化，為能源產(chǎn)業(yè)帶來顛覆性變革。超導(dǎo)磁體的另一個重要應(yīng)用場景是生物醫(yī)學(xué)：多數(shù)醫(yī)用核磁共振成像設(shè)備都要用到超導(dǎo)磁體，通過不斷提升超導(dǎo)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(zhǔn)確的臨床醫(yī)學(xué)診斷。

作為人類利用電磁相互作用的極限手段之一，超導(dǎo)體在電子學(xué)器件領(lǐng)域也具有顯著優(yōu)勢。超導(dǎo)電子對穿過兩個超導(dǎo)體之間的絕緣夾層時會發(fā)生強烈的干涉效應(yīng)，即約瑟夫森效應(yīng)。這種隧穿對外磁場的響應(yīng)極為靈敏。基于約瑟夫森效應(yīng)設(shè)計的超導(dǎo)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(yīng)用于材料科學(xué)、地質(zhì)勘探中的磁性測量以及臨床醫(yī)學(xué)中的生物磁成像。超導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體器件無可比擬的優(yōu)勢。約瑟夫森效應(yīng)也被用于設(shè)計超導(dǎo)量子比特，成為量子計算機的基本單元；超導(dǎo)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(chǔ)研究，發(fā)展成一個有可能孕育出變革性新技術(shù)的方向。

超導(dǎo)體在微電子技術(shù)中的應(yīng)用會成為解決目前半導(dǎo)體集成電路功耗問題的關(guān)鍵。傳統(tǒng)半導(dǎo)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(yán)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(dǎo)體，使用超導(dǎo)電子學(xué)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(shè)計上與半導(dǎo)體技術(shù)相互兼容。因此，超導(dǎo)計算機的開發(fā)將為應(yīng)對能耗問題提供一個可行的出路。

自超導(dǎo)現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)以來，室溫超導(dǎo)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(dǎo)不會存在，而超導(dǎo)材料探索中的多次驚喜也一步步打破對追求室溫超導(dǎo)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(dǎo)電性，看到了獲得室溫超導(dǎo)體的希望。隨著人們對材料探索、設(shè)計、合成和控制能力的不斷提升，超導(dǎo)材料的探索進程極大加速，室溫超導(dǎo)之夢已非遙不可及。中國超導(dǎo)科研工作者將抓住這一領(lǐng)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(xué)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(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系教授陳仙輝）

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《d波超導(dǎo)體》：向濤著；科學(xué)出版社出版。

《鐵基超導(dǎo)體物性基礎(chǔ)研究》：趙忠賢、于淥主編；上?？茖W(xué)技術(shù)出版社出版。

《超導(dǎo)物理》：張裕恒編著；中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社出版。

《超導(dǎo)“小時代”》：羅會仟著；清華大學(xué)出版社出版。

來源：人民日報（2023-11-03 第20版）

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