網(wǎng)友：最近看到一則新聞：國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆組織宣布已完成世界最大、最強(qiáng)的脈沖超導(dǎo)電磁體系統(tǒng)的全部組件建造，其中直徑9至25米的超導(dǎo)磁環(huán)由中國(guó)參與制造。我對(duì)“超導(dǎo)磁環(huán)”很好奇，能否講講超導(dǎo)的原理是什么、有哪些應(yīng)用？
編輯：這是一個(gè)很好的問(wèn)題。超導(dǎo)，一種能讓電流“零阻力”奔跑的“魔法材料”，正悄然塑造未來(lái)圖景?？煽睾司圩?、磁懸浮列車(chē)、量子計(jì)算機(jī)……探索前沿的陣地上，超導(dǎo)的身影無(wú)處不在。本期我們邀請(qǐng)到中國(guó)科學(xué)院院士、南方科技大學(xué)校長(zhǎng)薛其坤，請(qǐng)他帶我們走進(jìn)超導(dǎo)的“神奇世界”。
從點(diǎn)亮燈泡到驅(qū)動(dòng)高鐵，電流的順暢流動(dòng)是社會(huì)生活的命脈。然而，銅、鋁等傳統(tǒng)導(dǎo)電材料總伴隨著能量損耗，就像水管中的水流遭遇摩擦阻力。有沒(méi)有一種材料能讓電流“零阻力”奔跑？
答案是超導(dǎo)材料——這個(gè)凝聚人類(lèi)百年智慧的科學(xué)奇跡，正在重塑能源與科技的版圖。
我們?yōu)槭裁葱枰瑢?dǎo)
導(dǎo)電性是材料傳輸電流的能力，材料的電阻小，材料的導(dǎo)電能力就強(qiáng)，反之亦然。銅、銀和鋁等金屬因內(nèi)部自由電子活躍，成為電線(xiàn)、芯片生產(chǎn)的主要材料。但即便導(dǎo)電性最好的銀，電阻也并非為零。電流流過(guò)時(shí)，由于電阻的存在，部分電能會(huì)以熱量的形式耗散。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球每年因輸電損耗的電量高達(dá)總發(fā)電量的5%—10%。
隨著算力需求爆炸式增長(zhǎng)，電力需求也逐步攀升，數(shù)據(jù)中心、超算中心的芯片發(fā)熱已成為技術(shù)瓶頸。例如，傳統(tǒng)半導(dǎo)體芯片中，約40%的電能轉(zhuǎn)化為熱量，既浪費(fèi)能源，又需龐大的散熱系統(tǒng)。如何把這部分能量節(jié)省下來(lái)？超導(dǎo)技術(shù)是答案之一。
1911年，荷蘭物理學(xué)家卡末林—昂內(nèi)斯發(fā)現(xiàn)，汞在零下269攝氏度時(shí)，電阻突然消失，電流可永續(xù)流動(dòng)而不衰減，他將這一現(xiàn)象命名為“超導(dǎo)電性”。超導(dǎo)體的零電阻特性，如同為電子鋪設(shè)了一條無(wú)摩擦的“高速公路”。
這一特性已悄然改變生活。醫(yī)院中的核磁共振成像儀就是經(jīng)典案例：其核心的超導(dǎo)線(xiàn)圈通電后產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)，用于人體成像。若用普通銅線(xiàn)圈，不僅耗電量巨大，還需要持續(xù)供電制冷來(lái)抵消電阻發(fā)熱，而超導(dǎo)線(xiàn)圈一旦通電，可永久維持磁場(chǎng)，能耗近乎為零。
更宏大的應(yīng)用已經(jīng)落地。廣東深圳平安大廈于2021年啟用了自主研發(fā)的三相同軸高溫超導(dǎo)電纜，這是世界上首次將超導(dǎo)電纜應(yīng)用于超大型城市中心區(qū)。這條電纜在零下196攝氏度的液氮保護(hù)環(huán)境下工作，電流承載量是同等粗細(xì)銅纜的5倍，輸電損耗降低約80%。未來(lái)，城市電網(wǎng)若全面改用超導(dǎo)電纜，輸電效率將躍升，停電事故或?qū)⒋蟠鬁p少。
尋找超導(dǎo)材料之路
早期超導(dǎo)體需依賴(lài)液氦（零下269攝氏度）維持低溫，成本極高。1968年，科學(xué)家麥克米蘭提出理論：傳統(tǒng)超導(dǎo)體在常壓下的臨界溫度不會(huì)超過(guò)40開(kāi)爾文（約零下233攝氏度），這一“天花板”被稱(chēng)為“麥克米蘭極限”。
然而，1986年，銅基氧化物超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)打破了這一預(yù)言，它可以在液氮溫區(qū)（大于77開(kāi)爾文即零下196攝氏度）工作，使超導(dǎo)應(yīng)用成本降低許多。2008年，鐵基超導(dǎo)體成為第二類(lèi)突破“麥克米蘭極限”的高溫超導(dǎo)材料。
今年2月，南方科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)宣布最新科研突破：在常壓環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了鎳氧化物薄膜超過(guò)“麥克米蘭極限”（40開(kāi)爾文以上）的超導(dǎo)電性，使鎳基材料成為常壓下繼銅基、鐵基之后的第三類(lèi)高溫超導(dǎo)材料體系。
這項(xiàng)發(fā)表于《自然》雜志的突破性研究，不僅刷新了超導(dǎo)材料家族圖譜，更是在鎳基體系中驗(yàn)證了高溫超導(dǎo)的普適性，為破解高溫超導(dǎo)機(jī)理提供了關(guān)鍵拼圖。
“誰(shuí)解開(kāi)高溫超導(dǎo)之謎，誰(shuí)就掌握了21世紀(jì)能源革命的鑰匙?！敝Z貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主安東尼·萊格特曾經(jīng)這么預(yù)言。在銅基、鐵基、鎳基三類(lèi)高溫超導(dǎo)材料的發(fā)現(xiàn)和研究中，中國(guó)科學(xué)家正從跟跑變?yōu)轭I(lǐng)跑。如果最終實(shí)現(xiàn)了“超高溫超導(dǎo)”即室溫超導(dǎo)，將是人類(lèi)科學(xué)史上最重大的發(fā)現(xiàn)之一。
超導(dǎo)的多樣“魔力”
超導(dǎo)的“魔力”不止于零電阻。1933年，物理學(xué)家邁斯納發(fā)現(xiàn)，超導(dǎo)體能完全排斥外部磁場(chǎng)，仿佛被無(wú)形之力托起。這一“完全抗磁性”現(xiàn)象被稱(chēng)為“邁斯納效應(yīng)”，它是磁懸浮技術(shù)的物理基石。
上海磁浮示范線(xiàn)已運(yùn)行近20年，線(xiàn)上的列車(chē)依靠常規(guī)電磁鐵懸浮，需持續(xù)供電維持磁場(chǎng)。而若采用超導(dǎo)磁懸浮，列車(chē)可“自發(fā)”懸浮于軌道之上，能耗可以大幅降低。2021年，中國(guó)在成都建成全球首條高溫超導(dǎo)磁懸浮試驗(yàn)線(xiàn)，車(chē)輛在液氮溫區(qū)實(shí)現(xiàn)自穩(wěn)定懸浮，為下一代磁懸浮高鐵奠定基礎(chǔ)。
超導(dǎo)不僅是工程奇跡，更是量子物理的“宏觀展廳”。在超導(dǎo)體中，無(wú)數(shù)的電子會(huì)結(jié)成“庫(kù)珀對(duì)”，步調(diào)一致地運(yùn)動(dòng)，形成宏觀尺度的量子態(tài)。這種特性讓超導(dǎo)體成為量子科技的“核心元件”。例如，超導(dǎo)單光子探測(cè)器能捕捉單個(gè)光子的信號(hào)，是量子通信的“火眼金睛”；超導(dǎo)量子比特可長(zhǎng)時(shí)間保持量子疊加態(tài)，科學(xué)家正在利用超導(dǎo)量子比特設(shè)計(jì)量子計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜超高速運(yùn)算。如果可糾錯(cuò)的通用超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)最終被研制成功，它將提供比目前世界上最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)還快百萬(wàn)倍以上的運(yùn)算能力，并帶來(lái)信息技術(shù)的重大變革。
超導(dǎo)研究已推動(dòng)了低溫物理、量子力學(xué)、材料科學(xué)的交叉融合。未來(lái)，隨著高溫超導(dǎo)機(jī)制的明晰與制備工藝的優(yōu)化，這項(xiàng)“低溫奇跡”或?qū)⒊蔀檫B接基礎(chǔ)科學(xué)與產(chǎn)業(yè)變革的重要紐帶。
（作者為中國(guó)科學(xué)院院士、南方科技大學(xué)校長(zhǎng)）
（原題：《超導(dǎo)：讓電流“零阻力”奔跑的奇跡》）
本文鏈接：http://jphkf.cn/news-8-4143-0.html讓電流“零阻力”奔跑，薛其坤講述超導(dǎo)“魔力”
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