【人民日?qǐng)?bào)】超導(dǎo)—— 能源信息等領(lǐng)域的戰(zhàn)略級(jí)科技（開卷知新）

今年以來(lái)，我國(guó)自主設(shè)計(jì)建造的“人造太陽(yáng)”全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置（east）取得重大成果，“祖沖之號(hào)”超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)也不斷取得新的突破，標(biāo)志著我國(guó)在能源、信息相關(guān)前沿研究領(lǐng)域中占據(jù)了制高點(diǎn)。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(wàn)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(gè)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(duì)微觀物質(zhì)世界的認(rèn)知，推動(dòng)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(guó)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(duì)超導(dǎo)態(tài)的認(rèn)識(shí)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(shí)，意外發(fā)現(xiàn)其電阻跳躍式地下降到了設(shè)備檢測(cè)不到的數(shù)值?？┝帧ぐ簝?nèi)斯將這一當(dāng)時(shí)物理學(xué)界無(wú)法理解的全新物態(tài)命名為“超導(dǎo)態(tài)”，進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)的物體被稱為超導(dǎo)體。隨后20多年時(shí)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(chǎng)無(wú)法穿透到超導(dǎo)體的內(nèi)部。換言之，磁場(chǎng)被超導(dǎo)體排斥，只能從超導(dǎo)體的表面附近“繞過(guò)去”。這些獨(dú)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(jìn)行描述。

對(duì)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(wèn)題之一。許多頂尖物理學(xué)家提出過(guò)自己的見(jiàn)解，但都不能完全解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。上世紀(jì)50年代末，這個(gè)方向出現(xiàn)了重大突破——在理論和實(shí)驗(yàn)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(dòng)影響，兩個(gè)電子之間產(chǎn)生相互吸引作用，形成特殊的“電子對(duì)”。配成對(duì)的兩個(gè)電子可以當(dāng)作一個(gè)基本的單元來(lái)考慮，它們的行為與單個(gè)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(jìn)展之一，其建立的概念也推動(dòng)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(shí)，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(shí)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(diǎn)溫度（77開爾文）還很遙遠(yuǎn)。1986年，超導(dǎo)材料探索終于實(shí)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(guò)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(guó)科學(xué)家和華人科學(xué)家在其中作出了重要貢獻(xiàn)。目前銅氧化物高溫超導(dǎo)體已經(jīng)成為一個(gè)龐大的超導(dǎo)家族，一些材料也開始規(guī)模化應(yīng)用。

2008年，超導(dǎo)材料的探索又迎來(lái)了重大進(jìn)展：第二個(gè)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(guó)科學(xué)家在發(fā)現(xiàn)鐵基超導(dǎo)材料以及對(duì)其超導(dǎo)機(jī)理的研究中，處于國(guó)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(jī)制的探索仍在進(jìn)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(wèn)題，對(duì)這個(gè)問(wèn)題的解答將標(biāo)志著人類對(duì)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(lái)深刻變革的戰(zhàn)略級(jí)科技

超導(dǎo)體由于其獨(dú)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(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)作出貢獻(xiàn)。超導(dǎo)線纜的實(shí)用化是實(shí)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(guó)在這一技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)有了明顯進(jìn)展：國(guó)內(nèi)首個(gè)千米級(jí)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(zhǎng)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(hù)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(jìn)入應(yīng)用階段。

隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和制造業(yè)的高速發(fā)展，對(duì)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(chǎng)在金屬表面的趨膚效應(yīng)加熱，以高熱導(dǎo)特性實(shí)現(xiàn)整體熔融并進(jìn)行加工。這種感應(yīng)加熱長(zhǎng)期存在能耗高、效率低的問(wèn)題。我國(guó)最新開發(fā)的超導(dǎo)電磁感應(yīng)加熱技術(shù)，兆瓦級(jí)的裝置每年可以節(jié)省800萬(wàn)千瓦時(shí)電，加熱效率從原來(lái)的40%—45%提高到80%—85%。

基于超導(dǎo)體的強(qiáng)載流特性，可以制造無(wú)損耗的超導(dǎo)磁體線圈，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)磁體不能提供的磁場(chǎng)強(qiáng)度和穩(wěn)定性。超導(dǎo)磁體所提供的超強(qiáng)磁場(chǎng)將有助于實(shí)現(xiàn)可控核聚變——在聚變堆內(nèi)部，溫度高達(dá)上億攝氏度，超過(guò)任何材料的熔點(diǎn)，因此熱核反應(yīng)工作物質(zhì)只能通過(guò)強(qiáng)磁場(chǎng)約束在反應(yīng)區(qū)內(nèi)；巨型強(qiáng)磁場(chǎng)超導(dǎo)磁體線圈的應(yīng)用將有力推動(dòng)可控核聚變技術(shù)的實(shí)用化，為能源產(chǎn)業(yè)帶來(lái)顛覆性變革。超導(dǎo)磁體的另一個(gè)重要應(yīng)用場(chǎng)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(guò)不斷提升超導(dǎo)線圈提供的磁場(chǎng)，可以顯著提高核磁共振成像的分辨率，實(shí)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(shì)。超導(dǎo)電子對(duì)穿過(guò)兩個(gè)超導(dǎo)體之間的絕緣夾層時(shí)會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的干涉效應(yīng)，即約瑟夫森效應(yīng)。這種隧穿對(duì)外磁場(chǎng)的響應(yīng)極為靈敏?；诩s瑟夫森效應(yīng)設(shè)計(jì)的超導(dǎo)量子干涉器件，能夠探測(cè)地球磁場(chǎng)幾十億分之一的微弱磁場(chǎng)變化，被廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)、地質(zhì)勘探中的磁性測(cè)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(cè)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(wú)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(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。約瑟夫森效應(yīng)也被用于設(shè)計(jì)超導(dǎo)量子比特，成為量子計(jì)算機(jī)的基本單元；超導(dǎo)量子計(jì)算在過(guò)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(gè)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(huì)成為解決目前半導(dǎo)體集成電路功耗問(wèn)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(guò)高等挑戰(zhàn)。由于未來(lái)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(jí)而急劇增加，超級(jí)計(jì)算機(jī)所需的大空間、高功耗和高散熱正制約著算力的進(jìn)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(jí)計(jì)算機(jī)能耗降低五個(gè)量級(jí)，速度可以提升兩個(gè)量級(jí)，且工藝和設(shè)計(jì)上與半導(dǎo)體技術(shù)相互兼容。因此，超導(dǎo)計(jì)算機(jī)的開發(fā)將為應(yīng)對(duì)能耗問(wèn)題提供一個(gè)可行的出路。

自超導(dǎo)現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，室溫超導(dǎo)體就是人類的一個(gè)長(zhǎng)期夢(mèng)想。目前，并不存在可靠的理論證明室溫超導(dǎo)不會(huì)存在，而超導(dǎo)材料探索中的多次驚喜也一步步打破對(duì)追求室溫超導(dǎo)的限制。近年來(lái)，人們?cè)诟邏合碌母粴浠衔镏袑?shí)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(duì)材料探索、設(shè)計(jì)、合成和控制能力的不斷提升，超導(dǎo)材料的探索進(jìn)程極大加速，室溫超導(dǎo)之夢(mèng)已非遙不可及。中國(guó)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(jī)遇，再接再厲、勇攀高峰，爭(zhēng)取更多科學(xué)突破，為我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展貢獻(xiàn)科技力量。

（作者為中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系教授陳仙輝）

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來(lái)源：人民日?qǐng)?bào)（2023-11-03 第20版）

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