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院士科普 | 超导研究为何让科学家们“追”了一百年?

来源:光明网-科普中国2025-07-21 09:40

  很多人第一次听到“超导”,可能会觉得陌生。简单说,超导就是某些材料在特定条件下电阻突然消失的现象。1911年,荷兰物理学家昂内斯发现水银在极低温下电阻为零,揭开了超导研究的序幕。这可不是小发现——没有电阻,电流就能毫无损耗地传输,能量效率会达到前所未有的高度。

  超导材料的另一重要特性是“完全抗磁性”。处于超导状态的材料会将内部磁场完全排斥在外,这种“迈斯纳效应”让磁悬浮成为可能。医院里的核磁共振仪之所以能产生强大且稳定的磁场,正是得益于超导磁体的应用——利用超导材料制造的线圈可以产生常规材料无法比拟的强磁场,同时避免了能量损耗带来的发热问题。

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中国科学院院士、上海交通大学李政道研究所副所长丁洪

  超导研究史上的里程碑之一出现在1986年。这一年,科学家发现了在液氮温度(-196℃)下就能实现超导的铜氧化物材料,这一突破被称为“高温超导”。这里的“高温”是相对概念——相比此前需要接近绝对零度(-273℃)的低温超导材料,液氮温度已属于易于实现的条件,但距离日常应用仍有差距。

  高温超导面临两大核心挑战。首先是机理之谜。1957年的BCS理论完美解释了低温超导现象,其核心是电子通过晶格振动形成库珀对。但高温超导材料中电子间的相互作用远比低温超导复杂,呈现出强烈的“强关联”特性,几百种理论假说至今没有一种能完全解释其超导机制。这种理论困境如同隔着迷雾观察舞蹈——我们能看到电子的集体运动,却无法破译其背后的指挥逻辑。

  其次是应用瓶颈。高温超导材料多为陶瓷性质,缺乏金属的延展性,难以加工成实用的线材或线圈。在核聚变等领域,虽然高温超导带材已开始应用(如上海超导生产的带材供不应求),但如何让材料在保持超导特性的同时具备良好的机械性能,仍是工程师们需要攻克的难题。

  尽管存在挑战,超导的应用已在多个领域崭露头角。医疗领域,核磁共振成像(MRI)依靠超导磁体提供的稳定强磁场,实现了对人体内部结构的高精度成像;能源领域,超导电缆能大幅降低输电损耗,在远距离大容量电力传输中具有不可替代的优势;交通领域,超导磁悬浮列车利用完全抗磁性实现无接触运行,理论时速可达600公里以上。

院士科普 | 超导研究为何让科学家们“追”了一百年?

超导电动高速磁浮列车在国家铁道实验中心现场展示

  最令人期待的应用当属核聚变。可控核聚变被视为“终极能源”,而其实现很可能离不开强磁场约束高温等离子体。高温超导材料制造的磁体系统,能在更小的体积内产生更强的磁场,是未来聚变反应堆的核心部件。目前,全球多个核聚变项目已明确采用高温超导技术,这一应用或将在未来20年内走向商业化。

  展望未来5-10年,超导领域有望迎来两大突破。一是更高温度超导材料的发现。目前已知的最高温超导材料在高压下可达到-13℃,虽仍需高压条件,但已接近室温。科学家正通过设计新型晶体结构、探索多元化合物等方式,寻找能在常压下实现高温超导的材料,一旦成功,将彻底改变能源、交通等行业的格局。

  二是拓扑超导的实用化。拓扑超导材料具有独特的“拓扑保护”特性,其表面的准粒子(如马约拉纳零能模)可用于构建容错量子比特。与传统量子比特相比,拓扑量子比特对环境干扰的抵抗力极强,出错率大幅降低,被视为实现通用量子计算机的关键。目前,全球多个团队正全力攻关,目标是在5年内造出首个拓扑量子比特,为量子计算奠定坚实基础。

  基础研究的每一步突破,都可能在未来绽放出改变世界的力量。当更高温度、更易加工的超导材料走进日常生活,人类或许将迎来一个能量高效利用、技术全面革新的新时代。

  (文章系未来科学大奖十周年庆典期间光明网采访丁洪院士的内容,记者宋雅娟、蔡琳采访整理。来源:科普中国·科学报国正当时)

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