※超导的应用与未来

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1、神奇的超导：超导的应用与未来超导的应用和已经成熟的半导体工业相比，超导的应用，特别是高温超导体的应用，很多还处于刚刚起步的阶段，但其蕴含的巨大潜力仍期待人们去开发和挖掘。超导体可以用于信息通信、强稳恒磁场、工业加工、无损耗输电、生物医学、磁悬浮运输和航空航天等领域。目前超导应用主要分强电应用和弱电应用两个方面。强电应用 超导体在低温下可以实现稳定的零电阻超导态，这意味着超导线圈可以通过较大的电流而无焦耳热的产生。一方面，我们可以采用超导输电线进行远距离输电，从而大大降低输电过程的损失。目前采用铜或铝导线的输电损耗约为15%，我国每年的输电损耗就达一千亿度左右，如果采用超导输电线就可以节省相当于

2、数十个发电厂的电力。采用超导输电还可以简化变压器、电动机和发电机等热绝缘并保证输电的稳定性，提高输电的安全性。鉴于超导体的零电阻和高电流传输密度的特性，美国计划采用超导电缆将三大电网（东部电网，西部电网和德克萨斯电网）之间实现有效互联。另一方面，如果给闭合超导线圈通上电流，就可以维持较强的稳恒磁场，这便是超导磁体。常规稳恒磁体要实现强磁场就必须采用非常粗的铜导线，并将其泡在水中冷却，这使得磁体体积特别庞大，而且必须持续不断地通上电流，消耗更多的电能。相比之下，超导磁体具有体积小、稳定度高、耗能少等多种优势。正因如此，在生物学研究和临床医学上采用的高分辨核磁共振成像技术大都是采用超导磁体；在科学

3、研究中一些物性测量系统的稳恒磁体也是采用超导材料制成的，一些大型粒子加速器的加速线圈也常采用超导磁体，例如欧洲大型强子加速器LHC的加速磁体和探测器都采用了超导磁体；作为未来能源问题突破口之一的磁约束受控核聚变（人工托克马克），超导技术更将发挥不可替代的作用；跟常导磁悬浮技术相比，采用超导磁悬浮技术的磁悬浮列车将更为高速、稳定和安全。这是因为超导体内杂质和缺陷对进入体内的部分磁通线具有钉扎作用，因此它在因抗磁性而产生磁悬浮效应的同时，还能够磁约束住悬浮着的磁体，一旦磁体远离超导体，超导体还会将磁体“拉住”，因此超导磁悬浮物体运动过程是十分稳定的，一些演示用的超导磁悬浮小车甚至能够侧贴甚至倒挂在

4、超导导轨上运动。另外，超导体一旦失去超导电性进入正常态，完全抗磁性将立刻消失，无摩擦的超导磁悬浮铁轨将恢复成有摩擦的正常铁轨，这对于紧急情况下列车制动非常有效。除了超导输电和超导磁体这两种强电应用外，利用超导转变时的电阻变化，还可以研制超导限流器，用以维护电网的安全。超导体的各种应用目前使用的超导线材主要有NbTi和Nb3Sn合金，需要采用液氦进行冷却，但其加工工艺相对比较成熟，金属的良好延展性让其能够制备成各种形状的线材，中国已经有不少公司能够生产合金超导线。铜氧化合物高温超导输电线和磁体也处于试用阶段，采用液氮冷却可以大大降低成本。 不过铜氧化合物为陶瓷材料，脆性强、可塑性差、可承载的电流

5、密度也较低，大规模应用推广尚需解决技术和成本的问题。相同直径的电缆，高温超导体电缆的电能传输能力是一般铜芯电缆的5倍以上，具有一定的优势。2012年1月开始，德国准备铺设一条长达一千米的高温超导输电试验线路，该“AmpaCity”项目为期四年。此外，MgB2材料因其具有较大的临界电流密度、造价低廉、其超导临界温度（约39 K）进入了液氢温区，是未来超导强电应用的重要材料之一。如果能将MgB2材料为基础的超导磁体商业化，核磁共振成像仪中的超导磁体体积将大大减小，价格也更为低廉。届时医学核磁共振检查将如同现在X射线胸透一样方便快捷，开一个普通的体检车即可以到农村做核磁共振体检。人们甚至大胆设想，通

6、过太阳能和风能发电，采用超导电缆和液氢一起输入到千家万户，利用清洁能源，既节省了电能，又提供了清洁的燃料，是未来能源危机的解决方案之一。弱电应用 1962年，当时还是研究生的约瑟夫森（B. D. Josephson）在安德森（P. W. Anderson）的鼓励下从理论上证明了超导隧道结中存在约瑟夫森效应，即超导电子对可以隧穿两个超导体之间很薄的绝缘层，其隧穿电压敏感依赖于外加磁场。利用约瑟夫森效应制备的超导量子干涉仪（SQUID）是最为精确的微弱磁场探测器之一，最高精度达到51018 T。利用SQUID可以进行高精度的磁测量，它能够检测出地球磁场的几亿分之一的变化，也能够探测109 T 到

7、106 T之间的生物磁场，心磁图和脑磁图也是未来医学诊断中在心电图和脑电图之外的有效补充检查手段之一。灵敏的磁探测器能够大大促进生物磁的研究，比如“飞鸽传书”靠的就是鸽子头部和啄部对地磁场的灵敏感应来准确判断飞行方向，海豚、金枪鱼、海龟、候鸟、蝴蝶甚至某些微生物内，都有微小磁体，它们具体是如何影响生物功能的，至今尚不清楚。基于SQUID技术，人们还可以设计超导量子比特器件，是量子计算机的基本元件之一，而量子计算机的多通道快速并行计算将为未来的人类生产和生活带来革命性的变化。2012年3月，IBM研究院的科学家正式宣布一次可进行百万项计算的量子计算机研制成功。也许在不遥远的将来，传统计算机一整天

8、的运算量在量子计算机上只要一秒，最终量子计算机将成为信息时代的主角。此外，世界上最精密的模数转换器和最精密的陀螺仪也是采用超导材料制备的。高温超导微波器件是采用高温超导薄膜为波导材料制备的微波滤波器、超导天线及微波子系统等。高温超导滤波器具有很高的信噪比，比传统滤波器的性能有很大的提高。在军事和国防领域，超导滤波器可用于卫星和雷达通讯，在民用领域，可以服务于移动通信。目前，我国的部分移动通信基站已经开始采用铜氧化合物高温超导滤波器，高温超导滤波器已经悄然开始了产业化和规模化生产和应用。也许在您使用3G手机网上冲浪的时候，超导技术已经悄然在为您服务。超导体有许多神奇的性质，目前的超导应用仅仅利用

9、了零电阻、完全抗磁性和超导相位相干等几个最主要的物理特征。由于我们对非常规超导体展现出的新奇量子现象还缺乏理解，微观量子态的应用上更是十分稀少。随着超导研究的深入，新的超导材料也必将会被发现并应用。如同半导体的发现和应用让人类社会发生翻天覆地的变化一样，超导的应用前景也将会十分乐观，并给人类带来无尽的福祉。超导研究的未来自1911年超导发现以来，在超导研究的百年历史上共有十人获得了五次诺贝尔物理学奖：1913年昂内斯因氦气的成功液化和超导的发现获奖；1972年巴丁、库珀、施里弗因常规金属的超导微观理论BCS理论获奖；1973年约瑟夫森和贾埃弗因超导隧道结中的约瑟夫森效应理论预言及实验研究与江崎

10、（L. Esaki）分享诺贝尔奖；1987年柏诺兹和缪勒因铜氧化合物高温超导材料的发现而获奖；2003年阿布里科索夫和金茨堡因超导唯象理论和预言量子磁通涡旋与莱格特（A. J. Leggett）分享诺贝尔奖（图12）。其中巴丁是历史上唯一获得两次诺贝尔物理学奖的科学家（除他以外仅有居里夫人分别获诺贝尔物理学奖和化学奖各一次），前一次是因为半导体晶体管的发明。我们完全可以乐观地预见，在未来的超导研究还会有更多的诺贝尔奖诞生，这也正说明超导研究是凝聚态物理中长盛不衰的热门领域。未来的超导研究主要集中在三个方面：一是不断提高现有的实用超导材料制备工艺，改善超导器件的性能指标，提高制冷系统的性能，推进

11、超导产业的市场化和规模化；二是不断探索更适合应用的超导材料，如具有较高的Tc，较大的临界电流密度、.超导研究史上获得诺贝尔奖的十位物理学家良好的韧性和塑性，廉价的原料和简易的合成方法等；三是研究清楚现有超导体的微观机理，为寻找新的超导体提供必要的理论指导。三个方面是相辅相成的。寻求更高Tc的超导体是超导研究的重要目标之一。铜氧化物超导体的Tc在高压下已经达到了160 K，我们完全有理由相信更高Tc的超导体会在不久的将来被发现。室温300 K下的超导体也不仅仅是个梦想：现在没有理论证明它能实现，也没有理论证明它不能实现。理论家已经预言，在足够强的压力下（大于400 GPa）氢将可能被压缩成金属态

12、形成金属氢，它可能是一个室温超导体。另一个被预言的可能室温超导体是碱金属或者碱土金属掺杂的单层石墨烯，这将在超导器件应用上大有用武之地。超导发现的历史告诉我们，超导材料探索之路需要打破常规，充满种种意外和惊喜，我们根本难以预测下一个超导体会是什么类型的材料，这也正是超导研究始终焕发魅力的秘密所在。建立完善的超导微观理论以获得对超导特性的全面理解也是超导研究的重要任务之一。目前人们把能够用BCS理论描述的超导体称为常规超导体，而其他超导体如铜氧化物超导体、铁基超导体、有机超导体和重费米子超导体等统称为非常规超导体。在非常规超导体中，库珀对的概念仍然适用，只是能隙结构也即配对对称性开始多元化；配对

13、的媒介也从声子扩展到其他可能的机制上；电子配对和相位相干也不再要求同时发生。总之，似乎BCS理论描述的仅是特殊的常规金属超导体，而对于普遍性的其他非常规超导体，或许更需要一个更加普适的理论来进行描述。超导研究是一个充满挑战和机遇的领域，它激起了世界上许多优秀的实验物理学家和聪明的理论物理学家的浓厚兴趣，挑战着人们对现有物理框架和物理概念的理解，也丰富了我们对大自然的认识。尽管超导的发现已有百余年的历史，但对超导材料和超导物理的研究，仍然是凝聚态物理最活跃最重要的领域之一。我们还应该注意到，越来越多的中国人和华人的身影不断加入到超导研究的队伍之中来。他们的研究成果也愈加受到科学界的重视并确实推进了对超导本质的理解，新的超导材料正在不断地被他们发现，超导应用也在中国开始蓬勃发展。中国应该对超导研究和应用做出更大的贡献，我们共同对中国超导研究的美好未来充满期待！