來源：中國軍網(wǎng)-解放軍報 責(zé)任編輯：王一亙 發(fā)布：2025-04-18 07:08:12
超導(dǎo)材料——
電力高速公路上的“零能耗跑車”
■姚昌松 李佳銳
超導(dǎo)體的“完全抗磁性”使磁石在空中懸浮。資料圖片
3月4日，芬蘭推出歐洲首臺50量子比特超導(dǎo)量子計算機(jī)，引發(fā)廣泛關(guān)注。
何謂超導(dǎo)？這個概念想來大家并不陌生。
超導(dǎo)材料具有獨(dú)特的絕對零電阻、完全抗磁等物理特性。在需要突破傳統(tǒng)功能材料電磁能力極限的地方，超導(dǎo)材料具有不可替代的作用。
在科幻電影《阿凡達(dá)》中，潘多拉星球正是因其盛產(chǎn)天然超導(dǎo)礦石“Unobtanium”，才成為人們向往的資源圣地。
電影中的礦石雖然是虛構(gòu)的，卻象征著人類對能源革命的追求。
如今，科幻的夢想正逐步照進(jìn)現(xiàn)實(shí)：從醫(yī)療領(lǐng)域的超導(dǎo)磁共振成像技術(shù)，到電網(wǎng)中已經(jīng)投入運(yùn)行的高溫超導(dǎo)電纜，超導(dǎo)材料技術(shù)的每一步突破都在縮短想象與現(xiàn)實(shí)之間的距離。如果將電力運(yùn)輸比作“高速公路”，那么超導(dǎo)材料就是這條公路上的“零能耗跑車”。
超導(dǎo)材料技術(shù)的進(jìn)步有哪些重要意義？將給人們未來的生活帶來哪些改變？其發(fā)展前景如何？請看本期關(guān)注。
百余年發(fā)現(xiàn)歷程
超導(dǎo)材料的神奇“魔力”，要從它獨(dú)特的物理特性說起。
在特定臨界條件下，超導(dǎo)體能夠呈現(xiàn)兩種令人驚嘆的現(xiàn)象。首先是“絕對零電阻”——電流可在其中流動而不產(chǎn)生任何能量損耗；其次是“完全抗磁性”——外部磁場被完全排斥，在材料周圍形成一道無形的磁力屏障。這兩個獨(dú)特的物理特性，使超導(dǎo)材料成為物理學(xué)和材料科學(xué)領(lǐng)域的“寵兒”。
超導(dǎo)材料的發(fā)現(xiàn)始于1911年。
當(dāng)時，一次實(shí)驗(yàn)，荷蘭物理學(xué)家昂內(nèi)斯在接近絕對零度的液氦環(huán)境（-268.98℃）中，觀察到一個神奇的現(xiàn)象：汞的電阻完全消失，導(dǎo)電性大大增強(qiáng)。
這一發(fā)現(xiàn)，拉開了超導(dǎo)材料研究的序幕。
科學(xué)界將這種現(xiàn)象概括為“超導(dǎo)現(xiàn)象”：某些材料在溫度降低到某一特定值后，電阻會變?yōu)榱?，而轉(zhuǎn)為超導(dǎo)體的溫度就是臨界溫度。
1957年，3位美國科學(xué)家巴丁、庫鉑、施里弗提出超導(dǎo)微觀理論，取得了自發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象以來的最大成就。物理學(xué)家基于這一理論，推斷超導(dǎo)體的臨界溫度存在一個約為-233℃的上限，這個上限后來被人們稱為“麥克米蘭極限”。
臨界溫度過低限制了超導(dǎo)材料的實(shí)際應(yīng)用，物理學(xué)家們很快認(rèn)識到，提高臨界溫度是實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)材料實(shí)用化的關(guān)鍵。
1987年2月，美國休斯敦大學(xué)朱經(jīng)武團(tuán)隊和中國科學(xué)院物理研究所趙忠賢團(tuán)隊，相繼在釔鋇銅氧材料上發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象，并把臨界溫度提高到-180.15℃以上。
2015年，科學(xué)家相繼在氫基超導(dǎo)材料和鎳氧化物體系中發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象，這些突破不僅將臨界溫度提升至干冰溫區(qū)（-78.5℃）以上，也標(biāo)志著人類對超導(dǎo)體的探索進(jìn)入新階段。
最終，科學(xué)家們總結(jié)出了提高超導(dǎo)材料臨界溫度的2個技術(shù)方向。
一方面，通過對材料施加極大壓力，讓其在高壓環(huán)境下改變特性，成為超導(dǎo)體。目前，這一路徑雖已取得顯著突破，但還停留在實(shí)驗(yàn)室中，且成本較高，很難轉(zhuǎn)化到實(shí)際應(yīng)用中。
另一方面，各國眾多研究團(tuán)隊致力于尋找在常壓條件下穩(wěn)定存在的新型超導(dǎo)化合物材料。
今年2月，我國南方科技大學(xué)、粵港澳大灣區(qū)量子科學(xué)中心與清華大學(xué)聯(lián)合組成的研究團(tuán)隊在高溫超導(dǎo)領(lǐng)域取得了一項重大突破。
他們使鎳基材料成為第三類在常壓下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)的材料體系，為解決高溫超導(dǎo)機(jī)理的科學(xué)難題提供了全新突破口，相關(guān)成果已發(fā)表于學(xué)術(shù)期刊《自然》上。
常溫超導(dǎo)是目標(biāo)
一般來說，很多材料要在-250℃以下才能實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)狀態(tài)。
自1911年超導(dǎo)現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)以來，找到溫度更高、更適于應(yīng)用的超導(dǎo)體，成為無數(shù)科學(xué)家競相追逐的目標(biāo)。
在超導(dǎo)材料領(lǐng)域，能夠在-233℃以上實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)狀態(tài)就屬于高溫超導(dǎo)材料。目前，超導(dǎo)材料主要劃分為高溫超導(dǎo)材料、低溫超導(dǎo)材料和常溫超導(dǎo)材料3種類別。
低溫超導(dǎo)材料是最早實(shí)現(xiàn)技術(shù)落地的超導(dǎo)材料類型。穩(wěn)定的性能和成熟的制備工藝使低溫超導(dǎo)材料成為當(dāng)前超導(dǎo)技術(shù)產(chǎn)業(yè)的主力軍。
以鈮鈦合金和鈮三錫為代表的兩種低溫超導(dǎo)材料，已在多個領(lǐng)域展現(xiàn)出不可替代的價值。盡管需要利用價格高昂的液氦冷卻系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)，但鑒于在強(qiáng)磁場精密測量與高能物理實(shí)驗(yàn)中的不可替代性，鈮鈦合金、鈮三錫等低溫超導(dǎo)材料始終是超導(dǎo)技術(shù)的重要載體之一。
在醫(yī)療領(lǐng)域，核磁共振成像儀（MRI）依助鈮鈦合金低溫超導(dǎo)線圈產(chǎn)生穩(wěn)定的強(qiáng)磁場，其成像精度可達(dá)亞毫米級，使早期診斷發(fā)現(xiàn)腫瘤成為可能；
在基礎(chǔ)科學(xué)探索前沿，歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）內(nèi)，9300塊低溫超導(dǎo)磁體組成27公里環(huán)形隧道的核心模塊，引導(dǎo)接近光速的粒子束對撞，助力科學(xué)家揭秘宇宙起源。
與低溫超導(dǎo)材料相比，臨界溫度突破液氮溫區(qū)的銅氧化物高溫超導(dǎo)體和新興的鐵基高溫超導(dǎo)體，為超導(dǎo)技術(shù)的廣泛應(yīng)用提供了更為經(jīng)濟(jì)可行的解決方案。
在能源領(lǐng)域，采用銅基超導(dǎo)材料的輸電系統(tǒng)可消除傳統(tǒng)電網(wǎng)近7%的能源損耗。這不僅意味著全球每年可節(jié)約幾乎相當(dāng)于三峽電站全年發(fā)電量的電能，還為可再生能源的遠(yuǎn)距離輸送掃清技術(shù)障礙。同時，超導(dǎo)電纜的能量密度比傳統(tǒng)銅纜高出近十倍，這意味著，在相同空間內(nèi)，超導(dǎo)電纜可以輸送更多電力，為城市電網(wǎng)升級提供理想的解決方案。
在電力儲存方面，高溫超導(dǎo)材料的磁能儲存系統(tǒng)（SMES）能以近乎完美的效率存儲電能，并在毫秒級響應(yīng)時間內(nèi)釋放電能，這為智能電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供堅實(shí)保障。
高溫超導(dǎo)材料也在量子技術(shù)領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢。
一方面，超導(dǎo)量子干涉儀（SQUID）能探測到人體內(nèi)產(chǎn)生的微弱磁場，為無創(chuàng)腦功能檢測開辟了新路徑；另一方面，在量子通信領(lǐng)域，基于高溫超導(dǎo)材料制造的納米線單光子探測器如同數(shù)字世界的“光子捕手”，能以近乎完美的效率精準(zhǔn)捕捉單個光量子信號，探測效率最高可達(dá)98%，為量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)筑起牢不可破的安全屏障。
另外一種類型的常溫超導(dǎo)材料，旨在追求接近室溫、常壓環(huán)境下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)狀態(tài)。
截至目前，雖然真正意義上的常溫常壓超導(dǎo)材料尚未被證實(shí)存在，但其作為科學(xué)探索的目標(biāo)，已在理論和實(shí)驗(yàn)層面取得了突破性進(jìn)展。而每一次對臨界溫度的突破，都刷新著人類對物理極限的認(rèn)知，引發(fā)全球科研界的實(shí)驗(yàn)復(fù)現(xiàn)驗(yàn)證熱潮。
目前，從理論探索角度看，人工智能輔助材料的設(shè)計正在加速超導(dǎo)材料的篩選進(jìn)程。
借助深度學(xué)習(xí)算法，研究人員可以實(shí)現(xiàn)對超導(dǎo)材料結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的精確建模，能夠從數(shù)萬種理論可能的化合物中快速鎖定具有潛在常溫超導(dǎo)特性的候選材料，大幅縮短從理論推測到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的時間周期。
有學(xué)者表示，這種智能化超導(dǎo)材料設(shè)計方法正在重塑傳統(tǒng)材料研發(fā)模式，為常溫超導(dǎo)的實(shí)現(xiàn)提供了全新技術(shù)路徑。
挑戰(zhàn)與機(jī)遇并存
試想這樣幾個場景——
超導(dǎo)磁懸浮列車的懸浮間隙突破厘米級限制，擺脫了對精密軌道的依賴，時速可達(dá)1000公里，如同磁力編織的空中走廊，融入現(xiàn)有交通網(wǎng)絡(luò)。每天乘坐超導(dǎo)磁懸浮列車上班的你，通勤時間大幅縮短；
基于超導(dǎo)量子比特構(gòu)建的百萬位量子計算機(jī)成為現(xiàn)實(shí)，只需要數(shù)小時，工作人員就能夠完成藥物分子的全構(gòu)象模擬，進(jìn)而使開發(fā)個性化癌癥疫苗成為可能。而對比傳統(tǒng)超級計算機(jī)，其對藥物分子的全構(gòu)象模擬的運(yùn)算時間往往需要若干年；
依托超導(dǎo)單光子探測器的量子加密通信網(wǎng)絡(luò)，研發(fā)人員理論上可以構(gòu)建無法破譯的全球安全傳輸體系，帶領(lǐng)金融交易和數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)入絕對可信時代，你在進(jìn)行金融交易時再也不用擔(dān)心交易有風(fēng)險……
這些場景的實(shí)現(xiàn)，都需要基于未來某一天，科學(xué)家能掌握成熟的常溫常壓超導(dǎo)技術(shù)?？茖W(xué)界普遍認(rèn)為，合成常溫常壓下的超導(dǎo)體預(yù)示著“第四次科技革命”的到來。
這句話也足以體現(xiàn)，掌握常溫常壓超導(dǎo)技術(shù)的難度。
到目前為止，科學(xué)家們尚未在常溫常壓下實(shí)現(xiàn)真正意義上的室溫超導(dǎo)，許多發(fā)現(xiàn)的室溫超導(dǎo)材料都需要限定在極高的壓力條件下才能表現(xiàn)出超導(dǎo)特性。
例如，2020年10月，美國迪亞茲團(tuán)隊宣布其在267萬個大氣壓下，實(shí)現(xiàn)了臨界溫度為15℃的超導(dǎo)現(xiàn)象。但由于實(shí)驗(yàn)條件極端且難以復(fù)現(xiàn)，該研究成果受到質(zhì)疑，相關(guān)論文也被撤回。
2023年7月，韓國科研團(tuán)隊宣布其發(fā)現(xiàn)了名為LK-99的材料，聲稱這種材料在常溫常壓下具有超導(dǎo)特性。然而，全球多家實(shí)驗(yàn)室對其研究成果復(fù)驗(yàn)，該發(fā)現(xiàn)的可信度存疑。
我們可以看到，如今，超導(dǎo)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用潛力尚未完全釋放。經(jīng)過總結(jié)和驗(yàn)證，科研人員將主要制約因素概括為兩個方向的挑戰(zhàn)。
——材料性能限制。
以氫化鑭材料為例。在極端高壓條件下，該材料在-23℃就能實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)。而如果將氫化鑭材料放置在常壓環(huán)境下，其超導(dǎo)臨界溫度會驟降至干冰溫區(qū)；又如，陶瓷超導(dǎo)材料的脆性問題，決定了這種材料難以加工成柔性線材。
——承載能力和工程領(lǐng)域的制約。
首先，鉍系、釔系等超導(dǎo)材料每公斤數(shù)千美元的制造成本及原子級精密工藝要求，構(gòu)成了商業(yè)化應(yīng)用的現(xiàn)實(shí)矛盾；其次，一些超導(dǎo)材料在大電流的強(qiáng)磁場環(huán)境下，超導(dǎo)狀態(tài)容易被破壞，這對超導(dǎo)材料在核聚變裝置等極端場景的應(yīng)用中將形成制約。
不過，盡管挑戰(zhàn)重重，超導(dǎo)材料領(lǐng)域的每一次微小突破，都勾勒出讓人振奮的未來圖景。超導(dǎo)材料的發(fā)展代表了材料科學(xué)領(lǐng)域的巨大飛躍，是人類探索自然極限、突破認(rèn)知邊界的重要體現(xiàn)。
也許在不久后的將來，超導(dǎo)礦石“Unobtanium”會在我們這顆藍(lán)色星球的某間實(shí)驗(yàn)室中誕生，解鎖另一種屬于人類的科技文明密碼。
