超導(dǎo)技術(shù)探索：下一個(gè)改變文明走向的技術(shù)革命？

超導(dǎo)是指材料在一定溫度條件（一般為較低溫度）下電阻變?yōu)榱愕默F(xiàn)象，超導(dǎo)電性從被發(fā)現(xiàn)至今已有百年的歷史，已經(jīng)成為物理學(xué)的重要分支。此外，與超導(dǎo)相關(guān)的諾貝爾獎(jiǎng)也已經(jīng)被授予過五次，超導(dǎo)材料應(yīng)用已經(jīng)在很多方面發(fā)揮出不可替代的作用。

早期研究以低溫超導(dǎo)材料為主，高溫超導(dǎo)材料目前也已經(jīng)在電力、醫(yī)療、交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)得到應(yīng)用與發(fā)展。但是，超導(dǎo)的規(guī)?；瘧?yīng)用還遠(yuǎn)沒有實(shí)現(xiàn)，特別是銅氧化合物高溫超導(dǎo)和鐵基超導(dǎo)的機(jī)理仍未明確。因此，科研工作者還在努力，在探索超導(dǎo)材料方面繼續(xù)創(chuàng)新。最近，超導(dǎo)又一次成為科學(xué)圈的熱門話題。

在美國物理學(xué)會(huì)三月會(huì)議（APS March Meeting）上，美國羅切斯特大學(xué)的物理學(xué)家 Ranga Dias 及其團(tuán)隊(duì)發(fā)布最新研究成果稱：新材料在約 21℃ 的室溫條件下，加壓到 1 萬個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓就會(huì)出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象。Dias 團(tuán)隊(duì)宣稱，他們發(fā)現(xiàn)的近常壓的室溫超導(dǎo)材料，是由氫、氮、镥三種元素組成的一種三元?dú)浠?。Dias 團(tuán)隊(duì)在 2020 年 10 月發(fā)表的一篇類似論文曾飽受質(zhì)疑，該文登上 Nature 封面。

經(jīng)過一番調(diào)查之后，2022 年 Nature 還是撤回了這篇論文。而最近，Dias 向 Nature 提交了一份新手稿，稱他在實(shí)驗(yàn)中重復(fù)了碳質(zhì)硫氫化物里的高溫超導(dǎo)性，他堅(jiān)稱這將消除過去的指控。迪亞斯還表示，他與 Nature 分享了他所有的原始數(shù)據(jù)。

因此，對(duì)于 Dias 此次的“新成果”來說，是真是假，依然需要觀望。如果這種新型的室溫超導(dǎo)體是真的，它將改變幾乎所有使用到電能的技術(shù)，并將為電子設(shè)備、磁懸浮列車和核聚變發(fā)電廠帶來全新的可能性。如前所述，只要能實(shí)現(xiàn)室溫超導(dǎo)體必將帶來多方面的變革。

關(guān)于超導(dǎo)材料的應(yīng)用前瞻，我們?cè)?qǐng)中國科學(xué)院物理研究所研究員、科普作家羅會(huì)仟做過一場(chǎng)主題報(bào)告，現(xiàn)將舊文（演講文字稿）分享，為熱烈的探討帶來一絲啟發(fā)。

超導(dǎo)到底是什么樣的材料？

首先從電開始說起，現(xiàn)在的社會(huì)實(shí)際已經(jīng)離不開電了，電在未來是不可或缺的資源，但我們?cè)谟秒姷倪^程中會(huì)產(chǎn)生電的損耗。比如用高壓輸電的方式把發(fā)電廠的電輸送到家里，長(zhǎng)距離輸送后電損耗了 15% 以上。大家不要小看這 15%，如果把這 15% 節(jié)約下來，現(xiàn)在的能源也許可以多用 50 年、上百年，我們的子孫后代也許能夠更好地利用資源，也許我們可以度過地球的能源危機(jī)。

所以如何善用電呢？這就要借用超導(dǎo)材料。超導(dǎo)就是超級(jí)導(dǎo)電，這種材料的導(dǎo)電性非常好，以至于它的電阻是零，也就是說電流在流動(dòng)的過程中是是零損耗的，所以說超導(dǎo)材料是讓電流更加有效的一種方式。

第一個(gè)發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)材料是金屬汞，就是常說的水銀，它的超導(dǎo)溫度很低，大概在 4.2K，零下 269 度。很多金屬材料都是超導(dǎo)材料，現(xiàn)在用的電線中作為導(dǎo)線的鋁就是超導(dǎo)體，但它在室溫下不超導(dǎo)所以存在一定的損耗。如果把電線換成超導(dǎo)材料，就可以讓電跑得更快跑得更好。

超導(dǎo)材料對(duì)科學(xué)非常重要。

比如大家總覺得粒子物理學(xué)家跟我們做凝聚態(tài)物理的好像沒什么關(guān)系，但實(shí)際有很大關(guān)系。因?yàn)榱Ｗ游锢韺W(xué)家或者高能物理學(xué)家，能幫助我們認(rèn)識(shí)人類的未知極限和從來沒有達(dá)到的能量尺度，幫助我們看有沒有新的世界出現(xiàn)。

這需要造大型的粒子加速器、對(duì)撞機(jī)，要把基本粒子撞碎找更基本的粒子，甚至找更復(fù)雜的物理的機(jī)制。造大型的對(duì)撞機(jī)把粒子加速到人類前所未到的能量尺度就需要借助超導(dǎo)材料，因?yàn)槌瑢?dǎo)材料是零電阻的并能提供非常強(qiáng)大的磁場(chǎng)，這種非常強(qiáng)大的磁場(chǎng)是加速粒子的重要的工具。

在歐洲的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)叫 LHC，希格斯粒子就是在那里發(fā)現(xiàn)的，上面有多少個(gè)超導(dǎo)磁體呢？一共有 9300 個(gè)超導(dǎo)磁體，如果沒有超導(dǎo)磁體粒子物理學(xué)家基本上什么活也干不了，所以超導(dǎo)對(duì)基礎(chǔ)科研非常重要。

圖 | 一塊磁鐵漂浮在超導(dǎo)體之上

（來源：Wikimedia Commons）

超導(dǎo)對(duì)未來的能源也非常重要。

地球上所有的能源都來自太陽，太陽是一個(gè)巨大的核聚變的氣球，它的溫度特別高，表面的溫度有幾十萬攝氏度，內(nèi)部的溫度幾千萬甚至上億攝氏度。 如果在地球上造一個(gè)所謂的人造太陽，也許地球上的人就不用再依賴化石燃料能源了，想象很美好當(dāng)然實(shí)踐起來非常困難。

但是太陽這么高的溫度拿到地球上怎么辦？我們沒有任何容器能裝這么高溫度的東西，因?yàn)橐慌鏊紩?huì)氣化，那怎么實(shí)現(xiàn)呢？

借助超導(dǎo)體提供的強(qiáng)大的磁場(chǎng)約束太陽里主要的高溫等離子體，不讓它跟任何東西接觸使它周圍都是真空，熱量傳不出來我們就比較安全，就可能實(shí)現(xiàn)人工的可控的熱核聚變，學(xué)名叫做托卡馬克，又叫人造小太陽。

在中國我們就有好幾個(gè)人造小太陽，其中在合肥的科學(xué)島上我們有個(gè)全超導(dǎo)的托卡馬克。在歐洲我們正計(jì)劃著要建造一個(gè)非常大的，叫做國際熱核聚變裝置，也叫做 ITER，據(jù)說這個(gè)裝置完全運(yùn)行就可以實(shí)現(xiàn)把一個(gè)國家的電全部解決，而人造太陽需要超導(dǎo)。

“我們每一位都有可能見證量子時(shí)代的到來！”

說到超導(dǎo)非常容易想到的是科幻，在科幻電影《阿凡達(dá)》里有座懸浮的大山，懸浮是因?yàn)樯嚼锊刂衿娴牡V石，這個(gè)礦石在那個(gè)星球的環(huán)境下就是室溫超導(dǎo)材料。

大家不要覺得那只是科幻，其實(shí)在現(xiàn)實(shí)中完全可以實(shí)現(xiàn)。如果把一塊超導(dǎo)磁放到一個(gè)大概 0.5 特斯拉的磁場(chǎng)里，就可以完全懸浮起來。這就利用了超導(dǎo)材料非常重要的磁性質(zhì)，又叫完全抗磁性。一方面超導(dǎo)體一旦變成超導(dǎo)態(tài)，這個(gè)材料就像有金鐘罩鐵布衫一樣，磁場(chǎng)進(jìn)不去而磁中心會(huì)繞著它走。另一方面非常重要的是超導(dǎo)體還能鎖住一部分磁場(chǎng)，磁力線能進(jìn)去一部分，意味著磁場(chǎng)對(duì)超導(dǎo)材料有一定的約束力。

磁懸浮可以干嘛？

最直接的就是磁懸浮列車，我們現(xiàn)在坐的高鐵最快的速度是 450 公里每小時(shí)，如果換成全部是超導(dǎo)的磁懸浮在實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)能夠達(dá)到 600 公里每小時(shí)。

假想我們把磁懸浮列車放在一個(gè)真空的管道里，把它空氣抽掉后空氣阻力也沒了可以跑得更快，快到什么程度？快到比飛機(jī)還快，理論上真空中的超導(dǎo)磁懸浮列車可以跑到 3000 公里每小時(shí)以上，以后北京到上海只需要半個(gè)小時(shí)！

那跑這么快安全嗎？

超導(dǎo)磁懸浮列車比常規(guī)磁懸浮列車更加安全，因?yàn)槌Ｒ?guī)磁懸浮列車靠的是磁極的相吸或者相斥，一旦偏離平衡點(diǎn)很容易脫軌。但超導(dǎo)磁懸浮磁通線實(shí)際上進(jìn)去了一部分，磁場(chǎng)跟超導(dǎo)材料有一定的相互作用，一旦偏離軌道會(huì)把它拉回來。如果想制動(dòng)，就把這個(gè)材料升溫變得不超導(dǎo)，它就馬上落到軌道上產(chǎn)生摩擦制動(dòng)。所以超導(dǎo)磁懸浮列車比傳統(tǒng)的磁懸浮列車更安全也更快捷。

這是對(duì)我們生活的改變，再想遠(yuǎn)一點(diǎn)就是通訊。

十年前用非智能手機(jī)打電話時(shí)，經(jīng)常發(fā)生串號(hào)的情況，是因?yàn)閯e人打電話頻率跟你的重疊，以前的濾波效果非常差。而利用阻抗很強(qiáng)的超導(dǎo)材料就可以造一個(gè)超導(dǎo)濾波器，它可以抗干擾，其實(shí)我們已經(jīng)把這個(gè)超導(dǎo)濾波器放到天上去了，在天宮二號(hào)上就放了一個(gè)超導(dǎo)濾波器。當(dāng)然超導(dǎo)濾波器不是用來跟外星人通訊，而是我們自己有一些比較秘密的通訊，不能讓大家知道的，可以說超導(dǎo)讓通訊更加安全。

另一方面超導(dǎo)還會(huì)讓量子應(yīng)用變得更加日常。

量子是一切微觀粒子的總稱，超導(dǎo)材料的第三個(gè)性質(zhì)就是超導(dǎo)現(xiàn)象，一種宏觀量子效應(yīng)，本質(zhì)是因?yàn)榈蜏貢r(shí)電子發(fā)生了量子效應(yīng)，然后電子配對(duì)、凝聚，再形成超導(dǎo)。

現(xiàn)在用的手機(jī)、電腦芯片都是半導(dǎo)體芯片，如果把半導(dǎo)體芯片換成超導(dǎo)材料，利用超導(dǎo)材料量子相干的性質(zhì)制作量子芯片，那這種芯片控制的就不是電子通過不通過了，而是某一個(gè)特殊的量子通過不通過。比如最近中國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的馬約拉納費(fèi)米子，是一個(gè)很神奇的量子態(tài)，我們可以控制它實(shí)現(xiàn)量子芯片。

如果能夠非常方便地用到超導(dǎo)材料，到底會(huì)對(duì)我們的生活、社會(huì)、科學(xué)帶來什么樣的變化？

首先最直接的就是，所有用到電的地方都可以換成超導(dǎo)材料。把整個(gè)電網(wǎng)全部換成超導(dǎo)體就不用擔(dān)心輸電會(huì)損耗了，很遠(yuǎn)的地方甚至整個(gè)地球都可以組成一個(gè)電網(wǎng)。我們可以在海上造很多發(fā)電機(jī)，把這些電全部用起來，未來可以做超級(jí)省電的超級(jí)電網(wǎng)，這是可以實(shí)現(xiàn)的其實(shí)并不遙遠(yuǎn)。

第二是把電腦芯片換成量子芯片，可以構(gòu)造量子計(jì)算機(jī)。量子計(jì)算機(jī)可以實(shí)現(xiàn)的方法有很多，那么我們把芯片簡(jiǎn)單地?fù)Q成超導(dǎo)的芯片，是最快捷最有可能實(shí)現(xiàn)的一個(gè)途徑。量子計(jì)算機(jī)聽起來很懸，好像離我們特別遙遠(yuǎn)，實(shí)際量子計(jì)算機(jī)已經(jīng)悄悄地在我們生活里出現(xiàn)了。

在幾年前，Google 買了一臺(tái)叫做 D-wave 的量子退火機(jī)，它是量子計(jì)算的原型機(jī)，現(xiàn)在 IBM 公司自己造了一臺(tái)叫 IBM Q，最近還剛剛升級(jí)變成 Q2 代，這就是嚴(yán)格意義上的量子計(jì)算機(jī)了。

雖說現(xiàn)在量子計(jì)算機(jī)還在蹣跚學(xué)步，性能也沒有那么好，但第一臺(tái)電腦誕生的時(shí)候，要堆三層樓那么高，而我們現(xiàn)在用的任何一臺(tái)手機(jī)都能超過第一臺(tái)電腦的運(yùn)算能量，所以科技的發(fā)展是不可想象的。

中國在量子通訊中是走在世界前列的，我們發(fā)射了世界上第一顆量子衛(wèi)星叫做墨子號(hào)，可以利用量子衛(wèi)星發(fā)射的光傳輸量子信號(hào)，這兩束光是有糾纏的，可以配一個(gè)保密的鑰匙，中間截獲信息是沒用的只有知道鑰匙密碼的人才知道傳遞什么信息，所以它是一種非常保密的通訊手段。

但要實(shí)現(xiàn)這種量子通訊，其實(shí)有個(gè)非常關(guān)鍵的地方，就是接收天上的衛(wèi)星發(fā)出的光，而且要非常精確地把每一個(gè)光子都收到，也就是地上的探測(cè)器是單光子探測(cè)器。

現(xiàn)在用的單光子探測(cè)器，主要用的是半導(dǎo)體硅，硅的效率相對(duì)值比較低，如果用超導(dǎo)材料做單光子探測(cè)器，探測(cè)效率至少可以達(dá)到 90% 以上，雖然成本要高一點(diǎn)但可以大大提高探測(cè)效率，提高量子通訊的快捷方便和安全性。

在生活中，我們可以在家里造一個(gè)磁懸浮沙發(fā)，躺在一個(gè)云朵的沙發(fā)上愜意地看電視；出門可以開磁懸浮汽車，速度可以非?？?；天上甚至可以造一個(gè)磁懸浮的飛碟一樣的環(huán)，可以把樓造到天上去，不需要蓋地基了。未來的家居、出行都可能會(huì)帶來很深切的改變。

另外超導(dǎo)還可以造一個(gè)非常輕便的發(fā)動(dòng)機(jī)，這種發(fā)動(dòng)機(jī)不僅輕便，而且非常節(jié)約能源。我們可以造一個(gè)超級(jí)續(xù)航的核潛艇，潛到以前從來沒有到過的深海里去，去看一看海溝里究竟有沒有住著美人魚。

除了下海我們還可以上天，上天不只是在地球上的航天，甚至可以走的更遠(yuǎn)。電影《太空旅客》講的就是地球已經(jīng)不適于生存，人類必須去尋找未來家園。如果能實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)的人工可控核聚變，飛船裝一個(gè)核聚變的發(fā)動(dòng)機(jī)，所需要的燃料實(shí)際非常少，只要極其少量的氘和氚元素就可以飛 100 年，飛到人類從未到達(dá)的宇宙深處，去看看那里有沒有適合我們生存的家園。

實(shí)際超導(dǎo)的未來已經(jīng)到來了。量子計(jì)算這幾年非常火，中國也有雄心勃勃的量子計(jì)算的計(jì)劃，據(jù)說我們計(jì)劃要十年內(nèi)擁有真正意義上的量子計(jì)算機(jī)，這十年已經(jīng)悄悄地過了兩三年，所以我們每一位都有可能見證量子時(shí)代的到來，把我們的電腦換成量子計(jì)算機(jī)，把我們的手機(jī)換成量子手機(jī)，把我們生活里所有用到電的地方都變成超導(dǎo)材料！

審核編輯 ：李倩