陳仙輝，中國科學(xué)院院士，深耕超導(dǎo)領(lǐng)域30余年。長期以來他一直堅(jiān)持新型非常規(guī)超導(dǎo)體的探索及超導(dǎo)和強(qiáng)關(guān)聯(lián)物理的研究，在非常規(guī)超導(dǎo)體和功能材料的探索及其物理研究方面，取得了一系列有國際影響力的重要成果，發(fā)現(xiàn)了鐵基超導(dǎo)體、有機(jī)超導(dǎo)體等一系列新型超導(dǎo)體，取得了系統(tǒng)性和創(chuàng)新性成果，是國際上該領(lǐng)域有重要影響的科學(xué)家之一。

在電影《阿凡達(dá)》中，那一座又一座懸浮在云端的哈利路亞山，讓人驚嘆不已，究竟是什么神秘的力量能夠懸空“托起”這一座座大山呢？是因?yàn)樯街刑N(yùn)藏著一種神奇的室溫超導(dǎo)礦石，它借助強(qiáng)大磁場懸空托起了哈利路亞山。那么，究竟什么是超導(dǎo)材料？它為何擁有如此強(qiáng)大的磁懸浮力量？

超導(dǎo)有哪些特性

超導(dǎo)是一種特殊的物理現(xiàn)象。普通的導(dǎo)體可以導(dǎo)電，但是因?yàn)橛须娮璐嬖冢�所以會發(fā)熱，電流損耗比較大。然而，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在極低的溫度下，普通導(dǎo)體的電阻竟然會離奇消失，導(dǎo)電時不僅沒有損耗，還擁有了一系列不可思議的特性，變成了一種神奇的材料——超導(dǎo)體。那么超導(dǎo)是怎么被發(fā)現(xiàn)的呢？它有哪些令人驚嘆的特性呢？

1896年科學(xué)家詹姆斯·杜瓦液化了空氣，空氣的液化主要就是氮?dú)獾囊夯�，氮從氣態(tài)變成液態(tài)以后就達(dá)到了77K（開氏溫度，即熱力學(xué)溫度），開氏溫度（K）=攝氏度（C）+ 273.15，77K接近于零下200攝氏度。在零下200攝氏度一個物質(zhì)狀態(tài)如何，這是我們一直想知道的。杜瓦把溫度降到77K以后，他測量了水銀的電阻，但是非常遺憾，他并沒有看到電阻趨近于0，而是有一個有限值。13年以后荷蘭科學(xué)家卡默林·昂尼斯實(shí)現(xiàn)了最后一個氣體的液化，也就是氦氣，氦氣的液化溫度達(dá)到4.2K。非常神奇，在接近4.2K的時候，汞也就是水銀的電阻突然消失了�？�默林·昂尼斯敏銳地感覺到這是進(jìn)入了一個新的物理狀態(tài)，而這個物理狀態(tài)他就把它稱作為超導(dǎo)態(tài)，這就有了超導(dǎo)的概念。

安德森和羅尼爾在1962年用超導(dǎo)體做了一個線圈通以電流，然后把電源切斷，電流持續(xù)地在里面運(yùn)行。然后測量它周圍產(chǎn)生的磁場，發(fā)現(xiàn)它的電流沒有任何衰減。這就證明超導(dǎo)電阻是零，這是超導(dǎo)的第一個特性。超導(dǎo)還有另外一個特性就是完全抗磁性。1933年兩個科學(xué)家——邁斯納和奧切森菲爾德在研究一個超導(dǎo)體錫（超導(dǎo)溫度3.7K的超導(dǎo)體）的時候，發(fā)現(xiàn)它在磁場里面是不被穿透的。在超導(dǎo)體發(fā)現(xiàn)之前，人們對磁場的認(rèn)識就是任何物體，包括人體在內(nèi)的生命體都能被磁場穿透，但是超導(dǎo)體處在超導(dǎo)態(tài)的時候，它里面的磁感應(yīng)強(qiáng)度始終為0。磁場是不穿透超導(dǎo)體的，這是它的第二個特性。從科學(xué)意義上來講，完全抗磁性比零電阻對于超導(dǎo)體來講，是更基本的一個物理性質(zhì)。

超導(dǎo)還有另外一個神奇的性質(zhì)，就是磁通量子化。超導(dǎo)體的磁通量子化是實(shí)現(xiàn)磁懸浮的基礎(chǔ)之一。這究竟是一種什么神奇的特性呢？簡單來說，雖然超導(dǎo)體有完全抗磁性，但是，當(dāng)超導(dǎo)體存在雜質(zhì)等缺陷，而外界磁場大到一定程度時，少量磁場就會進(jìn)入超導(dǎo)內(nèi)部，出現(xiàn)并被固定在缺陷附近，像被釘子釘住一樣，這被稱為“磁通釘扎”。在這種狀態(tài)下，超導(dǎo)體就能與外界磁場形成一種穩(wěn)定相互作用，懸浮起來。“釘扎效應(yīng)”在超導(dǎo)磁懸浮的設(shè)計(jì)和應(yīng)用中起到重要作用。通過控制外部磁場的強(qiáng)度和超導(dǎo)材料的特性，就可以使得超導(dǎo)磁懸浮具有很好的穩(wěn)定性和抗擾動能力，從而實(shí)現(xiàn)更高性能和更可靠的磁懸浮系統(tǒng)。

超導(dǎo)里面有兩個關(guān)鍵的因素，第一個就是要發(fā)生超導(dǎo)，需要兩個電子形成一對庫珀對；第二個就是庫珀對之間要發(fā)生相干。1992年李政道和著名漫畫家華君武有一次對話，華君武問李政道，你們講的超導(dǎo)是怎么回事？李政道講，超導(dǎo)就是要配對，還要相干。然后華君武就畫了一幅畫。兩個蜜蜂配對以后，就在天上飛，而單個的蜜蜂就在碳60球上爬，因?yàn)樗�不超�?dǎo)，不超流（沒有超導(dǎo)電流），但是相干怎么表現(xiàn)？兩個蜜蜂的翅膀的朝向完全一樣，表現(xiàn)它的相位相同，來實(shí)現(xiàn)相干。華君武還寫了一句話：“雙結(jié)生翅成超導(dǎo)，單行苦奔遇阻力。”準(zhǔn)確地描繪了超導(dǎo)的這樣一幅場景。

超導(dǎo)材料都有哪些神奇的應(yīng)用

1度電，能讓燒水壺連續(xù)工作1小時，能讓音響連續(xù)工作30小時。城市中每1度電的傳輸都離不開電纜。但電纜有電阻，電力在傳輸過程中損耗非常大，損耗率在5%—10%之間，傳輸距離的增加，還會使損耗率增加。而隨著史上最強(qiáng)35千伏超導(dǎo)電纜的橫空出世，電力線路損耗的難題終于得到解決，在“超導(dǎo)技術(shù)”的加持下，它可以實(shí)現(xiàn)幾乎零電阻。相比傳統(tǒng)輸電方式，在滿負(fù)荷運(yùn)行的情況下，它能夠以35千伏“小”電纜，成功輸送2160.12安培的電流，達(dá)到220千伏“大”電纜的輸送能力，大幅減少高電壓等級變電站建設(shè)所需空間。超導(dǎo)材料還有哪些神奇的應(yīng)用？

當(dāng)今社會發(fā)展的三大關(guān)鍵技術(shù)就是能源技術(shù)、信息技術(shù)和生物技術(shù)，而超導(dǎo)材料跨界能源和信息兩個技術(shù)，這就奠定了它廣泛的應(yīng)用前景。超導(dǎo)肯定是一個要取代現(xiàn)有輸電技術(shù)的戰(zhàn)略性技術(shù)。超導(dǎo)有兩種應(yīng)用：一種是強(qiáng)電應(yīng)用，一種是弱電應(yīng)用。強(qiáng)電應(yīng)用第一和能源有關(guān)，第二和交通有關(guān)，第三和生物醫(yī)學(xué)有關(guān)。還有一個弱電應(yīng)用，就是超導(dǎo)量子干涉器或者干涉儀，量子比特、量子計(jì)算等等�？傊�超導(dǎo)是可以在能源和信息等領(lǐng)域帶來深刻變革的一個戰(zhàn)略性的科學(xué)技術(shù)。

目前正在應(yīng)用的超導(dǎo)材料分為高溫超導(dǎo)和低溫超導(dǎo)兩類，都要處于極低的溫度才能實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)，臨界溫度為25K—30K，也就是零下248攝氏度至零下243攝氏度，低于這個溫度的超導(dǎo)體為低溫超導(dǎo)，高于這個溫度的超導(dǎo)體為高溫超導(dǎo)。低溫超導(dǎo)對低溫的要求更高，一般需要在昂貴的液氦環(huán)境中工作，雖然已經(jīng)應(yīng)用于許多領(lǐng)域，包括磁共振成像、粒子加速器、磁懸浮列車等，但昂貴的制冷劑限制了應(yīng)用范圍。相比之下，高溫超導(dǎo)只需要在低價的液氮中，因此應(yīng)用空間更加廣闊。

室溫超導(dǎo)技術(shù)會給世界帶來哪些驚喜

如果盤點(diǎn)2023年科技領(lǐng)域引發(fā)全球吃瓜的大事，室溫超導(dǎo)應(yīng)該榜上有名。室溫超導(dǎo)這把火是由美國科學(xué)家迪亞斯燒起來的，2023年3月8日，美國科學(xué)家迪亞斯在美國物理學(xué)大會上宣布，在1萬個大氣壓（1Gpa）下實(shí)現(xiàn)了室溫超導(dǎo)，語驚四座。要知道，最近5年科學(xué)家們研究超導(dǎo)材料，都是在200多萬個大氣壓以上（200GPa）條件下進(jìn)行的，這相當(dāng)于地球核心承受的壓力，難度可想而知。所以，當(dāng)?shù)蟻喫箞F(tuán)隊(duì)宣稱把壓力降低至不到原來的1/200之后，引爆了全球科技界！一波未平一波又起，2023年7月22日，韓國室溫超導(dǎo)團(tuán)隊(duì)連續(xù)發(fā)表了2篇論文，聲稱“首次”發(fā)現(xiàn)了室溫常壓超導(dǎo)材料LK-99，再度在全球掀起超導(dǎo)旋風(fēng)。但僅僅過了3個多月，事件出現(xiàn)反轉(zhuǎn)。11月，《自然》雜志撤掉了迪亞斯的“室溫超導(dǎo)”論文，緊接著，韓國團(tuán)隊(duì)的驚天發(fā)現(xiàn)最終也無法被證實(shí)。熱鬧了大半年的室溫超導(dǎo)大戲暫時告一段落。為什么全球科學(xué)家會對室溫超導(dǎo)這么關(guān)注？室溫超導(dǎo)技術(shù)又會給世界帶來哪些驚喜？

之所以說“室溫超導(dǎo)”是一項(xiàng)突破性的技術(shù)進(jìn)展，是因?yàn)樗�與傳統(tǒng)的超導(dǎo)現(xiàn)象有著很大的不同。傳統(tǒng)的超導(dǎo)材料只有在極低的溫度下才會表現(xiàn)出超導(dǎo)現(xiàn)象，這使得其應(yīng)用范圍受到了很大的限制。例如，銅氧化物超導(dǎo)體只有在零下135攝氏度左右，才能實(shí)現(xiàn)其超導(dǎo)特性，用液氮冷卻（液氮的溫度是零下196攝氏度），可達(dá)到超導(dǎo)特性所需的溫度，目前其廣泛應(yīng)用還需大量研究。因此，傳統(tǒng)的超導(dǎo)材料在使用時，需要特殊制冷設(shè)備支持。而室溫超導(dǎo)則意味著，在室溫下，也就是20到30攝氏度，就可以實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)，無需特殊的制冷系統(tǒng)。室溫超導(dǎo)技術(shù)如果能實(shí)現(xiàn)，將在提高能源利用效率、加速交通運(yùn)輸、實(shí)現(xiàn)更高的計(jì)算速度等方面帶來前所未有的顛覆性突破。

室溫超導(dǎo)體會不會被發(fā)現(xiàn)？我的看法是，到目前為止，沒有任何物理的理論能說明室溫超導(dǎo)不可能實(shí)現(xiàn)，這是第一點(diǎn)。第二點(diǎn)實(shí)際上超導(dǎo)是一個宏觀量子效應(yīng)，它會有一個能量尺度，但是在宏觀量子效應(yīng)里面，在實(shí)現(xiàn)室溫下觀察宏觀量子效應(yīng)有沒有先例？有！在石墨烯上我們看到了整數(shù)量子霍爾效應(yīng)這樣一個宏觀量子效應(yīng)，從這個角度來講，室溫并不是無法實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)的。另外，從材料的角度來講，銅基超導(dǎo)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了135K（零下138.15攝氏度）這樣一個溫度，如果從能量尺度來講也就是翻一倍，到270K（零下3.15攝氏度），我覺得從能量尺度來講也是可能的。但是我們還是要腳踏實(shí)地認(rèn)真探索，有很多技術(shù)上的挑戰(zhàn)要一步一步做。超導(dǎo)技術(shù)為什么比我們想象的應(yīng)用場景要少，沒有發(fā)揮那么大的作用？是由于它有很多的支撐技術(shù)、冷卻技術(shù)、力學(xué)技術(shù)等成本問題。如果上升到室溫超導(dǎo)，制冷的這個問題就不用考慮了，這樣的話，它的應(yīng)用場景肯定就多了。室溫超導(dǎo)不用冷卻，成本可以大大地降低，在很多場景都能應(yīng)用。超導(dǎo)既是能源技術(shù)，也是信息技術(shù)，在材料領(lǐng)域能發(fā)揮巨大的作用。

超導(dǎo)研究從科學(xué)角度來講有三大任務(wù)：一是包括銅氧和鐵基高溫超導(dǎo)體的非常規(guī)超導(dǎo)的微觀機(jī)理的解釋；二是要探索適用于應(yīng)用或者高臨界溫度甚至是室溫的超導(dǎo)體；三是超導(dǎo)體的廣泛應(yīng)用。比如超導(dǎo)計(jì)算機(jī)量子計(jì)算、超導(dǎo)芯片、強(qiáng)電、強(qiáng)磁場的應(yīng)用，超導(dǎo)領(lǐng)域的科學(xué)家普遍認(rèn)為這些挑戰(zhàn)的解決，都是諾貝爾獎級的工作，關(guān)鍵還是新超導(dǎo)體材料的發(fā)現(xiàn)。人類的文明是可以用材料來劃分的，遠(yuǎn)古時期是石器時期，然后是青銅器時期，晶體管誕生以后，現(xiàn)在硅支撐起了信息技術(shù)。從這個角度來講，室溫超導(dǎo)體可能是推動下一次技術(shù)變革的一個有力的候選材料。這就是為什么有關(guān)室溫超導(dǎo)的信息極大地引起社會關(guān)注的原因所在，室溫超導(dǎo)體可以作為能源信息材料在科學(xué)研究、信息計(jì)算、通信、生物醫(yī)學(xué)、電力、交通、能源等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，被認(rèn)為是能夠支撐下一代人類文明的關(guān)鍵材料。室溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)和可控核聚變的實(shí)現(xiàn)將會永久性地解決人類面臨的能源問題。

超導(dǎo)研究的展望

超導(dǎo)研究的一個展望是突破半導(dǎo)體的技術(shù)瓶頸。半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，集成電路已進(jìn)入亞10納米技術(shù)，但實(shí)際上半導(dǎo)體技術(shù)里面有幾個瓶頸：一是計(jì)算機(jī)的速度瓶頸，二是功耗瓶頸，三是制造瓶頸�，F(xiàn)在大家聽到的、看到的主要是制造瓶頸。比如說荷蘭阿斯麥公司的光刻機(jī)問題，因?yàn)槲覀儧]有光源，這是制造瓶頸。實(shí)際上還有另外一個很大的瓶頸，就是功耗的瓶頸，因?yàn)楣�耗太大，超級�?jì)算機(jī)應(yīng)用的電費(fèi)太高、成本太高。從可持續(xù)發(fā)展的角度來講，功耗是限制超級計(jì)算機(jī)可持續(xù)發(fā)展的一個重要瓶頸。如何來解決功耗問題，是半導(dǎo)體工業(yè)必須解決的問題。國內(nèi)現(xiàn)在所有的大數(shù)據(jù)中心基本上都放在西北，那邊有兩個優(yōu)勢：一是平均溫度，西北一年的平均溫度比東部和南部要低很多；二是西北能源的價格比發(fā)達(dá)地區(qū)要低很多，這是一個很大的優(yōu)勢。能耗包括兩部分，計(jì)算機(jī)芯片本身在運(yùn)行過程中的損耗會產(chǎn)生熱，怎么把熱排出去，散熱是一個很大的問題。大家知道，臺式計(jì)算機(jī)只有一個小風(fēng)扇，如果這個小風(fēng)扇壞掉了，那機(jī)器就沒法運(yùn)行了，這就是環(huán)境溫度、工作溫度的問題。如果用超導(dǎo)的話，它本身功耗小了，散熱可能也就便利了，或者說成本也就低了�，F(xiàn)在我們講人工智能和ChatGPT，就是利用機(jī)器學(xué)習(xí)，大量地在使用運(yùn)算大功率、高速的超級計(jì)算機(jī)，但功耗很大。我們就渴望有一種技術(shù)能夠克服或者改善，超導(dǎo)在這方面肯定是一個選擇。超導(dǎo)集成電路具有顯著的速度、功耗、制造和生態(tài)優(yōu)勢。實(shí)際上在這方面超導(dǎo)數(shù)字計(jì)算機(jī)已經(jīng)開始嘗試，比如美國的泰坦號。超導(dǎo)集成電路是后摩爾信息技術(shù)的一個重要方向，未來的能源工業(yè)、電力傳輸、交通、醫(yī)療等領(lǐng)域都會因超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用發(fā)生翻天覆地的變化。我們期待室溫超導(dǎo)的實(shí)現(xiàn)，推動人類文明的發(fā)展。

（原標(biāo)題：神奇的超導(dǎo)體，奇在哪里）