从零到一！探寻中国超导研究始末

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2023年9月15日，科普中国·星空讲坛以“迈向高水平科技自立自强”为主题，邀请5位来自超导技术、海洋资源、航天科技、气象预测、水利水电领域的专家，围绕中国最具代表性的、切实造福百姓的五大科学与技术，聚焦“富民强国‘强’什么？”带领公众感受我国科技、科研工作背后的精神和魅力。
中国科学院物理研究所研究员罗会仟教授带来演讲：高温超导的守正创新路。
以下是罗会仟的演讲节选：
一、什么是超导？它有什么用？
当年第一部3D电影《阿凡达》，有个非常著名的场景：就是在外星球，不是地球上，它的山不是长在地上，它是浮在天上的。

为什么会这样呢？有一个很神奇的小矿石，是星球上的室温超导材料，在山里面含有大量的室温超导材料。那么在这个星球的磁场下面，它就可以悬浮到天上去，一座大山这么大，特别的科幻。
超导重要在什么地方呢？
诺贝尔奖，是衡量科学创新的标杆之一。诺贝尔物理学奖获得者共220人左右，其中有10个人是因为超导获得诺贝尔奖的。

按电阻，材料分为绝缘体、半导体、导体，电阻比较大的叫绝缘体，电阻比较小的叫导体，半导体在两者之间。
怎么去区分？对于导体来讲，它的电阻随温度下降；对于绝缘体来讲，它的电阻是上升的，到低温下它会急剧地上升，区域无穷大，以至于它就不导电了，所以是两者是截然不同的。
超导现象如何被发现？
超导，它是一个超级的导体也就是说电阻下降，下降到一定程度以后，消失了。

荷兰莱顿大学的昂尼斯，1908年实现了氦气液化，可以用很低的温度研究各种金属材料，他选择了一个非常特别的材料——水银。
然后他就研究水银的电阻，刚开始的时候它可以测到它的电阻，但是一旦测到4.2K的时候，电阻小于10的负5次方欧姆，就超出了仪器精度，他认为材料的电阻消失了，实现超级导电的状态，这就是超导现象。
超导的完全抗磁性
电生磁，磁生电，超导的电阻消失现象，必然会有神奇的磁性的现象——完全抗磁性，即是绝对的零电阻。
这个概念在1933年，由德国的迈斯纳发现的，什么意思？把超导体放到磁场里面去，冷却降温变成超导，就会发现磁动线它就绕着我们的超导体跑，它进不去，超导材料的内部的磁感强度也是零。
超导，是一种宏观量子现象
导电肯定是电子行为，肯定是微观的粒子。但是，对于超导体来讲，它是一大群电子构成了一个完整的低能的凝聚态，是宏观的量子状态。
这有什么作用？当把两个超导体拼在一起的时候，你就会发现它两群电子会打架，会形成干涉现象。
超导技术的应用
人造太阳：我们地球能源来自于太阳，那么我们人造一个太阳是不是可以？但是，你用什么容器能够装太阳这么高温度的东西，太阳可是核心温度可以达到千万摄氏度，那你要实现这种核聚变，可是一亿摄氏度，这么高的温度任何东西都装不住，但是科学家有办法，它设计一个超导磁体，把这个特别高温的等离子体给约束住，在周围都是真空不接触容器，它就实现了人造小太阳，那么这是未来能源解决得很好的一个方案。

超导量子计算机：核心技术就是芯片，就是一个半导体，如果换成一块金属的超导体，利用超导量子效应会实现量子计算，这个量子计算可以非常地快。传统的计算机群可能要算10万秒的工作内容，在量子计算机上可能仅需0.01秒。

如何解释超导的神奇现象？
实现绝对的零电阻，是很难想象的事情，因为一个电子在材料里面跑，它总会受到干扰，总会受到阻碍。
为了解释这个问题，就只需要考虑一段电子怎么跑，正如漫画所示：

材料里面的电子，就像这个小蜜蜂，但是很奇怪，这个小蜜蜂只有一个翅膀，大家知道一个翅膀的蜜蜂是飞不起来了哈，这叫单行苦奔遇阻力。然后，你左翅膀和右翅膀蜜蜂如果配成一个对，这个时候你一个失去能量，一个就会得到能量，那么中心能量就可以不变，就可以实现中心能量不变的无阻碍的这个电子的运动，即双结生翅成超导。
这就是超导的微观理论（BSC理论），提出者分别是巴丁、库伯和施里弗。

巴丁是世界上唯一一个获得两次诺贝尔物理学奖的人。第一次诺奖，发明了世界上第一个半导体，真正改变了人类世界。
为什么这么厉害？他的回答是：
第一，努力。
第二，机遇，你要能抓住这个机遇。
第三，合作精神，因为是他们三个人在不同的方面一起来合作完成的。
二、超导材料有哪些
元素周期表中的单质，第一个超导材料是金属单质汞（水银），且绝大部分金属都是超导体，一些非金属加压也可以变成超导体。

不仅单质有很多超导体，而且二元的化合物也有，做金属的合金或者金属跟非金属的合金，两个元素混在一起，发现这个超导温度也能提得更高。从这个铌是9K，可以提升到铌三锗，大概是23K。三元、四元、五元等多元化合物的超导体就更复杂混合了。
目前有一万种以上都是超导材料，但是这些超导材料超导温度大部分都很低，都低于40K，40K是非常有趣的线。
实际上这个40K是可以突破的，2008年左右我们就发现了两类超导体，它是可以突破40K这个上限的，那么我们就把它叫作高温超导体。哪两类？一类叫作铜氧化物，一类叫作铁砷或者铁硒化物，简单就是一个叫铜基，一个叫铁基超导体，目前为止就两种高温超导材料。
三、中国在超导领域的研究
中国的超导研究，起步是非常艰难的一件事情。新中国成立之初，科研条件非常落后，且几乎是没有超导相关的研究的。

在1982年左右，才有超导相关研究。开创者之一，就是中国科学院物理所的李林院士（李四光的女儿）。她回国，跨了三个单位，研究了不同的方向，目的就是为了做超导的薄膜的应用方面研究，开创了中国超导的研究。
突破液氮温区的高温超导
1987年初，发现了这个液氮温区以上的高温超导材料。在此以前，超导材料的温度是很低的，一般是低于20K，那么在1986年底的时候，就发现一个铜氧化物可以达到30K左右，提升到更高，可以到93K，这叫突破了液氮温区。
液氦很贵，制冷成本大家受不了。如果突破液氮温区，使用氮气，成本就可以极大地降低，超导大规模应用有了可能。
液氮温区的高温超导是获得了1989年的国家自然科学一等奖，这是非常不容易一件事情。
第二波热潮：铁基超导
在2008年的时候，第二波高温超导的热潮里面，铁基超导材料就是中国的主要成就。

铁基超导最初是由日本科学家发现的，但是中国科学家很快在几个月之内就发现这个材料是属于高温超导的，因为它的零件温度也是可以突破40K的，所以它是第二个高温超导家族，它的超导温度最高是可以达到55K，没有铜氧化物那么高，铜氧化物可以达到134K，当然这也是能够突破40K的。
在这一轮热潮里面，中国科学家都是引领世界前沿的。那著名的这个学术期刊《Science》就以这个新超导体，把中国物理学家推向世界这些这个标题，做了一个重点的报道。
铁基超导，重要在哪儿？
近几年，中国科学院电工所马衍伟团队，就首次制备了世界上第一根百米级的铁基超导线材。基于这个线材，与高能物理所合作，制作了第一个超导的磁铁，它可以做24T高磁场下的论证实验。
这个实验，简单来说证明了：在非常强的磁场下，这个铁基超导材料，它有非常优越的性能。这就意味着在将来，比如说我们做加速器，使用前景广泛。
四、超导会将人类带向何方
那在未来的话，我们究竟怎么样去探索新的超导材料？
高压，是一种办法。还有很多，例如材料减薄，做成非常薄，薄到只有一层原子，薄到只有一个结构单元。
另一种办法，找到一些更加神奇的量子的性质。比如说叫作拓扑电子态，可以做到更高级的拓扑量子计算
如果将来能够实现我们的超导的大规模的应用的话，世界会很不一样，比如说各位的家具可能都是悬浮的。汽车是没有轮子的，去另外一个城市坐非常高速的高铁。城市没有电线，都在下面的电网。悬浮城市也成为可能，房价也不贵了。
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责编丨金禹奋