一文读懂室温超导

超导材料

超导体不仅在临界温度下具有零电阻特性，而且在一定的条件下具有常规导体完全不具备的电磁特性，因而在电气与电子工程领域具有广泛的应用价值。一般情况下都是将超导材料加工成线材及块状材料等形态，应用于相关设备。超导技术及材料可应用于多个领域，如电力机车的牵引供电变压器、超导储能系统（SMES）、储能飞轮、电力传输线缆等。

实现室温超导一直是科学家们的梦想，若能成功实现，将极大地拓展了超导技术的应用领域，引发一次科学和工业领域的革命也不为过，从能源传输到交通运输，再到医疗设备和科学研究等方面都将获益。

一、什么是超导材料

超导材料，是指具有在一定的低温条件下呈现出电阻等于零以及排斥磁力线的性质的材料。一般来说，按照材料的常温电阻率从大到小可以分为绝缘体、半导体和导体。绝大部分金属都是良导体，他们在室温下的电阻率非常小但不为零，在10-12mΩ ∙ cm量级附近。当把某种材料降到某个特定温度以下的时候，电阻突降为零，同时所有外磁场磁力线被排出材料外，导致体内磁感应强度为零，即同时出现零电阻态和完全抗磁性。这种状态下，即为材料进入超导态，这种材料就是超导材料。

超导体的一系列神奇特性意味着我们可以在低温下稳定地利用超导体，比如实现无损耗输电、稳恒强磁场和高速磁悬浮车等。正因如此，自从超导发现以来，人们对超导材料的探索脚步一直不断向前，对超导微观机理和超导应用的研究热情也从未衰减。

二、超导材料的发展史

1911年，Heike Kamer-Onnes在温度4.2K（-268.97℃）时用液氦冷却汞时发现汞的电阻为零，发现了超导电性规律。

1933年，菲尔德和迈斯纳发现超导体冷却达到转变温度时，不仅电阻完全消失，还会出现抗磁性：磁感线从超导体中排出，不能通过超导体。

1973年，科学家发现了保持了近十三年记录、超导转变温度为32.4K（-249.92℃）的超导合金——铌锗合金。

1986年，美国贝尔实验室研究出了打破夜氢40K的温度障碍，临界温度为40K（-235.15℃）的超导材料。

1987年，美国华裔科学家朱经武和中国科学家赵忠贤陆续把钇-钡-铜-氧转变温度提高到了90K（-185.15℃），从而发现了高温超导体材料，打破了液氮77K的“温度堡垒”。

1988年，日本实现了液氮温区超导体的理想，研发出了转变温度为110K（-165.15℃）的超导材料Bi-Sr-Cu-O，解决了困扰科学界多年的问题。超导热从高温超导材料被发现以后席卷全球。转变温度达零下150.15℃的铊系化合物超导材料和转变温度达零下140.15℃的汞系化合物超导材料相继被发现，高压条件下的汞转变温度能达到“恐怖”的164K（-111.15℃）。

2007年2月，日本东京工业大学细野秀雄教授和其合作者发现了转变温度为零下251.15℃的氟掺杂镧氧铁砷化合物。

2008年3月25日和3月26日，中国科技大学陈晓辉研究组和中国物理所研究组发现了突破麦克米兰极限温度，转变温度为零下233.15℃的非传统超导材料。

在近100年的超导材料发展历史中，有10位科学家凭借杰出的研究获得了诺贝尔物理学奖。

目前发现的超导材料主要可以划分如下几大家族：金属和合金超导体、铜氧化物超导体、重费米子超导体、有机超导体、铁基超导体以及其他氧化物超导体。

三、我国超导材料的发展历程

中国的超导研究起步较晚，但经过数十年的潜心发展，已经成为国际上超导领域不可忽视的中坚力量。我国稀土资源储备丰富，具有得天独厚的发展超导线材的优势。

1951年，中国低温物理研究所经钱三强等人提议，自洪朝生先生归国后得以建设，这是中国低温物理学的开端。在洪朝生先生的主持下，建立了各类低温研究所；设立中国科大低温物理专业，培养出一大批中国超导领域的佼佼者，如赵忠贤先生；制造、调试成功了氢液化器，为“两弹一星”事业奠定实验基础；制造、调试成功了制活塞膨胀式液化器，为后来中国超导研究创造了必要条件。

1960年，管惟炎先生回国，在低温研究室开展超导体的相关研究，五年后，其课题组成功制得中国首个强磁场超导磁体，取得突破性进展。

70年代末，中国超导领域发展初具规模，中外交流的开展使得国际经验共享日渐增多，以赵忠贤先生为代表的一大批有志之士出国进修，不断拓宽中国超导领域的国际视野。1986年，自柏诺兹和缪勒实现30K的突破性进展后，一直坚信“结构不稳定性可以导致高临界温度”赵忠贤先生通过掺杂锶在SrLaCuO多相系统上实现48.6K的转变温度；朱经武和吴茂昆两位华裔科学家也通过类似的方式实现了39K的转变温度。此后，中国乃至全世界都开始了高温超导领域的研究热潮，中国数十所高校和研究所均开始投入高温超导研究工作。

四、超导材料的分类

超导材料分为低温超导材料和高温超导材料。

1.低温超导材料

低温超导材料是具有低临界转变温度(Tc<30K=在液氦温度条件下工作)的超导材料，分为金属、合金和化合物。具有实用价值的低温超导金属是Nb(铌)，Tc为9.3K已制成薄膜材料用于弱电领域。合金系低温超导材料是以Nb为基的二元或三元合金组成的β相固溶体，Tc在9K以上。

低温超导材料一般都需在昂贵的液氦环境下工作，由于液氦制冷的方法昂贵且不方便，故低温超导体的应用长期得不到大规模的发展。低温超导材料的应用分为：强电应用，主要包括超导在强磁场中的应用和大电流输送；弱电应用，主要包括超导电性在微电子学和精密测量等方面的应用。

2.高温超导材料

高温超导体材料(HTS)具有超导电性和抗磁性两个重要特性。要让超导体得到现实的应用，首先要有容易找到的超导材料。即主要研究方向就是寻找能在较高温度下存在的超导体材料。

高温超导材料用途非常广泛，大致可分三大类：大电流应用、电子学应用和抗磁性应用。大电流应用是由于超导材具有零电阻和完全的抗磁性，因此只需消耗极少的电能，就可以获得的稳定强磁场。超导体的基本特性之一是当它处于超导态时具有理想的导电性，同时由于其载流能力远远强于常规导体，因此，利用超导体可以传输大电流和产生强磁场，并且没有电阻热损耗。电工设备的基本特点是大电流、强磁场和高电压，因此在电工设备中使用超导材料可以减少电气损耗、提高效率、缩小体积、减轻重量、降低成本，还可以提高装置的极限容量。显然，超导材料的应用给电工技术带来了质的飞跃，许多过去无法实现的电工设备由于采用超导技术而成为现实，或即将成为现实。

我国电力资源和负荷分布不均，因此长距离、低损耗的输电技术显得十分迫切。超导材料由于其零电阻特性以及比常规导体高得多的载流能力，可以输送极大的电流和功率而没有电功率损耗。据统计，按目前情况，如果将铜或铝导改为超导体，光是在中国节省电能相当于新建数十个大型发电厂。超导材料在这些方面的应用是最诱人的。

五、超导材料的性能特点

1.完全导电性

实验研究表明，当温度下降到某一临界温度时，超导体出现电阻突变为零的特性称为完全导电性，也叫零电阻效应。

2.完全的抗磁性

1933年，迈斯纳和奥森菲尔德对单晶锡球的磁场分布进行测量，发现不论是先降温后再加磁场，还是先加磁场后降温，只要锡球温度达到超导临界温度Tc，磁力线似乎被完全排斥到超导体之外。只要T＜Tc，超导体内的磁感应强度总和为零，即超导体具有完全抗磁性。

3.约瑟夫逊效应

电子等微观粒子具有波粒二象性，当两块金属被一层厚度为几十至几百A的绝缘介质隔开时，电子等都可穿越势垒而运动。加电压后，可形成隧道电流，这种现象称为隧道效应。把上述装置中的两块金属换成超导体后，当其介质层厚度减少到30A左右时，由超导电子对的长程相干效应也会产生隧道效应，称为约瑟夫逊效应。

4.临界性

超导材料具有临界温度、临界磁场和临界电流密度等，只有小于它的临界值才能体现出它的超导性能，一旦超出，就会失去超导性。此外，还有相干长度。导向只有在一定的尺度之下，才能保持住它的超导性能。

六、超导材料的应用现状

超导材料已然成为21世纪具有战略意义的国之重器，是各国科技革命的突破重点。我们难以估量超导技术的普及会给国家和社会带来多少经济效益，综合国力会迈上多少台阶，但我们能说，超导技术“可以改变世界”。

超导技术的突破性进展和广泛应用，将引起一场新的技术革命，并对科技、经济、军事乃至社会发展产生不可估量的影响。超导技术的应用范围十分广阔，在输电、电机、交通运输、航天、微电子、电子计算机、通信、核物理、新能源、生物工程、医疗以及军事装备等领域，都已展现出灿烂夺目的前景。

1.超导磁体

目前，超导材料应用最多的领域就是制作各种用途的超导磁体。超导磁体的优势是可以实现常规导体材料无法实现的磁场强度、磁场梯度和磁场均匀度。

超导磁体有很多用途，比如核磁共振成像（MRI），已被广泛地应用于医疗检测、诊断之中，成为最为精确的医学检测手段之一。几乎世界上所有的用于重大科学研究工程的高强磁场，譬如各类粒子加速器、各类高能粒子对撞机、以及目前多国参与的国际热核聚变实验堆（ITER）的磁场，都离不开超导磁体。另外，还有各式各样的超导磁体被应用于检测仪器、各类实验装置、晶体生长等其他许多方面。

2.超导电缆

利用超导材料制成很细的导线，在无需变电所和变压器等配电设备下输电，免去由于常规输电造成的10%以上电力损失(送电、变电、配电等每一步都存在电阻，使一部分电能转化成热量而白白浪费)，电费开支节省15%以上。

电能在传输过程中损耗很大，超导电缆的优势在于电能在输送过程中可以最大限度地降低损耗，仅为传输功率的0.5%，而常规电线电缆的损耗要达到10%，能源节省一目了然。而且高温超导电缆的容量比常规电缆提高3～5倍、损耗下降60%，节约占地面积和空间，更为可观的是，总费用降低20%，经济效益明显。超导电力技术是21世纪电力工业唯一的高技术，可有效解决能源短缺的问题。

3.超导电机

超导电机重量轻、紧凑性好，在风力发电机中 特别具有优势。所以将超导电机用于风力发电是目前发展的趋势。超导电机采用超导材料替代常规电机的转子。传统电机以铜作为线圈绕组，采用超导材料后，可将铜用量从2.1ton减至0.44ton，铁用量从10.5ton减少至2.8ton，大大减少了金属的使用量，降低了成本；而制冷系统电力消耗导致的成本，已由使用周期长、效率高而得以抵消。效率高、性能好以及巨大的市场潜力驱动着超导电机的发展。

4.磁悬浮

在导体截面相同时，超导体制作的导线可以比铜导线（传统电磁铁绝大多数由铜导线绕制）承载高出几十倍的电流。也就是说，由超导线圈制作的磁悬浮机构可以产生比传统磁悬浮机构大得多的悬浮力。另外，铜线圈通电时会不断地产生焦耳损耗，而超导线圈因为无电阻不会产生焦耳损耗。因此在磁悬浮轨道交通系统中使用超导电磁线圈不但可以产生更大的悬浮力和驱动力，而且更加节能、环保。

超导磁悬浮列车是会“飞”的火车，由于磁悬浮列车与铁轨之间的磁力作用，使列车悬浮在铁轨上方，消除了铁轨与车轮之间的摩擦力，时速可达500千米，而且行车平稳、噪声小、安全舒适、所需牵引力小、不污染环境。将来的轮船、汽车也可以用超导电动机开动。如果用超导电动汽车来代替燃油汽车，那么全世界一年可节省汽油10亿吨。

5.超导储能装置

储能，即通过某种手段将能量存储起来，在需要时释放的过程。按照储能的方式，可分为物理储能、化学储能和电磁储能，超导储能是电磁储能的一种。

超导储能装置无需能量转换、直接储能，转换效率高，响应速度快，功率密度大。用于电网时，超导储能可以调节电网的负荷，低谷时储藏电能，高峰时释放电能，电力输入超导线圈中，电流可在里面长期流动而几乎不损耗电能，因此，可设计大容量的超导储能装置于地下岩石中，储存大量电能供电网调峰之用。超导体约束的等离子体可以引起核聚变以实现受控热核反应，为解决能源危机发挥重大作用。当然这种方式也不是没有缺点，比如运行及维护成本高。我国首台超导储能装置位于甘肃省白银变电站。

6.超导计算机

超导体在电子学领域里大有用武之地。用超导芯片(约瑟夫森器件)代替普通芯片制成超导计算机，可以大大提高运算速度，减小计算机体积。美国研制的一台运算速度为800万次/秒的超导计算机，只有一部电话机那么大，运算速度提高了10～1000倍，而且元件不发热、功耗非常小、无故障、高效率运行时间要长得多。

7.超导通信

超导技术可用于通信。一根超导线路传递数据的速率高达每秒1亿次，可供1500万部电话机同时通话，比现有光纤通信的通信速率还快100倍。

8.超导量子干涉仪

用超导器件制成的极其精密的超导量子干涉仪，可测出极其微弱的电磁波，被广泛用到电子工业中。超导量子干涉仪不但能探测出埋在地下的矿物，也能探测出人脑的高级神经活动，揭开人类大脑思维活动的奥秘。利用超导原理制造的新型红外探测器、超导磁强针 、 超导重力仪、超导滤波器及各种微波器件，将广泛应用于航空航天事业、地震预报、地质勘探及天文学领域。利用超导体的完全抗磁性可制造新型回旋加速器，把人们的视觉和感观延伸到微观世界深处，揭开物质起源、生命起源的奥秘。

七、超导材料的发展展望

自从超导现象被发现以来，人们就开始想象各种各样的超导材料应用在实际生活中的场景。超导现象有多种优良的性能，毫无疑问，这必将给人们带来翻天覆地的变化，也很可能是第四次科技革命的开始。超导材料的应用不仅能提高工作效率，在现在这个能源越来越紧缺的时代，超导材料也必然能使资源得到大大节约，减少大量的污染。超导材料不仅是过去、现在的研究热点，也是将来的研究热点。随着超导体研究日新月异的变化，超导材料必将深刻影响科学发展和人们的生活。

2000年11月北京有色金属研究院研制的百米长铋系高温超导带材问世。这种带材长116米，宽3.6毫米，厚0.8纳米，以螺旋管方式缠绕，用四引线法全长度测量。77开(即-196℃)液氮温度下临界电流达12.7安。它主要用于输电电缆、变压器、核磁共振成像等。2001年4月，340米长铋系高温超导线在清华大学研制成功，标志着我国已跻身于少数掌握超导线材产业化的国家行列。

目前，我国基本掌握了各种实用化超导材料的制备技术，在多个应用方面也取得了良好的发展。今后，我国超导材料及其应用领域应进一步加强超导材料及其应用装置的制备工艺研究，不断探索更高临界温度的超导体，并加强与超导技术应用密切相关的低温制冷技术和低温系统的研究，以进一步全面提升我国的超导材料及其应用技术的发展水平。