超导材料——电力高速公路上的“零能耗跑车”

超导材料——

 

　　电力高速公路上的“零能耗跑车”

 

　　■姚昌松  李佳锐

 

　　超导体的“完全抗磁性”使磁石在空中悬浮。资料图片

 

　　3月4日，芬兰推出欧洲首台50量子比特超导量子计算机，引发广泛关注。

 

　　何谓超导？这个概念想来大家并不陌生。

 

　　超导材料具有独特的绝对零电阻、完全抗磁等物理特性。在需要突破传统功能材料电磁能力极限的地方，超导材料具有不可替代的作用。

 

　　在科幻电影《阿凡达》中，潘多拉星球正是因其盛产天然超导矿石“Unobtanium”，才成为人们向往的资源圣地。

　　电影中的矿石虽然是虚构的，却象征着人类对能源革命的追求。

　　如今，科幻的梦想正逐步照进现实：从医疗领域的超导磁共振成像技术，到电网中已经投入运行的高温超导电缆，超导材料技术的每一步突破都在缩短想象与现实之间的距离。如果将电力运输比作“高速公路”，那么超导材料就是这条公路上的“零能耗跑车”。

　　超导材料技术的进步有哪些重要意义？将给人们未来的生活带来哪些改变？其发展前景如何？请看本期关注。

 

　　百余年发现历程

 

　　超导材料的神奇“魔力”，要从它独特的物理特性说起。

　　在特定临界条件下，超导体能够呈现两种令人惊叹的现象。首先是“绝对零电阻”——电流可在其中流动而不产生任何能量损耗；其次是“完全抗磁性”——外部磁场被完全排斥，在材料周围形成一道无形的磁力屏障。这两个独特的物理特性，使超导材料成为物理学和材料科学领域的“宠儿”。

　　超导材料的发现始于1911年。

 

　　当时，一次实验，荷兰物理学家昂内斯在接近绝对零度的液氦环境（-268.98℃）中，观察到一个神奇的现象：汞的电阻完全消失，导电性大大增强。

 

　　这一发现，拉开了超导材料研究的序幕。

 

　　科学界将这种现象概括为“超导现象”：某些材料在温度降低到某一特定值后，电阻会变为零，而转为超导体的温度就是临界温度。

　　1957年，3位美国科学家巴丁、库铂、施里弗提出超导微观理论，取得了自发现超导现象以来的最大成就。物理学家基于这一理论，推断超导体的临界温度存在一个约为-233℃的上限，这个上限后来被人们称为“麦克米兰极限”。

 

　　临界温度过低限制了超导材料的实际应用，物理学家们很快认识到，提高临界温度是实现超导材料实用化的关键。

　　1987年2月，美国休斯敦大学朱经武团队和中国科学院物理研究所赵忠贤团队，相继在钇钡铜氧材料上发现了超导现象，并把临界温度提高到-180.15℃以上。

 

　　2015年，科学家相继在氢基超导材料和镍氧化物体系中发现超导现象，这些突破不仅将临界温度提升至干冰温区（-78.5℃）以上，也标志着人类对超导体的探索进入新阶段。

 

　　最终，科学家们总结出了提高超导材料临界温度的2个技术方向。

 

　　一方面，通过对材料施加极大压力，让其在高压环境下改变特性，成为超导体。目前，这一路径虽已取得显著突破，但还停留在实验室中，且成本较高，很难转化到实际应用中。

 

　　另一方面，各国众多研究团队致力于寻找在常压条件下稳定存在的新型超导化合物材料。

　　今年2月，我国南方科技大学、粤港澳大湾区量子科学中心与清华大学联合组成的研究团队在高温超导领域取得了一项重大突破。

　　他们使镍基材料成为第三类在常压下实现超导的材料体系，为解决高温超导机理的科学难题提供了全新突破口，相关成果已发表于学术期刊《自然》上。

 

　　常温超导是目标

 

　　一般来说，很多材料要在-250℃以下才能实现超导状态。

　　自1911年超导现象被发现以来，找到温度更高、更适于应用的超导体，成为无数科学家竞相追逐的目标。

　　在超导材料领域，能够在-233℃以上实现超导状态就属于高温超导材料。目前，超导材料主要划分为高温超导材料、低温超导材料和常温超导材料3种类别。

 

　　低温超导材料是最早实现技术落地的超导材料类型。稳定的性能和成熟的制备工艺使低温超导材料成为当前超导技术产业的主力军。

　　以铌钛合金和铌三锡为代表的两种低温超导材料，已在多个领域展现出不可替代的价值。尽管需要利用价格高昂的液氦冷却系统才能实现超导，但鉴于在强磁场精密测量与高能物理实验中的不可替代性，铌钛合金、铌三锡等低温超导材料始终是超导技术的重要载体之一。

　　在医疗领域，核磁共振成像仪（MRI）依助铌钛合金低温超导线圈产生稳定的强磁场，其成像精度可达亚毫米级，使早期诊断发现肿瘤成为可能；

 

　　在基础科学探索前沿，欧洲核子研究中心的大型强子对撞机（LHC）内，9300块低温超导磁体组成27公里环形隧道的核心模块，引导接近光速的粒子束对撞，助力科学家揭秘宇宙起源。

 

　　与低温超导材料相比，临界温度突破液氮温区的铜氧化物高温超导体和新兴的铁基高温超导体，为超导技术的广泛应用提供了更为经济可行的解决方案。

 

　　在能源领域，采用铜基超导材料的输电系统可消除传统电网近7%的能源损耗。这不仅意味着全球每年可节约几乎相当于三峡电站全年发电量的电能，还为可再生能源的远距离输送扫清技术障碍。同时，超导电缆的能量密度比传统铜缆高出近十倍，这意味着，在相同空间内，超导电缆可以输送更多电力，为城市电网升级提供理想的解决方案。

 

　　在电力储存方面，高温超导材料的磁能储存系统（SMES）能以近乎完美的效率存储电能，并在毫秒级响应时间内释放电能，这为智能电网的稳定运行提供坚实保障。

 

　　高温超导材料也在量子技术领域展现出独特的优势。

　　一方面，超导量子干涉仪（SQUID）能探测到人体内产生的微弱磁场，为无创脑功能检测开辟了新路径；另一方面，在量子通信领域，基于高温超导材料制造的纳米线单光子探测器如同数字世界的“光子捕手”，能以近乎完美的效率精准捕捉单个光量子信号，探测效率最高可达98%，为量子密钥分发网络构筑起牢不可破的安全屏障。

 

　　另外一种类型的常温超导材料，旨在追求接近室温、常压环境下实现超导状态。

 

　　截至目前，虽然真正意义上的常温常压超导材料尚未被证实存在，但其作为科学探索的目标，已在理论和实验层面取得了突破性进展。而每一次对临界温度的突破，都刷新着人类对物理极限的认知，引发全球科研界的实验复现验证热潮。

 

　　目前，从理论探索角度看，人工智能辅助材料的设计正在加速超导材料的筛选进程。

 

　　借助深度学习算法，研究人员可以实现对超导材料结构与性能关系的精确建模，能够从数万种理论可能的化合物中快速锁定具有潜在常温超导特性的候选材料，大幅缩短从理论推测到实验验证的时间周期。

 

　　有学者表示，这种智能化超导材料设计方法正在重塑传统材料研发模式，为常温超导的实现提供了全新技术路径。

 

　　挑战与机遇并存

 

　　试想这样几个场景——

　　超导磁悬浮列车的悬浮间隙突破厘米级限制，摆脱了对精密轨道的依赖，时速可达1000公里，如同磁力编织的空中走廊，融入现有交通网络。每天乘坐超导磁悬浮列车上班的你，通勤时间大幅缩短；

 

　　基于超导量子比特构建的百万位量子计算机成为现实，只需要数小时，工作人员就能够完成药物分子的全构象模拟，进而使开发个性化癌症疫苗成为可能。而对比传统超级计算机，其对药物分子的全构象模拟的运算时间往往需要若干年；

 

　　依托超导单光子探测器的量子加密通信网络，研发人员理论上可以构建无法破译的全球安全传输体系，带领金融交易和数据传输进入绝对可信时代，你在进行金融交易时再也不用担心交易有风险……

 

　　这些场景的实现，都需要基于未来某一天，科学家能掌握成熟的常温常压超导技术。科学界普遍认为，合成常温常压下的超导体预示着“第四次科技革命”的到来。

 

　　这句话也足以体现，掌握常温常压超导技术的难度。

 

　　到目前为止，科学家们尚未在常温常压下实现真正意义上的室温超导，许多发现的室温超导材料都需要限定在极高的压力条件下才能表现出超导特性。

 

　　例如，2020年10月，美国迪亚兹团队宣布其在267万个大气压下，实现了临界温度为15℃的超导现象。但由于实验条件极端且难以复现，该研究成果受到质疑，相关论文也被撤回。

 

　　2023年7月，韩国科研团队宣布其发现了名为LK-99的材料，声称这种材料在常温常压下具有超导特性。然而，全球多家实验室对其研究成果复验，该发现的可信度存疑。

 

　　我们可以看到，如今，超导技术的实际应用潜力尚未完全释放。经过总结和验证，科研人员将主要制约因素概括为两个方向的挑战。

　　——材料性能限制。

 

　　以氢化镧材料为例。在极端高压条件下，该材料在-23℃就能实现超导。而如果将氢化镧材料放置在常压环境下，其超导临界温度会骤降至干冰温区；又如，陶瓷超导材料的脆性问题，决定了这种材料难以加工成柔性线材。

 

　　——承载能力和工程领域的制约。

 

　　首先，铋系、钇系等超导材料每公斤数千美元的制造成本及原子级精密工艺要求，构成了商业化应用的现实矛盾；其次，一些超导材料在大电流的强磁场环境下，超导状态容易被破坏，这对超导材料在核聚变装置等极端场景的应用中将形成制约。

 

　　不过，尽管挑战重重，超导材料领域的每一次微小突破，都勾勒出让人振奋的未来图景。超导材料的发展代表了材料科学领域的巨大飞跃，是人类探索自然极限、突破认知边界的重要体现。

 

　　也许在不久后的将来，超导矿石“Unobtanium”会在我们这颗蓝色星球的某间实验室中诞生，解锁另一种属于人类的科技文明密码。

 

来源：解放军报