近一段時(shí)間以來(lái)，韓國(guó)科學(xué)家宣布發(fā)明室溫超導(dǎo)LK-99的消息持續(xù)發(fā)酵，據(jù)說(shuō)這是一種在常壓下能在127℃以下表現(xiàn)為超導(dǎo)體的材料，由一種改性的鉛磷灰石材料，由銅、鉛、磷、硫等元素組成。這一發(fā)現(xiàn)引起了全球的關(guān)注和討論，因?yàn)槿绻娴膶?shí)現(xiàn)了室溫超導(dǎo)，那么將會(huì)對(duì)電力、通信、計(jì)算、交通等領(lǐng)域產(chǎn)生巨大的影響和革命。
(資料圖)
眼下，韓國(guó)室溫超導(dǎo)的真實(shí)性和可靠性正被全球諸多實(shí)驗(yàn)室進(jìn)一步的驗(yàn)證和復(fù)現(xiàn)，但它引起的“軒然大波”仍在持續(xù)發(fā)酵。為什么超導(dǎo)現(xiàn)象受到如此 “追捧”？中國(guó)在這一領(lǐng)域又有哪些貢獻(xiàn)呢？
何謂超導(dǎo)和超導(dǎo)體？
超導(dǎo)概念最早由荷蘭物理學(xué)家海克?卡末林?昂內(nèi)斯在1911年發(fā)現(xiàn)。他在用液氦將汞的溫度降到4.15K時(shí)，發(fā)現(xiàn)汞的電阻降為零，于是把這種現(xiàn)象稱為超導(dǎo)性。后來(lái)昂內(nèi)斯和其他科學(xué)家陸續(xù)發(fā)現(xiàn)其他一些金屬也是超導(dǎo)體。1935年，德國(guó)人倫敦兄弟提出了一個(gè)超導(dǎo)電性的電動(dòng)力學(xué)理論……2019年德國(guó)馬普所的Eremets等人再接再厲，在氫化鑭體系中實(shí)現(xiàn)了250K的臨界溫度，但是同時(shí)需要極高的壓強(qiáng)。換句話說(shuō)，目前超導(dǎo)材料的最高臨界溫度已經(jīng)達(dá)到了203K。
超導(dǎo)體是指在極低溫度下，電阻會(huì)突然降為零的材料。超導(dǎo)體不僅具有零電阻的特性，而且具有完全抗磁性。超導(dǎo)體電阻轉(zhuǎn)變?yōu)榱愕臏囟龋Q為超導(dǎo)臨界溫度。
超導(dǎo)體已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于我們的生活、科研和生產(chǎn)等許多方面，如醫(yī)院核磁共振成像、大科學(xué)裝置和實(shí)驗(yàn)室的各種超導(dǎo)磁體等。尤其是高溫超導(dǎo)體已開(kāi)始得到應(yīng)用，如超導(dǎo)電磁感應(yīng)加熱應(yīng)用于鋁錠的加工和電網(wǎng)限流器等。
超導(dǎo)材料為什么這樣“紅”？
超導(dǎo)材料為什么重要？因?yàn)樗且环N具有巨大潛力和前景的材料，它將改變未來(lái)世界的許多方面：
超導(dǎo)材料可以用于制造高效的電力輸送和儲(chǔ)存系統(tǒng)，減少能源損耗和環(huán)境污染。例如，超導(dǎo)電纜可以在低電壓下傳輸大電流，節(jié)省空間和成本。超導(dǎo)儲(chǔ)能器可以在不同的電網(wǎng)之間平衡電力需求和供應(yīng)。
超導(dǎo)材料可以用于制造強(qiáng)大的磁體和電機(jī)，提高性能和效率。例如，超導(dǎo)磁體可以產(chǎn)生高達(dá)數(shù)十特斯拉的磁場(chǎng)，用于核磁共振成像、粒子加速器、核聚變等領(lǐng)域。超導(dǎo)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)高速、低噪音、低溫的運(yùn)行，用于飛機(jī)、火車、風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域。
超導(dǎo)材料可以用于制造量子計(jì)算機(jī)和量子傳感器，開(kāi)拓新的信息技術(shù)和測(cè)量技術(shù)。例如，超導(dǎo)量子比特可以實(shí)現(xiàn)快速、可控、可擴(kuò)展的量子運(yùn)算，用于解決復(fù)雜的優(yōu)化、加密、模擬等問(wèn)題。超導(dǎo)量子干涉儀可以實(shí)現(xiàn)高靈敏度的磁場(chǎng)、重力、溫度等物理量的測(cè)量。
以下是一些已經(jīng)商業(yè)化的超導(dǎo)產(chǎn)品，主要應(yīng)用在醫(yī)療、電力、交通、科研等領(lǐng)域。
?超導(dǎo)磁共振成像儀（MRI）是一種利用超導(dǎo)磁體產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)，對(duì)人體進(jìn)行掃描和診斷的醫(yī)療設(shè)備。超導(dǎo)MRI具有高分辨率、無(wú)輻射、三維立體掃描等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于全身各部位臟器的疾病診斷中。
?超導(dǎo)電纜是一種利用超導(dǎo)材料制成的零電阻輸電線路，可以實(shí)現(xiàn)高效、低損耗、低溫的電力輸送和儲(chǔ)存。超導(dǎo)電纜可以節(jié)省空間和成本，減少能源損耗和環(huán)境污染，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性和安全性。
?超導(dǎo)磁懸浮列車（Maglev）是一種利用超導(dǎo)材料產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)和抗磁性，使列車懸浮在軌道上運(yùn)行的交通工具。超導(dǎo)磁懸浮列車具有速度快、噪音低、運(yùn)行平穩(wěn)、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在日本、中國(guó)等國(guó)家投入運(yùn)營(yíng)或試驗(yàn)。
?超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)是一種利用超導(dǎo)量子比特進(jìn)行量子運(yùn)算的信息技術(shù)設(shè)備。超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)具有快速、可控、可擴(kuò)展的特點(diǎn)，可以解決復(fù)雜的優(yōu)化、加密、模擬等問(wèn)題，已經(jīng)由谷歌、IBM等公司開(kāi)發(fā)出原型機(jī)或商用機(jī)。
除了上述超導(dǎo)產(chǎn)品的典型案例，還有許多其他的超導(dǎo)產(chǎn)品正在研發(fā)或應(yīng)用中，例如超導(dǎo)感應(yīng)加熱設(shè)備、大型粒子加速器、核聚變裝置等。總之，超導(dǎo)技術(shù)是一種具有顛覆性創(chuàng)新和黑科技特征的前沿技術(shù)，它將為人類帶來(lái)巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。
5月29日在合肥科學(xué)島拍攝的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置（EAST）
中國(guó)超導(dǎo)“戰(zhàn)績(jī)”幾何？
根據(jù)相關(guān)報(bào)道，目前在超導(dǎo)技術(shù)方面領(lǐng)先的國(guó)家主要有中國(guó)、美國(guó)、日本和歐洲。這些國(guó)家在超導(dǎo)材料、超導(dǎo)電力、超導(dǎo)磁體、超導(dǎo)量子計(jì)算等領(lǐng)域都有較高的專利申請(qǐng)量和市場(chǎng)價(jià)值。這其中，中國(guó)的超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)發(fā)展可以說(shuō)迅速而穩(wěn)健，從超導(dǎo)材料的制備、超導(dǎo)線材的生產(chǎn)、超導(dǎo)磁體的設(shè)計(jì)、超導(dǎo)設(shè)備的應(yīng)用等各個(gè)環(huán)節(jié)都取得了顯著的進(jìn)步和突破。
首先，中國(guó)是全球超導(dǎo)第一大技術(shù)來(lái)源國(guó)，占全球超導(dǎo)專利總申請(qǐng)量的82.83%，并擁有一大批代表性的超導(dǎo)企業(yè)和應(yīng)用項(xiàng)目。如西部超導(dǎo)是一家專業(yè)從事超導(dǎo)材料和高端鈦合金材料的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售的企業(yè)，是全球唯一能夠批量生產(chǎn)多種超導(dǎo)線材的企業(yè)，也是國(guó)內(nèi)最大的高端鈦合金棒絲材的技術(shù)引領(lǐng)者和供應(yīng)商。西部超導(dǎo)的產(chǎn)品應(yīng)用于醫(yī)療、電力、交通、科研等領(lǐng)域，具有高效、低損耗、高性能等優(yōu)點(diǎn)。青島漢纜是全球最大的高溫超導(dǎo)電纜生產(chǎn)商，已經(jīng)在上海、北京等地建設(shè)了多條高溫超導(dǎo)電纜示范線路。
其次，中國(guó)在超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域也展現(xiàn)出強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)力和創(chuàng)新能力，尤其在電力、醫(yī)療、交通等領(lǐng)域取得了重大成就和突破。例如，2021年12月，全球首條超公里級(jí)高溫超導(dǎo)電纜商業(yè)化示范段在上海正式投運(yùn)，標(biāo)志著中國(guó)超導(dǎo)輸電應(yīng)用邁入全球領(lǐng)先行列。成都奧泰是國(guó)內(nèi)最大的超導(dǎo)MRI生產(chǎn)商，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了1.5T、3T甚至7T等多種規(guī)格的超導(dǎo)MRI的商業(yè)化生產(chǎn)。北京四達(dá)時(shí)代是國(guó)內(nèi)最大的超導(dǎo)濾波器生產(chǎn)商，已經(jīng)為國(guó)內(nèi)外多個(gè)移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商提供了高性能的超導(dǎo)濾波器產(chǎn)品。
還有，中國(guó)在超導(dǎo)技術(shù)的前沿領(lǐng)域也不斷探索和創(chuàng)新，如量子計(jì)算、量子傳感、量子通信等方向都有重要的研究進(jìn)展和應(yīng)用前景。例如，中國(guó)科學(xué)院物理研究所成功構(gòu)建了世界上規(guī)模最大的量子計(jì)算機(jī)原型“九章”，采用了基于超導(dǎo)量子比特的量子計(jì)算平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了66個(gè)可控量子比特和81個(gè)可控量子比特兩個(gè)世界紀(jì)錄。中國(guó)科學(xué)院微電子研究所成功開(kāi)發(fā)了基于高溫超導(dǎo)單光子探測(cè)器（HTS-SPD）的量子傳感器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱光信號(hào)的高靈敏度檢測(cè)和分辨。
除了中國(guó)，美國(guó)則在超導(dǎo)量子計(jì)算方面有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，谷歌和IBM等公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)出原型機(jī)或商用機(jī)。日本和歐洲則在超導(dǎo)磁懸浮列車和核聚變裝置等領(lǐng)域有較多的實(shí)踐和創(chuàng)新。
當(dāng)然，要實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)技術(shù)的商業(yè)化和普及化，還需要克服一些技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的難題。比如，超導(dǎo)材料的制備和性能優(yōu)化、超導(dǎo)設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造以及超導(dǎo)技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性等，上述問(wèn)題還有很長(zhǎng)的一段路要走。
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