【人民日报】超导—— 能源信息等领域的战略级科技(开卷知新)-皇冠体育平台

时间:2023-11-03 19:18:09 来源:人民日报


  今年以来,我国自主设计建造的“人造太阳”全超导托卡马克核聚变实验装置(east)取得重大成果,“祖冲之号”超导量子计算机也不断取得新的突破,标志着我国在能源、信息相关前沿研究领域中占据了制高点。在这些重大科技突破的背后,都离不开超导材料与超导技术的发展。


  超导是人类发现的第一种宏观量子现象,具有丰富科学内涵和广阔应用前景。超导表现出的零电阻和完全抗磁性等奇特性质,目前已在近万种材料中被发现。超导的研究历程已经跨越了一个多世纪,但人们的研究兴趣依然未减。超导研究一次次打破人们对微观物质世界的认知,推动了新物理概念的产生、新物理规律的发现和新方法的建立;超导材料也被广泛地应用于能源、信息、医疗、国防、交通等领域,在许多方面发挥着不可替代的作用。


  零电阻和完全抗磁性是超导体的基本物理特征


  对超导态的认识可以追溯到1911年,当荷兰物理学家卡末林·昂内斯把金属汞冷却到液氦温度4.2开尔文(约为零下269摄氏度)时,意外发现其电阻跳跃式地下降到了设备检测不到的数值。卡末林·昂内斯将这一当时物理学界无法理解的全新物态命名为“超导态”,进入超导态的物体被称为超导体。随后20多年时间里,物理学家又发现超导态的完全抗磁性:小磁场无法穿透到超导体的内部。换言之,磁场被超导体排斥,只能从超导体的表面附近“绕过去”。这些独特的电磁学性质与人们所熟知的金属特性完全不同,需要一套全新的物理理论进行描述。


  对超导态的解释是20世纪前半叶物理学最重要的问题之一。许多顶尖物理学家提出过自己的见解,但都不能完全解释实验现象。上世纪50年代末,这个方向出现了重大突破——在理论和实验物理工作者的共同努力下,人们确认超导态的出现是由于固体中电子受到原子振动影响,两个电子之间产生相互吸引作用,形成特殊的“电子对”。配成对的两个电子可以当作一个基本的单元来考虑,它们的行为与单个电子截然不同,能够相干在一起发生宏观凝聚现象,形成具有零电阻和完全抗磁性的超导态。这一超导微观理论是量子力学建立之后最重要的理论进展之一,其建立的概念也推动了宇宙学、粒子物理学、核物理学等学科的发展。


  持续探索超导材料,高温超导家族不断壮大


  建立超导态形成的微观理论的同时,人们也在寻找具有更高超导转变温度(即临界温度)的材料。遗憾的是,几十年时间里超导临界温度的提升并不明显,最高只能到20多开尔文,离最常用的制冷剂——液氮的沸点温度(77开尔文)还很遥远。1986年,超导材料探索终于实现巨大突破:瑞士科学家在一类铜氧化物体系中发现了超过30开尔文的超导电性。这是20世纪科学史上的标志性事件之一。很快,一系列突破液氮温度的高温铜氧化物超导体被发现,我国科学家和华人科学家在其中作出了重要贡献。目前铜氧化物高温超导体已经成为一个庞大的超导家族,一些材料也开始规模化应用。


  2008年,超导材料的探索又迎来了重大进展:第二个高温超导家族——铁基超导体被发现。这些材料是含有铁元素的磁性金属,其超导态在元素替换或高压合成下演化出丰富的行为。我国科学家在发现铁基超导材料以及对其超导机理的研究中,处于国际领先的位置。高温超导的发现向理论研究提出新的挑战,其具体机制的探索仍在进行当中。高温超导微观理论的构建是当代物理学界急需解决的重要科学问题,对这个问题的解答将标志着人类对物质世界认知水平的一次重大突破。


  在能源、信息等领域带来深刻变革的战略级科技


  超导体由于其独特的物理性质,在很多领域发挥着不可替代的作用。超导体的零电阻特性使其成为一种理想的低能耗材料,在能源领域有广泛应用前景。它可以帮助我们显著降低电力工业中的传输损耗和能源、冶金工业中的碳排放,为实现“双碳”目标作出贡献。超导线缆的实用化是实现大功率、低损耗、高稳定性输电的重要方案之一。目前我国在这一技术领域已经有了明显进展:国内首个千米级超导电缆在上海投入使用,并取代了部分传统变电站的作用;深圳为满足平安大厦较大的供电需求,建设了一支长度为400米的超导电缆。这些是超导电缆应用方面里程碑式的成果。此外,能够保护电路免受大电流冲击的超导限流器也已经在南方电网进入应用阶段。


  随着我国基础设施建设和制造业的高速发展,对有色金属及其合金的需求与日俱增。有色金属的传统加工手段是使用常规感应加热,即利用高频交流电场在金属表面的趋肤效应加热,以高热导特性实现整体熔融并进行加工。这种感应加热长期存在能耗高、效率低的问题。我国最新开发的超导电磁感应加热技术,兆瓦级的装置每年可以节省800万千瓦时电,加热效率从原来的40%—45%提高到80%—85%。


  基于超导体的强载流特性,可以制造无损耗的超导磁体线圈,实现传统磁体不能提供的磁场强度和稳定性。超导磁体所提供的超强磁场将有助于实现可控核聚变——在聚变堆内部,温度高达上亿摄氏度,超过任何材料的熔点,因此热核反应工作物质只能通过强磁场约束在反应区内;巨型强磁场超导磁体线圈的应用将有力推动可控核聚变技术的实用化,为能源产业带来颠覆性变革。超导磁体的另一个重要应用场景是生物医学:多数医用核磁共振成像设备都要用到超导磁体,通过不断提升超导线圈提供的磁场,可以显著提高核磁共振成像的分辨率,实现更快速、更准确的临床医学诊断。


  作为人类利用电磁相互作用的极限手段之一,超导体在电子学器件领域也具有显著优势。超导电子对穿过两个超导体之间的绝缘夹层时会发生强烈的干涉效应,即约瑟夫森效应。这种隧穿对外磁场的响应极为灵敏。基于约瑟夫森效应设计的超导量子干涉器件,能够探测地球磁场几十亿分之一的微弱磁场变化,被广泛应用于材料科学、地质勘探中的磁性测量以及临床医学中的生物磁成像。超导薄膜和约瑟夫森结组成器件单元和电路,可以形成传感器、探测器、数字电路、量子比特等多种超导电子有源器件和滤波器、电磁超材料等无源器件,在灵敏度、噪声、速度、功耗、带宽等方面具有传统半导体器件无可比拟的优势。约瑟夫森效应也被用于设计超导量子比特,成为量子计算机的基本单元;超导量子计算在过去20多年发展迅速,已经从最初的展示宏观电路量子特性的基础研究,发展成一个有可能孕育出变革性新技术的方向。


  超导体在微电子技术中的应用会成为解决目前半导体集成电路功耗问题的关键。传统半导体晶体管器件随着集成度的不断提高,正面临功耗瓶颈、发热严重、能耗过高等挑战。由于未来制造业以数字化和智能化为主,需要处理的数据量随着产业升级而急剧增加,超级计算机所需的大空间、高功耗和高散热正制约着算力的进一步提升。相比于传统半导体,使用超导电子学元件的超级计算机能耗降低五个量级,速度可以提升两个量级,且工艺和设计上与半导体技术相互兼容。因此,超导计算机的开发将为应对能耗问题提供一个可行的出路。


  自超导现象被发现以来,室温超导体就是人类的一个长期梦想。目前,并不存在可靠的理论证明室温超导不会存在,而超导材料探索中的多次惊喜也一步步打破对追求室温超导的限制。近年来,人们在高压下的富氢化合物中实现了转变温度接近零下20摄氏度的超导电性,看到了获得室温超导体的希望。随着人们对材料探索、设计、合成和控制能力的不断提升,超导材料的探索进程极大加速,室温超导之梦已非遥不可及。中国超导科研工作者将抓住这一领域蓬勃发展的历史机遇,再接再厉、勇攀高峰,争取更多科学突破,为我国经济社会发展贡献科技力量。


  (作者为中国科学院院士、中国科学技术大学物理系教授陈仙辉)


  推荐读物

  《d波超导体》:向涛著;科学出版社出版。

  《铁基超导体物性基础研究》:赵忠贤、于渌主编;上海科学技术出版社出版。

  《超导物理》:张裕恒编著;中国科学技术大学出版社出版。

  《超导“小时代”》:罗会仟著;清华大学出版社出版。


  来源:人民日报(2023-11-03 第20版)

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