室温超导的革命性爆点

原创 孟繁科

超导材料是指在某一温度下电阻为零的导体。而超导作为一种现象很早就被人们所认识，只是在近几十年里，科研工作者寻找超导体的努力，时不时被已经找到答案所鼓舞，又被一次次的骗局所压抑，探索也因此一次次陷入低潮，但探索的道路一直在起起伏伏中往前。

最近，也许是找到答案的时刻。它的革命性要远超爆火了一段时间的人工智能，它改变的不是行业应用以及日常工作与工作，而是改变人类对于物理世界的认识，目前看将颠覆所有与电有关的领域，随着认识的深入有可能结构现代科学基础，也就是其革命性的爆点将成燎原之势。

一、 什么是超导体

1911年，德国物理学家马克斯·普朗克提出了普朗克常数h，这一常数与温度T成正比。在一定温度下，物质的电阻为零，这一现象被称为“超导”。那么，超导体是什么就容易理解了，就是指在某一温度下电阻为零的导体。

超导的理论基础是马克斯·普朗克提出的量子论。其理论的核心观点是，假设量子理论可以描述任何物质在温度下的变化。普朗克提出的量子力学基本定律之一是：E=hν。该定律指出，当一个物体的温度降低到某一温度时，物体中的能量会转化为光子流出来。光子流是光传播的媒介，却与温度无关。因此可以说：任何物质都可以在绝对零度以上保持导体状态。

在超导体的发现过程中，有三个重要的人物：居里夫人、莫特和奥本海默。他们先后发现了超导体的存在。

1. 超导体材料

超导材料通常由碳、氮和氧等元素组成。它们的电阻很小，所以当这些物质被冷却到低于其临界温度时，它们会呈现出非常奇妙的特性：超导体的电阻会降到零。

目前，科学家已经发现了数千种超导体，包括铜、银、金、铂、铅、钾和钾等金属及其化合物。然而，科学家发现了两种新的超导体：铁基超导体和铜基超导体。与其他超导体相比，铁基超导体的电阻更小，因此其应用范围更广。但是，由于铁基超导体的熔点和沸点较高，其应用受到了很大限制。

在所有已发现的超导材料中，只有一种被称为“超导金属”。这是一种含有少量碳元素的金属，具有很高的熔点和沸点。当它被冷却到室温时，它会变成超导金属。在大多数情况下，它是铜和镍等合金的替代品，并且很容易与其他材料相结合。

根据金属类型和密度等因素，超导金属通常被分为两类：高熔点、高比强度超导金属和低熔点、低比强度超导体。

2. 超导机理

超导现象是指超导材料中电阻为零的现象。其原因在于，超导材料中存在着一种“低温导电”机制。当温度降低到一定程度时，材料中的电子会从高能态跳到低能态。

超导体的发现与超导机理研究密切相关。当材料的电阻达到零电阻时，就会发生超导现象。这意味着：当温度降到一定程度时，所有电子都会从低能态跳到高能态；这种现象被称为“超导电性”。

超导体之所以能实现室温超导，是因为这种材料在转变温度下具有零电阻特性。此外，超导体的转变温度随着材料中电子含量的增加而降低，这意味着这种材料具有非常高的导电能力。

在这种情况下，电子会失去能量而变为自由电子。

3. 室温超导

超导体是由某些元素（主要是铜）在低温下形成的，这些元素是以离子的形式存在于某些化合物中。当这些离子与原子或分子相互作用时，它们会释放出一种称为“电子”的能量。这种能量可以转化为热量，使处于固态状态的物质表现出超导现象。如果这些电子的能量低于某一临界值，这些物质就会显示出超导性。对于超导体来说，温度是一个非常重要的因素。当温度低于临界值时，超导体中的电子会通过不寻常的方式移动到一起。如果材料中存在大量的这种“电子”，就会产生库珀对。如果电荷处于平衡状态，库珀对就不会出现，也就不会有超导现象。

在这一过程中，电流穿过超导材料时会受到阻碍，这些阻碍就是所谓的“临界电流”。

一旦物体处于超导体状态，它将在整个宇宙中传播。从理论上讲，如果一个物体在一个非常低的温度下（即绝对零度以上）具有超导性，那么它就会在整个宇宙中传播。因为所有物质都能在绝对零度以上保持导体状态，所以当人们试图将物质冷却到绝对零度以下时，就会发生超导现象。

二、 室温超导及其发展中的重要实验与科学家

超导是一个多学科交叉的领域，它与材料学、物理学、电子学等学科都有关系。随着科学技术的进步和发展，人们对超导的认识也在不断地深入和发展。

1911年，奥地利物理学家莫特和意大利科学家塞曼发现在低温下铜氧化物中存在着一种奇异的电阻现象。当时，人们普遍认为这种电阻现象是由于电子间的相互作用产生的，它并不是什么物理现象。这种电阻被称为莫特效应。

1934年，法国科学家库珀因发现了一种超导体的超导转变温度为22K，这是首次发现超导。但是，库珀因低温测量结果与当时人们的一般认识相矛盾，他认为这种超导体不可能存在。

到了1957年，科学家们发现铜氧化物高温超导体在液氮温区也存在着超导电性。他们把这种超导体命名为“室温超导电性”或“超导电性材料”。

1958年，英国物理学家安德森和德国科学家魏格纳发现了高温超导现象，并分别被命名为“魏格纳效应”和“安德森效应”。他们的理论预言在液氮温度下存在着超导性。

1960年，日本科学家坂田昌一和英国科学家埃德蒙·哈丁分别发现了在液氮温度下存在着超导现象。至此，对于室温超导的认识前进了一大步。

室温超导的研究是超导科学研究中一个极为重要的发展阶段。它是一个革命性的发现，它改变了人类对高温超导体的认识，开启了高温超导体的研究和应用大门。

目前室温超导电性材料已被广泛应用于诸多领域：（1）电子计算机的内存和运算速度比传统计算机快数百倍；（2）磁共振成像技术能以极低的检测信噪比提供高质量的图像；（3）超导薄膜元件能在大电流传输时比传统材料更快；（4）超导纳米发电机能使磁场达到纳米量级，产生高场强；（5）高温超导材料可以制成高密度信息存储器件等。

值得一提的是，日本科学家在研究高温超导体时还发明了一种“低温超导体化技术”。所谓低温超导体化技术，是指将常温下呈固体状态的铜、铂等高温超导体经过退火、降温和真空处理等手段使之变为液体状态后再注入到液氮等低温下进行研究的技术。它是一种使材料从室温转变为液态、再由液态转变为超导电性体的技术。

目前室温超导已成为全球各国科学家和物理学家致力研究的重要课题之一。

三、 室温超导体的国际竞争与合作

国际上关于超导体的研究，主要集中在高温超导体的发现上，而且是以铜氧化物为基础，但其发展速度远不如铁基超导体快。在对铜基和铁基超导体研究中，主要有两种研究方式：一种是以美国、日本为代表的国际合作，另一种是以中国、俄罗斯等为代表的国际合作。以美国、日本为代表的国际合作研究主要通过购买外国先进设备进行研究，而中国、俄罗斯等则主要通过与外国科学家合作开展研究。

这两种方式都取得了一定的进展。美国在超导体领域的研究可以说是比较早的，并且取得了很好的成绩。美国在上世纪80年代就发现了铜基超导体。美国在超导领域有四个著名科学家获得了诺贝尔奖：费米、波尔、罗默和施温格。但由于铜氧化物超导体的特殊性，使其超导温度一直无法提高到室温以上。

直到近几年，通过国际合作，才在一些重要化合物中找到了室温超导材料。比如，在2017年，美国科学家发现了一种新型铁基超导体：C60。这种超导体在室温下有着非常高的电阻率（10-12Ω。 cm），其电阻率已经达到了铜氧化物超导体的1000倍以上。

1. 国际竞争

目前，国际上有三种铜氧化物超导体的研究方案。

一是以日本为代表的铜氧化物超导体研究方案。这种研究方案，在铜基超导体领域的研究中是最为广泛的。目前，已经发现了超过30多种铜氧化物超导体。这种研究方案，主要是从铁基超导体中寻找到高温超导材料。目前已经发现了超过30多种铁基超导体，但其中只有3种铁基超导体可以在室温下运行，而其他都需要在高温下运行。

二是以中国和俄罗斯为代表的国际合作研究方案，这种研究方案主要是从中国和俄罗斯这两个国家中寻找到高温超导材料。

目前，国际上对铁基超导体的研究正在如火如荼地进行着，但由于铁基超导体的特殊性，使其在寻找高温超导材料方面并不是那么容易，在很多情况下都要从零温度开始进行寻找。比如，在寻找到1K以下的高温超导材料之前，科学家需要在零下250摄氏度以上的环境中进行长时间的实验。由此可见，寻找室温超导材料是一个非常复杂且漫长的过程，需要大量的人力、物力、财力。所以说，这种研究方案是最难实现的。

2. 国际合作

中国在室温超导领域的研究起步比较晚，但进步较快。中国的超导研究始于上世纪80年代，到目前为止，已经取得了较大的进展。比如，在2008年，中国科学院物理研究所赵忠贤院士和李云燕研究员领导的课题组发现了一种新的铁基超导体： YBCO。这种超导体是以 YBCO为基元材料组成的复合超导体。而这种 YBCO是由铜氧化物超导体的基础上发展起来的，其制备工艺已经被研究人员完全掌握，并且已经应用于实际。

中国在超导领域的研究有了长足进展后，俄罗斯、日本等国家也纷纷开展了室温超导体的研究。其中，日本科学家在2016年首次发现了铁基超导体：铁基超导体具有非常高的临界温度，其临界电流密度也已经达到了铜氧化物超导体的10倍以上。

3. 上海交通大学的相关研究

上海交通大学一直在高温超导体方面处于世界领先地位，特别是近年来，在超导体的研究方面取得了巨大的进步，已经成为世界上高温超导领域研究最活跃、成果最显著的高校之一。上海交通大学刘强教授团队从2009年开始，就已经对超导材料进行了大量的探索。他们选择的超导材料是铁基超导体中的一种——铜氧化物超导体。

在研究过程中，他们发现在含有少量铜元素的铁基超导体中会出现一种奇异现象：当温度达到临界温度时，材料会表现出比正常态更强的磁性，而当温度降低到临界温度以下时，这种磁性将消失。研究人员通过测量这种现象的变化发现：随着温度降低，铜氧化物超导体会呈现出更强的磁性；而当温度下降到临界温度以下时，磁性又会消失。

这一现象引起了研究人员的注意。为了更好地解释这种现象，研究人员采用了磁化率测量的方法对材料进行了研究。结果发现，当超导体中含有少量铜元素时，其磁化率会发生剧烈变化。但是当材料中含有大量铜元素时，其磁化率反而会降低。研究人员在这一现象背后发现了一个有趣的现象：当材料中含有少量铜元素时，其磁性变化可能是由铜-氧键引起的；而当材料中含有大量铜元素时，磁性变化则可能是由于铜-氧结合引起的。在这个过程中，研究人员利用了凝聚态物理理论模型对实验结果进行了解释。

四、 超导体的应用领域

超导体应用最广泛的领域是电力系统。它是一种理想的无损耗传输线，能够在很低的温度下传递巨大能量，因而特别适合于传输大电流、远距离的输电。

超导体还被广泛地应用于各种电子设备中，如雷达、无线电通讯、电视和计算机等。特别是电子计算机中的各种电路都是由电子元件组成，这些元件要与电磁场发生作用。由于超导体具有许多特殊性质，因此它在电子设备中能起到很好的保护作用。如超导体不易被腐蚀、不易被氧化，很难受磁场干扰，这就保证了电路可以正常工作。

在超导技术中应用最多的是超导变压器。它是一种利用超导特性实现能量转换的装置，是一种理想的电力传输设备。在这类装置中，通常需要先将电能转换成热能或机械能再传输到其他地方。

超导体还可应用于医学上，它可以用来检查肿瘤，为病人提供准确的诊断信息。此外，超导体还可以用来探测物质中某些微量粒子的性质，这种方法已经被应用于粒子物理实验中。

前者利用了超导限流器将直流电转变成交流电后再传送到需要用电的设备中；后者利用了超导体电冰箱在低温下运行时没有任何损耗，可以实现省电和低温储存食品等。

1. 超导电缆

超导电缆是一种利用超导特性的新型电缆。在电力系统中，超导电缆是一种理想的无损耗传输线，它具有很大的输电能力和容量，可实现远距离输电。超导电缆可分为直流和交流两种类型。前者主要用于输送电力，而后者主要用于输送电流。超导电缆利用超导特性将电流从低电流密度的地方传输到高电流密度的地方，因此，它可以大大降低电能的损耗，节约能源。

目前已有多家公司研制出了各种规格的超导电缆，其性能都能达到甚至超过传统电缆。比如， 中 国的上海高压电器研究所研制出了6×1000A/32 kHz、15 KV/110 kV的超导电缆。美国通用电气公司研制出了2×100 KV/50 kV、2×110 kV/80 kV、5×300 kV/150 kV以及3×100 KV/50 kV等多规格的超导电缆。

2. 超导电机

超导电机是指以超导体为发电机转子的电动机。超导电机的工作原理是：利用超导体的“低温”特性，让它处于液氮环境下，然后再在线圈中通入电流。这样，就会使线圈产生感应电动势，从而带动电机旋转。这类电机的体积小，质量轻，且效率高。

早在1911年就有人开始研究超导电机。英国科学家用低温（-196℃）的液氦作为冷却介质，在线圈中通入直流电，用液氮冷却线圈。当线圈达到临界温度时，它就不会再产生感应电动势了。后来美国科学家用铜和铝作为超导材料制成线圈和定子。当线圈中通入直流电时，超导体的临界电流密度高达每平方厘米安。这样的电流流过线圈后，便产生了很高的电压和磁场。

目前，超导电机已应用于军事和民用领域。比如利用超导电机制造的高速武器已用于实战。美国研制的一种能在几秒钟内启动速度达20米/秒以上、持续时间超过100秒的大型超导电动机，在世界上第一次实现了对导弹的驱动；苏联研制成功一种在30秒内速度为300米/秒的大型超导电动机，能够驱动宇宙飞船等航天器。

3. 超导磁体

超导磁体是利用超导体的特殊性能制造的一种新型高科技产品。它是一种特殊的超导材料制成的磁体，它在磁场强度和时间上都能与普通磁体相比。目前，超导磁体广泛应用于核工业、电力、电子和机械等领域。

超导磁体可以用于制造强磁场，强磁场的强度比宇宙中的巨大物体还大得多。它不仅能够帮助人类开发新能源，还能促进科学技术的发展。因此，超导磁体是一个极有发展前途的领域，目前已经成为世界各国竞相研究的新方向。

在超导体中，以氢为基础制作的高温超导体是研究得最多、最深入的一种高温超导体。由于氢冷剂能使氢转变为超流，所以目前高温超导体已经达到了室温超导体水平，并在许多方面实现了实用化。

五、 室温超多带来的革命性变革

超导材料是一种具有重大应用前景的新材料，不仅在未来能源和电子科技领域有着重要的应用价值，而且在未来计算机技术、微电子技术和人工智能技术等诸多领域也将有着广泛的应用前景。

超导材料由于具有优异的超导性能而在电路设计方面得到广泛应用，其主要体现在以下几个方面：

1、电子器件小型化：由于超导体具有良好的导电性能，使电子器件可以小型化。例如，把一个5A器件放进真空密闭空间里，器件可以小型化到5μm×5μm。

2、电子元器件高速化：由于超导体的电阻为零，可以用很小的电流去驱动巨大的电功率。这一点是传统电子元器件无法做到的。

3、能量转化和传输效率高：由于超导体具有零电阻特性，使得在高电压、大电流条件下，能量转换效率大大提高。这一点非常重要，因为能量传递效率决定了能源转换效率。比如：超导变压器可以将200 KV、1A/m2的电流变成40 KV，从而提高了变压器的效率。

4、信息存储和传输速度快：在大容量存储器中，由于其电阻为零，使得电子元件可以存储很多数据。在电子科技领域中，由于超导体具有零电阻特性，使得电子元件可以高速运转，从而大大提高了信息存储和传输速度。

5、超导体能量转换效率高：由于超导体具有很好的导电性能，在大电流条件下（如在电力系统中），超导体可以直接传输电能和其他有用的物理量。例如：在电力系统中通过超导变压器将高压电直接输送到用户家中。

6、超导体抗磁场干扰能力强：由于超导体具有很好的抗磁场干扰能力和很高的电绝缘性，使得超导体可以用于制作超高压设备和大电流设备。例如：超导变压器可以制作成100 KV/m超高压变压器。此外，超导体还可以制作成高密度高绝缘性的信息存储元件以及很好的抗电磁干扰能力和抗辐射能力。

（1）超导技术的革命性意义

超导材料的发现，是人类科学技术发展史上的一次重大突破，它的意义在于：

1.在人类社会中，电能是人类社会生存和发展的主要能源之一，是推动经济社会发展的主要动力。但是目前传统意义上的超导材料只能在低温下工作，在高温下性能会急剧下降。而室温超导体则能在室温下工作，其超导性能非常优异，这就给未来能源的开发带来了新的希望。

2.重构电力系统。目前的电力系统极为庞大，包括了发电、输电、配电和用电设备等多个方面。电力系统中任何一个环节出问题都会造成严重后果。超导体不仅仅能提高传输效率，关键在于可以将现在庞大的电力系统微型化，尤其是电站微型化，因为电力损耗不复存在。电力系统因此会重构。

3.满足更多的电力需求。从当前人类社会的发展趋势来看，随着人类科技进步和经济发展水平的不断提高，对电力的需求量也日益增长。但是目前常规电力系统所面临的问题是：电力供应严重不足、能源消耗持续增长、环境污染日益严重以及资源浪费等。为了解决这些问题，就必须在发电、输电、配电和用电设备方面进行改革。而超导技术的出现则为这些问题的解决提供了一条有效途径。

4.超导材料具有很高的电阻率，其电阻通常在1Ω左右。这样它就具有了用电装置无能耗和无环境污染等优点。这对于降低电能消耗、改善能源结构有很大作用。

5.超导材料还具有很高的临界温度，其临界温度为0K （-℃）。这样就使得它可以在极低温度下工作而不会变化。这对于那些对低温条件要求非常高，如低温设备等，其应用前景将非常广阔。

这样就可以用很小的电流去驱动巨大的电功率。

7.超导材料具有很高的临界电流密度（10^9A/cm2），这一点对于提高电力系统传输能力、提高输电线路传输效率都有着积极作用。

8.超导材料还具有很高的抗磁场干扰能力和很高的电绝缘性，这使得它在诸多领域都有着广泛应用前景。

（2）室温超导在现代科技中的应用

1.超导材料在生物医学领域的应用：超导体具有零电阻特性，使它可以用来制造高电流密度的生物医学器件。在医疗领域，超导体可以用于治疗一些疑难杂症。比如：利用超导材料制成的磁共振成像系统可以实时监测患者的心脏状况，使医生能够及时地采取治疗措施；利用超导材料制成的血液分析仪可以检测病人血液中的血红蛋白浓度，从而帮助医生诊断出病人是否患有疾病，并为病人提供最佳治疗方案；利用超导体制成的心脏起搏器可以帮助医生在心脏病发作时迅速地找到心脏起搏器的位置；利用超导体制成的人工耳蜗可以帮助耳聋病人恢复听力。

（3）室温超导产业现状及趋势

超导体，是指当温度降至某一特定温度时，其电阻值完全消失的一种物质，也就是当一个超导体在降温过程中其电阻完全消失后，它的温度又重新回到低温时所呈现出的状态，这种状态叫超导态。

目前，室温超导体的研究已从理论研究发展到实际应用阶段，其应用领域包括生物医学、能源、电子和信息技术等。随着科学技术的发展，超导材料的应用范围也不断扩大。

1.超导材料的应用：超导材料最早被用于电磁器件中。如在医学中应用于核磁共振成像（MRI）技术；在电力工业中用于高压输电线路和大容量变压器；在航空航天工业中用于卫星定位系统；在信息产业中用于光纤通讯和数据传输系统。

2.超导材料的制备方法主要有两种：一种是以金属为基础的高温超导体的制备方法；另一种是以半导体为基础的低温超导体的制备方法。这两种方法均以半导体作为基元进行生产，目前室温超导体主要以低温超导体为主。

3.室温超导材料：根据应用领域不同，目前室温超导体主要分为三大类：一类是应用于强磁场领域的磁体材料；一类是应用于高温超导体领域（也称高温超导体），如用于磁悬浮列车、磁悬浮轴承等；一类是应用于高电压领域，如用于电缆、变压器等。

六、 结论

室温超导是一个极其复杂的体系，它既包括很多传统超导材料的应用，也包括了很多新型超导材料的探索。这一发现，不仅对理解现代凝聚态物理，对认识量子世界有着重大意义，也为高温超导等基础研究提供了新思路。

随着科技的发展，材料学与物理学、数学之间的关系会更加密切。通过对高温超导材料的研究，可以不断推动物理学、化学、材料学等学科的发展。而这些学科也将在人类生活中发挥越来越重要的作用。

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