潮新闻 执笔 金春华

超导体的磁悬浮。图片来自视觉中国

(资料图片)

最近，韩国科学家团队宣布合成了世界上第一个室温常压超导体，引发热议，众说纷纭。

超导体，又称超导材料，指的是在某一温度下电阻为零的导体，能广泛应用于储能、磁悬浮列车、电力输送、核磁共振等领域。自人类发现超导现象以来，该领域已经产生了5个相关的诺贝尔奖。中国科学家也因超导领域的突破，两次获国家自然科学一等奖、一次获国家最高科学技术奖。

但是，超导材料的实现很不容易，比如需要超高压——有科普作家打过一个比方，有一种超导材料所需的超高压，近似于一只大象背起三四百只大象，再穿一只细高跟鞋，然后用细高跟鞋跺一下那种大小的力。

世界上有没有室内常压条件下的超导材料？目前有一种，但“出现”在科幻电影《阿凡达》中：一种叫“Unobtanium”室温超导矿石，可以让一座座大山悬浮在空中。中国科学院物理研究所研究院罗会仟曾在一篇文章中说到，从事超导研究的科学家们，同样怀有一个终极的梦想，那就是寻找到可实用化的室温超导材料。

现如今，研发新的可大规模应用的超导材料，成为全球科技竞逐的目标之际，中国科学家做得怎么样呢？

《自然》杂志（Nature）刊登中山大学王猛教授团队主导的科学成果：首次发现液氮温区镍氧化物超导体。图片来自中山大学官网

有的领域实现“从0到1”突破

目前，中国在超导一些研究方向上已做到世界领先水平，且在不断取得新突破。

北京时间7月12日晚上11时，国际顶刊《自然》杂志（Nature）刊登中山大学王猛教授团队主导的科学成果：首次发现液氮温区镍氧化物超导体。

这是中国科学家在全球率先发现的全新高温超导体系，是人类目前发现的第二种液氮温区非常规超导材料，被视作基础研究领域“从0到1”的突破。

想要理解这一发现的重要意义，潮新闻记者先简单捋一下超导发展历史。

1911年，荷兰物理学家昂内斯首次发现超导现象。当时，他把汞冷却到4K（“K”为热力学温度单位“开尔文”，4K=-269.15℃），这接近于绝对零度（-273.15℃）。此后，科学家一直在寻找高温超导材料。

1980年代，在中科院物理所赵忠贤老师为代表的团队带领下，中国很快发现了90K（-183.15℃）以上铜氧化物高温超导现象，打破了传统超导体的转变温度一般不能超过40K（-233.15℃）的上限。赵忠贤研究团队凭借卓越成果，获得了1989年国家自然科学一等奖。

2008年，赵忠贤团队将铁基超导体的临界温度提高到了55 K（-218.15℃），推动中国高温超导研究走在世界最前沿。当年美国《科学》以“新超导体将中国物理学家推到最前沿”为题发表述评，肯定了中国物理学家开展的富有重要影响的领先性工作。

自此，很多新的铁基超导材料、包括超导机理方面的物性研究，均由中国科学家率先开展。据中国科学院物理研究所研究员罗会仟介绍，直至今日，中国在超导基础研究领域，即材料和机理方面，都处在全球前列。

2014年1月，以赵忠贤、陈仙辉、王楠林、闻海虎和方忠为代表的中国科学院物理研究所和中国科学技术大学研究团队凭借“40K以上铁基高温超导体的发现及若干基本物理性质研究”，获2013年度国家自然科学一等奖。3年后，赵忠贤院士获得2016年度国家最高科学技术奖。

在高温超导材料研发中，液氮温区（77开尔文，即-196℃）尤为特殊。因为，液氮相比其他材料更加廉价、易得。这就推动了铜氧化物高温超导材料在信息技术、生物医学、科学仪器、电力、交通运输等领域的应用。

但是，铜氧化物至此仍是唯一液氮温区的非常规超导材料。“科学家在铜氧化物超导电性研究中掌握了很多实验现象和规律，然而与高温超导的因果关系无法确定。”清华大学教授张广铭说，高温超导的机理至今未知，成为近40年来物理学中最重要的科学问题之一。

王猛教授展示镍氧化物La₃Ni₂O₇单晶。中山大学 供图

此次，王猛团队首次发现在液氮温区超导的镍氧化物。据王猛教授介绍，镍氧化物的电子结构、磁性与铜氧化物完全不同。通过比较研究，将有可能确定高温超导的关键因素，推动科学家破解高温超导机理。

如果仔细留意中国超导研究进展，你还会发现很多新闻：比如，今年6月，中科大团队在世界物理学顶级刊物《物理评论快报》（Physical Review Letters）发表论文，创下元素超导体转变温度新纪录。2014年，吉林大学马琰铭团队预言在160 万个大气压下，硫化氢(H2S)可变为超导体，超导临界温度为80 K；吉大另一团队崔田研究组预言H2S-H2化合物在高压下可能实现191-204 K 的高温超导。

超导电缆。图片来自上观

更多超导材料应用于生活

中国超导的领先，离不开国家大力支持，并实现在多个领域的应用。

上世纪六七十年代，中国就开始超导研究。“863计划”诞生不久，超导就作为专项列入。“十五”期间，国家对“863”超导专项给予大力支持，当时的科技部投入经费约1亿元，加上社会各界的投入，课题总经费约4亿元左右。该专项取得了丰硕成果，其中一部分完全达到世界先进水平。

近年来，国家层面有关超导的顶层设计、政策也是密集出台。2021年12月，工信部联合科技部、自然资源部发布的《“十四五”原材料工业发展规划》提出，实施前沿材料前瞻布局行动，支持科研单位联合企业，把握新材料技术与信息技术、纳米技术、智能技术等融合发展趋势，发展超导材料、智能仿生、增材制造材料等，推动新的主干材料体系化发展，强化应用领域的支持和引导。这被业界视为明确了超导材料在现代产业中的定位。

超导的重视，离不开其巨大的应用价值。例如在超导电缆领域，我国已实现落地应用。

超导材料可使电力传输介质接近于零电阻，电能传输损耗趋近于零。一条35千伏超导电缆相当于传统220千伏电缆的输送容量，可以替代4至6条相同电压等级传统电缆，较以往可节省70%的地下管廊空间。在我国，据悉每年电力传输上的损失就高达上千亿度，若换成超导材料，节省的电能相当于新建数十个大型发电厂。

2004年，中国第一组超导电缆系统正式并网。我国成为继美国、丹麦之后，全球第三个将超导电缆投入电网运行的国家。2013年，国内首套30米、35千伏低温绝缘高温超导电缆挂网运行，标志着中国在实用低温绝缘高温超导电缆技术中获得突破。2021年12月，全球首条超公里级高温超导电缆商业化示范段在上海正式投运，标志着中国超导输电应用迈入全球领先行列……

南京大学教授、长江学者特聘教授、美国物理学会会士闻海虎最近在在接受媒体采访时介绍，目前超导材料实际上已经应用在很多产业了，比如核聚变研究的磁体、医院内核磁成像的磁体、高频滤波器、量子计算等等方面，都有应用。

2016年9月，在美、日、欧等国家的铁基超导线制备还处于米级水平之际，中科院电工研究所研究员马衍伟团队成功研制国际首根100米量级铁基超导长线。这是铁基超导材料从实验室研究走向产业化的新的里程碑。

长沙磁悬浮。图片来自湖南发布

在中国，超导为大众所熟知的要数磁悬浮列车。2002年12月31日，由中国铁建承建的世界首条磁浮运营线——上海磁浮列车示范运营线通车运营。2016年5月6日，中国首条自主设计、自主施工、自主制造的具备完全自主知识产权的中低速磁浮商业运营示范线——长沙磁浮快线开通。目前，国内还有北京地铁S1线、广东清远磁浮旅游专线、凤凰磁浮观光快线等多条已投运或在建的磁悬浮线。

2021年1月，世界首台高温超导高速磁浮工程化样车在成都下线，设计时速620千米。

合肥科学岛拍摄的全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）。图片来自新华网

前沿产业布局加速推进

这几天，广大网友纷纷“脑洞大开”，畅想室温超导带来的改变——可控核聚变、量子计算机等重大基础设施将获得巨大突破，飞车行驶并不是梦想，电脑、手机也不会有发热发烫的烦恼……

为了让大家“圆梦”，科学家们、产业界等都在不断努力——

基础研究领域，很多团队在进一步探索路上。王猛团队的发现，得到《自然》杂志审稿人的高度评价，认为它“具有突出重要性”“是开创性发现”。该发现在审稿阶段于科研论文预印平台公布后，在1个月左右时间里已有10余项相关理论和实验工作相继公布。

“目前，我们的超导材料，需要14GPa压力下才能实现，这会限制对超导机理的研究以及广泛应用。研究团队目前正在攻关，希望生长出常压下达到液氮温区超导的镍氧化物超导体。”王猛说。

王猛教授团队开组会。中山大学 供图

在产业发展上，超导材料市场规模将继续增长。根据欧洲超导行业协会（Conectus），全球超导产品市场规模已从2012年的51.9亿欧元增长至2022年的68亿欧元。

超导材料根据临界温度，可分为低温超导材料和高温超导材料。目前，国际超导材料市场90%左右是低温超导材料。在该领域，全球仅有少数几家企业掌握低温超导线生产技术，主要分布在美国、英国、德国、日本和中国。

近几年，商业嗅觉灵敏的民营资本，同时在进入强磁场、可控核聚变、磁悬浮列车等高温超导带材应用领域。2020年9月，中国制造业500强、中国民营企业500强奥盛集团发起成立了长三角超导产业链联盟，联合了长三角地区如上海国际超导、上海超导、上创超导、苏州新材料所、安徽万瑞等超导产业链诸多龙头企业。

我国多个省市发布了支持超导相关产业建设的政策。

早在2011年，上海市政府就开始在高温超导材料领域培育上创超导、上海超导这2家民营企业，提前布局。2021年，上海市的战略性新兴产业和先导产业发展“十四五”规划则明确提出，培育高温超导材料、石墨烯、3D打印等，努力形成一批具有自主知识产权的国际领先的原创核心技术。上海正全力推动打造具有全球影响力的超导产业高地。

浙江也在加快布局。2021年，浙江省印发《浙江省全球先进制造业基地建设“十四五”规划》，《规划》提出，重点培育柔性电子材料、石墨烯材料、3D打印材料、超导材料等产业，部分领域达到世界先进水平。

今年初，浙江印发《关于培育发展未来产业的指导意见》，其中在“优先发展9个快速成长的未来产业”之一的“前沿新材料”产业，就提出重点发展石墨烯、超导材料、生物可降解材料、碳纤维复合材料、新一代3D打印材料等领域，……以新一代材料形成新一代技术装备。

“转载请注明出处”

关键词：