简述超导应用

1908年，荷兰物理学家卡梅隆•昂纳斯（Kamerlingh Onnes）首次成功地把被称为“永久气体”的氦气液化，因而获得4.2K（-269℃）的低温源，为超导现象的发现提供了必要的低温条件。1911年，他在测试纯金属电阻率时，发现当温度降至-269℃时，水银电阻突然消失，即超低温使物质变成了新物态——超导态。昂纳斯宣布这一激动人心的发现时，并没有看出这一现象的普遍意义，仅仅当成是有关水银的特殊现象。

举一个例子，将金属铅做成一个圆环，放入接近0k的超低温中，铅的电阻就会消失，如果在环中通上电流，然后截断电源，将整套装置密封起来。放置2年后将装置打开，测量电流强度，发现几乎没有变化。这是因为超导环的电阻为0的缘故，因此没有能量损失，环中的电流可以几年、十几年、几十年经久不衰。

超导的具体应用

电力输送和超导电缆 目前世界上的电能约有1/4损耗在输电线路上，1/4损耗在变压器上。若使用无电阻的超导材料做输电线路和变压器，再采用一些绝热技术，将实现“无损耗输电”，等于增加了1倍的发电量。科学家已设计制造出实用超导电缆，利用一种合金氧化物（钇钡铜氧）制成几毫米的带子，缠绕在装有流动液氮的管子上，再加上几层绝热层，一根超导电缆就制成了，它的输电能力是铜的30-40倍。

超导磁体 研究人员已制造出超导磁体，它既无电阻、也无热损耗，易产生强大磁场，还节省电力。5万高斯的强磁场只需几百瓦功率的电源。过去，一个产生5万高斯强磁场的磁体重量达20吨，而采用超导磁体只需几千克。

核磁共振成像超导磁体

超导计算机 高速计算机的散热是超大规模集成电路面临的难题，而超导计算机中的超大规模集成电路，其元件间的互连线用接近零电阻的超导器件来制作，不存在散热问题，还可大大提高计算机的运算速度。所以许多科学家坚信，未来的超大容量快速计算机一定会用到超导的，也就是使用约瑟夫逊器件的超高速计算机。这是因为约瑟夫逊效应使得两个靠得非常紧的超导体材料的绝缘层之间，当施加的电压超过某一特定值时就会有电流通过，小于时则没有——类似于半导体的二极管现象，所以可以用于计算机。同时约瑟夫逊器件具有极高的开关速度(是硅器件的约100倍)和低功耗(只有硅的千分之一以下)，因此发热量极小，可以实现体积小、高密集度集成电路。日本电气公司开发出了使用约瑟夫逊器件新的逻辑电路，其门开关速度达到一万亿分之一秒。

超导计算机

高温超导移动通信基站系统 特指由高温超导微波器件和小型低温制冷机组成的电子学子系统，用于取代现有移动通信基站中接受机前端的关键部件，如滤波器和低噪声前级放大器等，如下图所示。高温超导滤波器是一个被动的器件，它必须冷却到超导转变温度（通常是65-80K，即零下208至1960C）以下，才能正常工作。滤波器通常通过一组同轴电缆与低噪声前级放大器相连。低噪声前级放大器是一个主动器件，当低噪声前级放大器冷却到90-110K（即零下183-1630C）时，其信噪比可以得到大幅度的改善，当进一步冷却到77K（零下-1960C）时，其信噪比可以降到99%。由于高温超导器件的卓越性能，将给移动通信基站性能的提高带来革命性的变化，将成为21世纪新一代移动通信工程的升级产品。高温超导移动通信基站子系统的主要优越性体现在五个方面：改善接受机的选择性;提高接受机的灵敏度;减少基站的功率损耗;提高接通率，可提高1/3以上，并改善通话质量;在人口稀少的地区，可以大量减少基站数量。

高温超导移动通信基站子系统

迈斯纳效应与磁悬浮列车

超导电性另一个基本特性是完全抗磁性。1933年，迈斯纳发现，材料一旦进入超导状态，体内的磁通量将全部被排出体外，磁感应强度恒为零，现在称为迈斯纳效应，如下图所示。这实际上就是磁屏蔽的原理，磁悬浮也是基于此原理的。

迈斯纳效应示意图

如下图所示，在锡盘上放一条永久磁铁，当温度低于锡的转变温度时，小磁铁会离开锡盘飘然升起，升至一定距离后，便悬空不动了。这是由于磁铁的磁力线不能穿过超导体，在锡盘感应出持续电流的磁场，与磁铁之间产生了排斥力，磁体越远离锡盘，斥力越小，当斥力减弱到与磁铁的重力相平衡时，就悬浮不动了。

迈斯纳效应演示图

磁悬浮列车就是利用上述磁悬浮原理制造的一种（没有）车轮与轨道无接触式的有轨交通工具，时速可达到500公里以上。由于列车“悬浮”在轨道上面作无摩擦运行，从而克服了传统列车车轨粘着限制、机械噪声和磨损等问题，并且磁悬浮列车具有启动、停车快和爬坡能力强等优点。经过数十年的发展，磁悬浮技术形成了两大研究方向——德国的ＥＭＳ（常导磁吸型）系统和日本的ＥＤＳ（排斥式悬浮）系统。ＥＭＳ系统，是利用常规的电磁铁与一般铁性物质相吸引的基本原理，把列车吸附上来悬浮运行，例如上海的磁悬浮列车。ＥＤＳ系统，则是用超导的磁悬浮原理，使车轮和钢轨之间产生排斥力，使列车悬空运行。下图为日本的超导磁悬浮实验列车的外观图和其原理图。

日本超导磁悬浮实验列车的外观图

日本的超导磁悬浮实验列车原理图

由于磁悬浮列车具有快速、低耗、环保、安全等优点，因此前景十分广阔。常导磁悬浮列车可达400-500公里/小时，超导磁悬浮列车可达500-600公里/小时。它的高速度使其在1000至1500公里之间的旅行距离中比乘坐飞机更优越。由于没有轮子、无摩擦等因素，它比目前最先进的高速火车省电30%。在500公里／小时速度下，每座位／公里的能耗仅为飞机的1／3至1／2，比汽车也少耗能30%。因无轮轨接触，震动小、舒适性好，对车辆和路轨的维修费用也大大减少。磁悬浮列车在运行时不与轨道发生摩擦，发出的噪音很低。它的磁场强度非常低，与地球磁场相当，远低于家用电器。由于采用电力驱动，避免了烧煤烧油给沿途带来的污染。磁悬浮列车一般以4.5米以上的高架通过平地或翻越山丘，从而避免了开山挖沟对生态环境造成的破坏。磁悬浮列车在路轨上运行，按飞机的防火标准实行配置。它的车厢下端像伸出了两排弯曲的胳膊，将路轨紧紧搂住，绝对不可能出轨。列车运行的动力来自固定在路轨两侧的电磁流，同一区域内的电磁流强度相同，不可能出现几辆列车速度不同或相向而动的现象，从而也排除了列车追尾或相撞的可能。

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突破！美国造出15℃室温超导材料，家里电线也能用上超导体？

一提到超导，大家立刻就会想到低温，大部分超导材料的转变（临界）温度都接近绝对零度，需要用液氦冷却，少量被称为“高温”超导的，转变温度也没高过-173度，得用液氮冷却。然而《自然》杂志最新的一篇文章颠覆了这种概念，美国科学家制出了能在15℃室温下实现超导的材料 ，创造了新的纪录，也刷新了人们的认知。这是否意味着超导可以摆脱复杂沉重的冷却装置，以至于我们平常用的电线也可以用超导体来制造呢？

超导磁悬浮

事情没那么简单，这种含碳硫化氢（C-S-H）晶体材料，只能在极高压力下存在，而要达到室温超导，压力需要再次升高到267万个大气压 ，这已经相当于木星内部的压力。如此高压，只能采用金刚石顶砧来实现，就是将两块金刚石的尖端硬怼在一起，针尖对麦芒，两边再一挤，由于接触面小，压强可以高达数百万个大气压。为什么在如此极端的条件下才能实现室温超导呢？我是人马座A，科普界的包打听，今天咱们就来聊聊这个登上Nature封面的重大突破。

金刚石顶砧

超导材料从绝对零度一路走来

超导电性是由荷兰科学家昂尼斯(Onnes)在1908年发现的，他实现了当时最先进的低温技术，将氦气液化，得到了仅比绝对零度高几度的低温，并发现金属汞在4.2K（-269℃）下的电阻为0，意味着如果用它来输电，可以实现电能的零损耗。这一发现非同小可，昂尼斯因此在5年后就获得诺贝尔物理学奖，相比之下，2020年诺奖得主彭罗斯要哭晕在厕所，后者出成果30多年后才获奖。

为什么会出现超导现象呢？1957年的BCS理论告诉我们，在极低温度下，电子通过与晶格的相互作用，形成了电子对（库珀对），在电流传导时，库珀对不与晶格产生能量交换，也就没有了电阻，但这也必须在低温下才能实现。根据BCS理论，美国科学家麦克米兰预言超导临界转变温度不会超过-234℃，被称为“麦克米兰极限”。

低温超导

电阻为零实在过于诱人，超导现象一经发现，立刻就得到广泛应用，最大的用途就是可以实现强磁场，例如磁悬浮列车、磁悬浮轴承、粒子加速器等。谷歌量子计算机使用的约瑟夫森结也是利用了超导。不过极低的使用温度确实限制了超导的普及，于是科学家不断探索具有更高转变温度的超导材料，超导的温度极限一路提高。1987年，我国著名科学家赵忠贤院士用钇钡铜氧中获得了93K（-180℃）的临界温度，突破了BCS理论，使我国在超导领域走到了世界前列，并因此获得国家最高科学技术奖。氧化物超导陶瓷也成为最有希望的新型超导材料。

赵忠贤院士

然而传统的BCS理论并没有被放弃，近年来富氢材料的出现，使传统超导的转变温度又大幅反超了超导陶瓷。

富氢超导材料异军突起，我国学者曾作出理论预言

富氢材料顾名思义就是含氢比较多。1968年，Neil Ashcroft指出纯氢在地心、木星内部那样的巨大压力下，会转变了固体金属氢，由于强大的氢键存在，其晶格可在较高温度下传递库珀电子对，超导临界温度可以达到290K，也就是17℃，是一个开着空调就能轻松达到的温度。但为了使氢键不断裂，所需要的压力过于巨大，而且金属氢极难得到，至今在地球上也没有获得公认的制取记录。于是科学家又想到了含氢量高的富氢材料。

木星内部存在金属氢

早在2014年，吉林大学的马琰铭和崔田团队就分别预言了H2S（硫化氢）和H3S（硫化氢与氢的复合物）可在160GPa和200GPa下实现80K和200K左右的超导转变温度。2015年，德国科学家德罗兹罗夫和叶列米特在高压下用硫化氢实现了-70℃的临界温度，并于2019年进一步用氢化镧体系实现了-23℃，压力为170GPa（170万个大气压）。

而这次，美国罗彻斯特大学的Ranga Dias等人，将碳原子引入到H3S硫化氢体系中，他们将甲烷（CH4）、硫化氢和氢混合，充入金刚石顶贴的尖端，并施加4万个大气压的高压，在这之后，用波长为532纳米的绿色激光照射了几个小时，形成了一种C-S-H晶体，在加压至267±10GPa（267万个大气压）后，实现了15℃的超导转变温度最高纪录。

C-S-H晶体的制备

未来应用可期

很多人可能会觉得267万个大气压的条件过于苛刻，根本无法实际应用。但这次美国人的成功是一个质变，意义十分重大，毕竟是首次在正常室温下实现了超导，登上了Nature的封面，至于压力条件，可以慢慢去改善。Ranga Dias表示目前这种C-S-H晶体的精确结构实现上还不是很清楚，如果能引入其它元素，有可能实现较低压力下的室温超导。