趙忠賢：超導——一個充滿挑戰與發現的領域_風聞
返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！07-05 09:23
超導一直是物理學術領域的熱門，儘管超導現象發現已有百年，在探索高温超導材料和理論方面，它仍然非常年輕。而超導的實際應用已經改變了我們的生活，正是社會發展的體現。探索超導，對與科學進步與國家發展都具有重要意義。本文內容整理自趙忠賢院士2017年在“墨子沙龍”上發表的演講。
撰文 | 趙忠賢（中國科學院院士、中科院物理所研究員）
過去，超導研究是一個充滿發現與挑戰的領域，現在仍然是。
超導的歷史
超導研究始於年。那一年，荷蘭物理學家海克·卡末林·昂內斯繼1908年實現氦氣液化之後，在研究低温下的汞的電阻行為時發現：在温度降低到4.2K時，電阻為零。這一現象在1913年被正式確認，被稱作“超導電性”。
當時，物理學正處在從經典物理學向現代物理學，特別是向量子力學過渡的時期。超導電性是第一個被發現的宏觀量子現象，從一開始就引起了科學界的極大關注。雖然如此，但大家對它還是一頭霧水，其中包括愛因斯坦。愛因斯坦曾經考慮過超導現象的起源問題，但是因為那時實驗數據太少，他最後放棄了研究。現在回看，他的這個決定非常明智，因為一直到很久之後，超導研究才有了重要進展。有人開玩笑説，超導來得太早了，物理學界還沒有準備好。
1933年，邁斯納和他的學生髮現：一個理想的超導體，它內部的磁感應強度等於零。這個發現非常重要，它是超導體的又一個特質。這個性質（完全抗磁性）可能比零電阻更接近超導體的本質，被稱作“邁斯納效應”。
零電阻和完全抗磁性是超導體的兩個主要特徵，缺一不可。
1935年，倫敦兄弟提出了以其姓氏命名的方程——倫敦方程，這一方程可以很好地描述超導現象的這兩個基本性質，並確定超導是宏觀量子現象。再後來大家知道，邁斯納效應是對稱性自發破缺的結果，是安德森-希格斯機制的一種表現形式。
到了二十世紀五十年代，列夫·朗道和維塔利·金茲堡提出金茲堡-朗道方程（G-L方程）。G-L超導唯象理論在相變理論的基礎上從物理中引進有序參量，解釋並預言了一些超導的物理性質，並由年輕的阿列克謝·阿布里科索夫發展出超導量子磁通點陣理論。這奠定了超導強電應用的基礎。
1957年，約翰·巴丁、利昂·庫珀、羅伯特·施裏弗提出了超導電性的微觀理論——BCS理論（該理論以Bardden、Cooper、Schrieffer首字母縮寫而命名）。BCS理論成功地解釋了傳統金屬和合金的超導電性。BCS理論是量子場論理論進展的一個里程碑，它不僅清晰地描述了超導的微觀物理圖像，其概念也被運用於物理學的其他領域，如粒子物理、宇宙學等。當時，羅伯特·施裏弗26歲，利昂·庫珀也很年輕，僅27歲，只有約翰·巴丁是50歲左右。這是成名科學家和年輕科學家合作的典範，這對我們也很有借鑑意義，更多的年輕人需要在合作中成長起來。
1960年和1962年，兩個年輕人伊瓦爾·賈埃弗和布萊恩·約瑟夫森分別發現了單電子隧穿效應和超導隧穿效應，這對於超導問題的研究非常重要。單電子隧穿效應和隧穿譜的實驗結果展現出與BCS理論的高度一致性，而超導隧穿效應（即約瑟夫森效應）則充分展現了宏觀量子特性，並且成為許多超導電子學應用的物理基礎。
1986年，瑞士的貝德諾爾茨和米勒發表了一篇文章，提出在一種氧化物系統裏可能存在臨界温度35K以上的超導現象。後經多國科學家的努力，超導臨界温度很快被提高到90K。高温超導電性不僅對BCS理論提出挑戰（超過BCS理論可以解釋的最高臨界温度），也推動了對多體理論（包括高温超導理論）的研究。
2008年，日本細野秀雄小組首先報道了在LaFeAsO體系（一種鐵基材料）中發現了温度26K下的超導現象。大家之前都認為，鐵對超導是不利的，這種晶體結構體系我國之前也開展過研究，但由於思想不夠開放，我們合成新材料時用銅而不敢用鐵。這則報道剛一出來就引起了中國科學家的重視，認為鐵基超導是一個重大的突破。很快，中國科學家就把超導臨界温度提高到43K、52K、55K，而且發現了一些新的鐵基超導體。當時，美國《科學》雜誌有一篇評論，標題叫《“新超導體的發現”把中國科學家推向最前沿》。
鐵基超導體是對傳統BCS理論的又一次挑戰，這種材料中不僅藴藏着豐富的物理現象，而且有新的應用價值。
超導的應用
超導體實際已經在為人類服務，如醫用的MRI核磁成像設備的磁體，信息技術等現代科技領域中的重要基礎之一的電壓基準，都是超導的。
1962年，商業超導NbTi線、超導磁體的出現及約瑟夫森預言並很快被證實的超導隧道效應，標誌着超導進入應用時代。
超導的應用基本體現在兩方面：弱電應用和強電應用。在我們的日常生活及一些科學實驗、工程探測中，經常需要對微弱的電磁信號進行測量，超導技術能夠幫助我們靈敏地檢測到這些微弱的信號，比如測量地磁場的分佈和變化、人腦活動時腦磁場的變化等。而強電應用主要體現在電力工業、大型科學儀器中的超強磁體等方面。
現今，超導技術應用涉及的領域有很多，例如信息技術、生物醫學、科學儀器、電力、交通運輸等領域，可以概括為能源、信息和健康3個方面。下面，我簡單列舉幾個應用實例。
弱電應用
電壓基準
現在的電器種類繁多，不同廠家生產的電器要想通用，必須要有標準電壓。以前，電壓基準是依靠化學電池，但現在全世界採納的電壓基準已改為依靠利用超導約瑟夫森效應制作而成的器件。交流約瑟夫森效應確立了電壓與頻率呈線性關係，係數只與普朗克常數和電子電荷有關。其精度由頻率測量來確定，因此具有極高的精度。由於具有與材料性質無關、與環境條件（如温度、磁場）無關、高精度等優點，國際上已經用約瑟夫森超導隧道結電壓基準取代了化學電池電壓基準。超導實際上與人的日常生活已經息息相關。
超導量子干涉器件（SQUID）及其相關應用
SQUID是一種能測量微弱磁信號的、極其靈敏的器件，其原理是基於磁通量子化和約瑟夫森效應。超導現象是一種宏觀量子現象，磁通量子化和約瑟夫森效應是這種宏觀量子特性的典型體現，利用其製作的器件，其分辨率原則上只受量子力學不確定性原理的限制，也就是説沒有比它靈敏度再高的器件了。基於SQUID器件的儀器具有廣泛的應用，在磁信號探測方面，能夠檢測出相當於地球磁場近1000億分之一的變化，可以應用於生物磁測量、大地磁測量、磁成像以及其他精密電磁測量等。
SQUID心磁圖。直接觀察靜態下的心磁圖，有助於醫生了解患者心臟功能的情況。SQUID心磁圖具有無創、無接觸、快速、方便等優勢，可能探測到一些心電圖不能探測的症狀，可能比心電圖在更早期階段探測到心臟變化的初期症狀。
SQUID腦磁圖。腦磁圖也是超導的重要應用，比如一個人在思考問題，大腦的活動就可以體現在腦磁圖的變化中。另外，人腦聽到聲音以後，腦磁圖也會發生變化。腦磁信號非常微弱，因此有關腦磁圖的研究中，SQUID必不可少！目前，隨着人們對腦科學的重視，國內正逐漸開展起腦磁圖的研究。腦磁圖的應用包括：無創的腦功能檢查，中風、癲癇病灶等病因的確定；腦功能區（視覺、聽覺、運動、體感、語言認知等）的定位，等等。
大地測量和地磁測量。超導量子干涉器件可以測量從直流到高頻的信號，所以在米尺度範圍內激發一個強的電磁波以後，通過測量不同頻率的電阻，就可以反映出大地不同深度的電阻。頻率越低，反映出的深度越低。正是因為超導器件有測量低頻的能力，所以它可以測量大地極深處的電阻。最後通過把不同深度的電阻畫出來，我們就能知道大地內部的結構。這個結構對於礦藏探尋非常重要，尤其對油氣資源的確定有着重要意義。
地磁測量實際上是研究地磁場是否存在反常。比如我們想判斷一些礦場的成礦情況，我們只需要在飛機上放一個超導量子干涉測量儀，然後在一定範圍內進行掃描，在掃描的過程中，我們就可以初步得到我們想要的信息，而這種信息對於地質工作者非常重要。
超導微波器件
高温超導薄膜表面電阻小，即使在移動通信的高頻頻率範圍內，高温超導材料的微波表面電阻僅為正常金屬的千分之一。基於這一性質，超導濾波器可以把普通濾波器無能為力的一些雜散信號濾掉。高温超導濾波器具有許多突出優點，例如：很小的插入損耗，很高的帶外抑制，結構簡單、體積小、重量輕。
在民用方面，北美的一些移動通信基站已經使用了超導濾波器，但是成本比較高。除北美使用的幾千台之外，其他地方用的不多。我國也做過相關探索，北京的基站實驗顯示，在使用了超導濾波器後，基站的性能確實得到了很大提高，但因為成本等因素沒有得到推廣。對於提高衞星、雷達等系統的靈敏度、選擇性和抗干擾能力，超導濾波器以及相關的超導微波器件已經展現出重要價值。
超導電磁輻射和粒子探測器
超導是大量電子對凝聚形成的一種狀態，超導轉變非常陡峭，因此做成的電磁波探測器具有極高的靈敏度，而且覆蓋的波長範圍非常寬廣，廣泛用於天文望遠鏡中，檢測外太空的各種微弱信號。近十年來，科學家開始了在量子保密通信、激光雷達測距、高靈敏和高分辨的譜儀等方面的應用研究。
超導量子計算
基於約瑟夫森結的超導電路在量子計算研究中具有獨特優勢，容易擴展，發展非常迅速，大型科技公司現在紛紛投入相關研發。谷歌團隊首先利用超導量子比特系統展示了“量子優勢”，IBM公司的超導量子云平台已經吸引大量研究人員進行各種實驗。我國在這方面的研究也進步得非常快，形成了高校、科研院所、大型科技企業和小型初創企業多方合作競爭的局面。
近年來，中國在超導單光子探測器及超導數字電路方面取得了重要進步。
強電應用
在強電應用方面，超導也是極具優勢的。利用超導線繞制的超導磁體可以產生很強的穩恆磁場，在許多方面有不可替代的應用。
核磁共振成像
核磁共振成像現在是醫學檢查中一個非常重要的手段，它是確定分子結構和組織成像的有效手段之一。醫院常用的3T（特斯拉，磁感應強度單位）或者1.5T 的核磁共振成像，所用到的磁體都是超導的。超導磁體不但磁場強度高，而且磁場非常穩定，這保證了成像的清晰度。超導磁共振成像是超導最主要的商業應用之一。近些年來，人們又開始研究更高磁場的核磁共振成像系統，以獲得更高的分辨率和更好地對微量元素成像。目前已有7T的產品出現，更高磁場的9.4T系統已經建成、11.75T的系統即將建成。核磁共振成像現在可以實現對大腦中血管的三維成像。使用高温超導射頻探測線圈與使用銅質射頻探測線圈相比，在低場情況下顯示出的成像效果更清晰。
磁約束受控核聚變
在能源方面，很多人都聽説過“人造小太陽”，它是中國核聚變研究方面的一個實驗裝置。利用核聚變釋放的巨大能量，未來有望解決困擾人類的能源危機。而超導材料是磁約束受控核聚變中不可替代的、製備強磁體的材料。
高能粒子加速器
2012年，歐洲核子研究組織宣佈，利用LHC，科學家發現瞭解釋質量起源的希格斯玻色子。LHC採用超導磁體，由於它的磁場很強，因此能夠獲得更高的能量，發現新的粒子。國內科學家也正在討論建造更高能量的加速器，準備採用新型的鐵基或高温超導帶材，以獲得更高的磁場。此外，加速器系統的探測器和微波諧振加速腔，也都用超導材料。最近在質子、離子束治癌設備的加速器上，在處理核廢料的大型重離子加速器等方面，超導正在成為新的重要應用方向。國內的有關研究也正在積極進行中。
交通運輸
交通方面，超導材料是新一代的艦船推動系統的基礎，利用超導材料的下一代艦船推動系統，可以做得體積更小、重量更輕、推進力更強。另外，超導磁懸浮車，在速度、能耗、低噪聲等方面也很有優勢。
基於超導強磁體的電磁感應加熱
對於需要熱加工成型的金屬（合金）材料，如鋁錠，利用鋁錠在超導強磁場中旋轉而產生渦流，從而實現電磁感應加熱，這種方法具有能效高、加熱均勻性好等優點。相比傳統的中頻電磁感應加熱，其電熱轉換效率可以提高30%，這是非常可觀的。目前，國內已經研製出基於高温超導磁體的樣機。
以上僅僅列舉了超導技術的幾個代表性應用。當然，超導技術還有很多其他的應用，比如：超導電纜、超導電機、超導磁體污水處理系統、超電磁體礦物分離系統等。上述這些方面國內都有重要進展，有的已經成為產品，如超導磁體污水處理系統。
未來展望
目前在超導領域，人們對高温超導機理的理解還不夠。另外，仍然不斷有新現象湧現，而對於很多新發現，利用現在的物理理論難以得到令人滿意的解釋。探索更適於應用或更高臨界温度的超導材料也是人們面臨的挑戰。同時，即便基於現在人們對於超導的理解和掌握的超導技術，超導技術的很多應用前景也還沒有得到很好的挖掘。
對高温超導體（包括銅氧化合物超導體及鐵基超導體等）機理的認識將會極大地促進凝聚態物理學的發展，因為它是強關聯的電子體系。雖然鐵基超導體關聯沒那麼強，但是以銅基超導體為例的話，現在研究了多年，大家竟然沒有得到共識。某種意義上説，高温超導機理的解決可能會與強關聯多體量子論同時出現，這將對量子力學的發展、新物理學的發現，以及對應用的推動，都將起到非常巨大的作用。鐵基超導性的機理也不能用傳統的BCS理論解釋。菲利普·安德森説過，如果鐵基超導的機理與銅氧化合物的不同，那就更有意義了。究竟哪些實驗結果是本徵的，哪些是決定性的，都需要進一步的研究。理論也需要在決定性的實驗的基礎上進一步發展。
探索新的高臨界温度超導體似乎是個永恆的課題。對於高温超導體家族的特性研究可以讓我們歸納出一些規律，這有助於我們尋找新的非常規超導體。另外我們要努力探索更適於應用的超導體，包括實用超導材料的新工藝。鐵基超導體的發現是個極大的推動，不僅使科學家發現了第二個高温超導的家族，而且對人類而言還是一次思想的解放。從應用角度考慮，雖然它的臨界温度還低於銅氧化合物，但相干長度稍大些。超高的臨界磁場及相對容易加工的特點使其在超強磁體方面有很好的應用前景。另外，在現在的鐵基系列內還有很多發現機會，甚至銅基裏面也仍有很多機會，比如可以在銅氧化物中挖掘更適合在110K以下應用的超導體。這種超導體用處會很大，因為液態天然氣的温度容易降至110K以下，這使得超導的應用成本更低、應用場景更廣，而且還有可能在使用超導輸電的同時輸送液化天然氣；在太空中，揹着太陽一面的地方温度在110K以下，空間應用也有潛力。
我們還要擴展現有的包括低温超導體在內的應用。基於超導強磁體的電磁感應加熱應該得到重視，電熱轉換效率可以提高30%，這是一個飛躍。超導電子學有極大的潛力應用，例如可以開展超導數字電路研究。現在超導數字電路和半導體技術在很多工藝上是兼容的，如果兩者結合起來，在解決耗能方面將會有很大的作用。超導數字電路還具有速度快、脈衝信號傳輸無色散等優點。另外，具有宏觀量子特徵的超導體可用於量子計算，至少在量子計算的目前發展階段，超導體應該是非常有優勢的。
超導是一個充滿挑戰與發現的領域。自1911年發現超導現象到現在，已經有100多年了。儘管人類已經有了很多重要發現，但實際上超導研究還很年輕。Forever Young！（永遠年輕！）
本文經授權選自《科學之美》（墨子沙龍、朱燕南、潘杜若編著，人民郵電出版社2023年3月）。
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