超導：讓電流“零阻力”奔跑的奇蹟

你好奇科學將如何改變生活嗎？你對哪些科學問題感興趣？本版今起開設“瞰前沿·@科學家”欄目，歡迎廣大讀者打開腦洞、敞開提問，我們將邀請科學家回答，一起探索科技新知。

網友：最近看到一則新聞：國際熱核聚變實驗堆組織宣佈已完成世界最大、最強的脈衝超導電磁體系統的全部組件建造，其中直徑9至25米的超導磁環由中國參與制造。我對“超導磁環”很好奇，能否講講超導的原理是什麼、有哪些應用？

編輯：這是一個很好的問題。超導，一種能讓電流“零阻力”奔跑的“魔法材料”，正悄然塑造未來圖景。可控核聚變、磁懸浮列車、量子計算機……探索前沿的陣地上，超導的身影無處不在。本期我們邀請到中國科學院院士、南方科技大學校長薛其坤，請他帶我們走進超導的“神奇世界”。

從點亮燈泡到驅動高鐵，電流的順暢流動是社會生活的命脈。然而，銅、鋁等傳統導電材料總伴隨着能量損耗，就像水管中的水流遭遇摩擦阻力。有沒有一種材料能讓電流“零阻力”奔跑？

答案是超導材料——這個凝聚人類百年智慧的科學奇蹟，正在重塑能源與科技的版圖。

我們為什麼需要超導

導電性是材料傳輸電流的能力，材料的電阻小，材料的導電能力就強，反之亦然。銅、銀和鋁等金屬因內部自由電子活躍，成為電線、芯片生產的主要材料。但即便導電性最好的銀，電阻也並非為零。電流流過時，由於電阻的存在，部分電能會以熱量的形式耗散。據統計，全球每年因輸電損耗的電量高達總髮電量的5%—10%。

隨着算力需求爆炸式增長，電力需求也逐步攀升，數據中心、超算中心的芯片發熱已成為技術瓶頸。例如，傳統半導體芯片中，約40%的電能轉化為熱量，既浪費能源，又需龐大的散熱系統。如何把這部分能量節省下來？超導技術是答案之一。

1911年，荷蘭物理學家卡末林—昂內斯發現，汞在零下269攝氏度時，電阻突然消失，電流可永續流動而不衰減，他將這一現象命名為“超導電性”。超導體的零電阻特性，如同為電子鋪設了一條無摩擦的“高速公路”。

這一特性已悄然改變生活。醫院中的核磁共振成像儀就是經典案例：其核心的超導線圈通電後產生強磁場，用於人體成像。若用普通銅線圈，不僅耗電量巨大，還需要持續供電製冷來抵消電阻發熱，而超導線圈一旦通電，可永久維持磁場，能耗近乎為零。

更宏大的應用已經落地。廣東深圳平安大廈於2021年啓用了自主研發的三相同軸高温超導電纜，這是世界上首次將超導電纜應用於超大型城市中心區。這條電纜在零下196攝氏度的液氮保護環境下工作，電流承載量是同等粗細銅纜的5倍，輸電損耗降低約80%。未來，城市電網若全面改用超導電纜，輸電效率將躍升，停電事故或將大大減少。

尋找超導材料之路

早期超導體需依賴液氦（零下269攝氏度）維持低温，成本極高。1968年，科學家麥克米蘭提出理論：傳統超導體在常壓下的臨界温度不會超過40開爾文（約零下233攝氏度），這一“天花板”被稱為“麥克米蘭極限”。

然而，1986年，銅基氧化物超導體的發現打破了這一預言，它可以在液氮温區（大於77 開爾文即零下196攝氏度）工作，使超導應用成本降低許多。2008年，鐵基超導體成為第二類突破“麥克米蘭極限”的高温超導材料。

今年2月，南方科技大學團隊宣佈最新科研突破：在常壓環境下實現了鎳氧化物薄膜超過“麥克米蘭極限”（40開爾文以上）的超導電性，使鎳基材料成為常壓下繼銅基、鐵基之後的第三類高温超導材料體系。

這項發表於《自然》雜誌的突破性研究，不僅刷新了超導材料家族圖譜，更是在鎳基體系中驗證了高温超導的普適性，為破解高温超導機理提供了關鍵拼圖。

“誰解開高温超導之謎，誰就掌握了21世紀能源革命的鑰匙。”諾貝爾物理學獎得主安東尼·萊格特曾經這麼預言。在銅基、鐵基、鎳基三類高温超導材料的發現和研究中，中國科學家正從跟跑變為領跑。如果最終實現了“超高温超導”即室温超導，將是人類科學史上最重大的發現之一。

超導的多樣“魔力”

超導的“魔力”不止於零電阻。1933年，物理學家邁斯納發現，超導體能完全排斥外部磁場，彷彿被無形之力托起。這一“完全抗磁性”現象被稱為“邁斯納效應”，它是磁懸浮技術的物理基石。

上海磁浮示範線已運行近20年，線上的列車依靠常規電磁鐵懸浮，需持續供電維持磁場。而若採用超導磁懸浮，列車可“自發”懸浮於軌道之上，能耗可以大幅降低。2021年，中國在成都建成全球首條高温超導磁懸浮試驗線，車輛在液氮温區實現自穩定懸浮，為下一代磁懸浮高鐵奠定基礎。

超導不僅是工程奇蹟，更是量子物理的“宏觀展廳”。在超導體中，無數的電子會結成“庫珀對”，步調一致地運動，形成宏觀尺度的量子態。這種特性讓超導體成為量子科技的“核心元件”。例如，超導單光子探測器能捕捉單個光子的信號，是量子通信的“火眼金睛”；超導量子比特可長時間保持量子疊加態，科學家正在利用超導量子比特設計量子計算機，實現複雜超高速運算。如果可糾錯的通用超導量子計算機最終被研製成功，它將提供比目前世界上最快的超級計算機還快百萬倍以上的運算能力，並帶來信息技術的重大變革。

超導研究已推動了低温物理、量子力學、材料科學的交叉融合。未來，隨着高温超導機制的明晰與製備工藝的優化，這項“低温奇蹟”或將成為連接基礎科學與產業變革的重要紐帶。

（作者為中國科學院院士、南方科技大學校長）