走向“高溫超導”新境界

高溫超導是中國航天科工集團“高速飛行列車”項目核心技術之一。圖為相關視頻截圖。（百度網）

每小時4000公里，中國航天科工集團近日向外界透露的“高速飛行列車”快得著實讓人瞠目結舌。大家在驚嘆的同時，對其中應用到的技術非常感興趣。“高速飛行列車”技術總負責人毛凱通過媒體，介紹了相關技術。他指出，高溫超導磁懸浮技術是列車飛行的核心秘訣。實際上，應用這種技術，西南交通大學國家重點實驗室已經建立了一條環形的高鐵磁浮試驗線，高溫超導磁懸浮車在上面運行速度最高可達每小時1000公里。

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與我們所熟知的上海磁懸浮列車和長沙磁懸浮列車通過電實現車體懸浮運行不同，航天科工正在研製的“高速飛行列車”和西南交大的“高溫超導磁懸浮列車”是採用高溫超導技術實現懸浮的，這為其最大限度減輕摩擦力，實現高速運行奠定了前提。因此，高溫超導技術的發展水準制約著“高速飛行列車”和“高溫超導磁懸浮列車”研製和應用。

高溫超導中的“高溫”是相對於零下270攝氏度的低溫超導而言的，這裡的“高溫”其實是我們通常意義上的超低溫，甚至達到-196攝氏度液氮的溫度。

超導全稱超導電性，是20世紀最偉大的科學發現之一，指的是某些材料在溫度降低到某一臨界溫度，或超導轉變溫度以下時，電阻突然消失的現象。具備這種特性的材料稱為超導體。超導體得天獨厚的特性，使它可能在各種領域得到廣泛的應用。但由於早期的超導體存在於液氦極低溫度條件下，極大地限制了超導材料的應用。人們一直在探索高溫超導體。上世紀80年代中後期，以趙忠賢為代表的中國科學家加入到國際高溫超導競爭，他帶領實驗團隊在釔鋇銅氧中發現了臨界轉變溫度93K（-180攝氏度）的液氮溫區超導體，實現了一個世界級突破，從-268.8攝氏度的液氦溫區提高到-196攝氏度的液氮溫區，意味著製冷難度和成本的大幅度降低。該成就為趙忠賢贏得了1989年國家自然科學一等獎。

在日本科學家發現鐵基超導體後，趙忠賢帶領團隊將超導臨界溫度先是提高到顯著超過40K（-233攝氏度）的麥克米蘭極限，之後創造了大塊鐵基超導體55K（-218攝氏度）的最高臨界溫度紀錄。2013年，趙忠賢因“40K以上鐵基高溫超導體的發現及若干基本物理性質研究”再捧得國家自然科學獎一等獎。 2015年，趙忠賢榮獲國際超導領域重要獎項馬賽厄斯獎。2017年1月，他因在超導領域傑出的貢獻，獲得2016年度國家最高科學技術獎。

近年來，中國科學家在高溫超導領域又陸續取得一系列突破。清華大學和中科院物理所的團隊在僅有一個原子層的FeSe薄膜上發現了65K（-208攝氏度）以上的超導電性，在上海交通大學、復旦大學、北京大學等研究團隊的推動下，發現這類超導現象可能源於介面效應，還有可能出現100K（-173攝氏度）以上的高溫超導電性；2014年，吉林大學的研究人員從理論上預言一種化合物在高壓下可實現191K（-82攝氏度）的高溫超導，將突破164K（-109攝氏度）的臨界溫度紀錄。

利用目前已發現的高溫超導材料，研製相關設備，滿足生産生活需求，讓超導科技儘快造福人類，是我國科學家努力的重要方向。2017年3月和5月，國內首臺基於國産YBCO超導帶材的高溫超導發電機經過了測試，電機運行良好，各項指標依據國標測試達到了預期值。該發電機由中科院電工所協同上海電氣集團上海電機廠有限公司共同研製，電機高溫超導帶材繞制而成的跑道線圈結構運行溫區為77K（-196攝氏度）

為尋找新的、性能更優異的超導材料，科技部印發的《“十三五”材料領域科技創新專項規劃》，明確把高溫超導材料列為重點內容之一。找到室溫超導體即室溫下電阻為零的導電體是包括我國科學家在內的世界科學界共同努力的方向。這種超導體將給社會生産和生活很多領域帶來根本性變革。多年來，中國超導科技工作者勇攀高峰，在世界超導科技競爭中表現優異。正如《科學》雜誌在一篇題為《新超導體將中國物理學家推到最前沿》的文章中所説：“如洪流般不斷涌現的研究結果標誌著在凝聚態物理領域，中國已經成為一個強國。”