※超導的應用和未來

1、神奇的超導：超導的應用與未來超導的應用和已經(jīng)成熟的半導體工業(yè)相比，超導的應用，特別是高溫超導體的應用，很多還處于剛剛起步的階段，但其蘊含的巨大潛力仍期待人們去開發(fā)和挖掘。超導體可以用于信息通信、強穩(wěn)恒磁場、工業(yè)加工、無損耗輸電、生物醫(yī)學、磁懸浮運輸和航空航天等領域。目前超導應用主要分強電應用和弱電應用兩個方面。強電應用超導體在低溫下可以實現(xiàn)穩(wěn)定的零電阻超導態(tài)，這意味著超導線圈可以通過較大的電流而無焦耳熱的產(chǎn)生。一方面，我們可以采用超導輸電線進行遠距離輸電，從而大大降低輸電過程的損失。目前采用銅或鋁導線的輸電損耗約為15%,我國每年的輸電損耗就達一千億度左右，如果采用超導輸電線就可以節(jié)省相當于數(shù)

2、十個發(fā)電廠的電力。采用超導輸電還可以簡化變壓器、電動機和發(fā)電機等熱絕緣并保證輸電的穩(wěn)定性，提高輸電的安全性。鑒于超導體的零電阻和高電流傳輸密度的特性，美國計劃采用超導電纜將三大電網(wǎng)（東部電網(wǎng)，西部電網(wǎng)和德克薩斯電網(wǎng)）之間實現(xiàn)有效互聯(lián)。另一方面，如果給閉合超導線圈通上電流，就可以維持較強的穩(wěn)恒磁場，這便是超導磁體。常規(guī)穩(wěn)恒磁體要實現(xiàn)強磁場就必須采用非常粗的銅導線，并將其泡在水中冷卻，這使得磁體體積特別龐大，而且必須持續(xù)不斷地通上電流，消耗更多的電能。相比之下，超導磁體具有體積小、穩(wěn)定度高、耗能少等多種優(yōu)勢。正因如此，在生物學研究和臨床醫(yī)學上采用的高分辨核磁共振成像技術大都是采用超導磁體；在科學研

3、究中一些物性測量系統(tǒng)的穩(wěn)恒磁體也是采用超導材料制成的，一些大型粒子加速器的加速線圈也常采用超導磁體，例如歐洲大型強子加速器LHC的加速磁體和探測器都采用了超導磁體；作為未來能源問題突破口之一的磁約束受控核聚變（人工托克馬克），超導技術更將發(fā)揮不可替代的作用；跟常導磁懸浮技術相比，采用超導磁懸浮技術的磁懸浮列車將更為高速、穩(wěn)定和安全。這是因為超導體內雜質和缺陷對進入體內的部分磁通線具有釘扎作用，因此它在因抗磁性而產(chǎn)生磁懸浮效應的同時，還能夠磁約束住懸浮著的磁體，一旦磁體遠離超導體，超導體還會將磁體“拉住”，因此超導磁懸浮物體運動過程是十分穩(wěn)定的，一些演示用的超導磁懸浮小車甚至能夠側貼甚至倒掛在超

4、導導軌上運動。另外，超導體一旦失去超導電性進入正常態(tài)，完全抗磁性將立刻消失,無摩擦的超導磁懸浮鐵軌將恢復成有摩擦的正常鐵軌，超導電譏慧導磁懸諄列車這對于緊急情況下列車制動非常有效。除了超導輸電和超導磁體這兩種強電應用外，利用超導轉變時的電阻變化，還可以研制超導限流器，用以維護電網(wǎng)的安全。疆導雄體黑篇隨曾盤f手機僧“收察墟題導渡女超導體的各種應用目前使用的超導線材主要有NbTi和Nb3Sn合金，需要采用液氨進行冷卻，但其加工工藝相對比較成熟，金屬的良好延展性讓其能夠制備成各種形狀的線材，中國已經(jīng)有不少公司能夠生產(chǎn)合金超導線。銅氧化合物高溫超導輸電線和磁體也處于試用階段，采用液氮冷卻可以大大降低成

5、本。不過銅氧化合物為陶瓷材料，脆性強、可塑性差、可承載的電流密度也較低，大規(guī)模應用推廣尚需解決技術和成本的問題。相同直徑的電纜，高溫超導體電纜的電能傳輸能力是一般銅芯電纜的5倍以上，具有一定的優(yōu)勢。2012年1月開始，德國準備鋪設一條長達一千米的高溫超導輸電試驗線路，該“AmpaCity”項目為期四年。此外，MgB2材料因其具有較大的臨界電流密度、造價低廉、其超導臨界溫度(約39K)進入了液氫溫區(qū)，是未來超導強電應用的重要材料之一。如果能將MgB2材料為基礎的超導磁體商業(yè)化，核磁共振成像儀中的超導磁體體積將大大減小，價格也更為低廉。屆時醫(yī)學核磁共振檢查將如同現(xiàn)在X射線胸透一樣方便快捷，開一個普

6、通的體檢車即可以到農(nóng)村做核磁共振體檢。人們甚至大膽設想，通過太陽能和風能發(fā)電，采用超導電纜和液氫一起輸入到千家萬戶，利用清潔能源，既節(jié)省了電能，又提供了清潔的燃料，是未來能源危機的解決方案之一。弱電應用1962年，當時還是研究生的約瑟夫森(B.D.Josephson)在安德森(P.W.Anderson)的鼓勵下從理論上證明了超導隧道結中存在約瑟夫森效應，即超導電子對可以隧穿兩個超導體之間很薄的絕緣層，其隧穿電壓敏感依賴于外加磁場。利用約瑟夫森效應制備的超導量子干涉儀(SQUID)是最為精確的微弱磁場探測器之一，最高精度達到5X10-18To利用SQUID可以進行高精度的磁測量，它能夠檢測出地球

7、磁場的幾億分之一的變化，也能夠探測10-9T到10-6T之間的生物磁場，心磁圖和腦磁圖也是未來醫(yī)學診斷中在心電圖和腦電圖之外的有效補充檢查手段之一。靈敏的磁探測器能夠大大促進生物磁的研究，比如“飛鴿傳書”靠的就是鴿子頭部和啄部對地磁場的靈敏感應來準確判斷飛行方向，海豚、金槍魚、海龜、候鳥、蝴蝶甚至某些微生物內，都有微小磁體，它們具體是如何影響生物功能的，至今尚不清楚?；赟QUID技術，人們還可以設計超導量子比特器件，是量子計算機的基本元件之一，而量子計算機的多通道快速并行計算將為未來的人類生產(chǎn)和生活帶來革命性的變化。2012年3月，IBM研究院的科學家正式宣布一次可進行百萬項計算的量子計算機

8、研制成功。也許在不遙遠的將來，傳統(tǒng)計算機一整天的運算量在量子計算機上只要一秒，最終量子計算機將成為信息時代的主角。止匕外，世界上最精密的模數(shù)轉換器和最精密的陀螺儀也是采用超導材料制備的。高溫超導微波器件是采用高溫超導薄膜為波導材料制備的微波濾波器、超導天線及微波子系統(tǒng)等。高溫超導濾波器具有很高的信噪比，比傳統(tǒng)濾波器的性能有很大的提高。在軍事和國防領域，超導濾波器可用于衛(wèi)星和雷達通訊，在民用領域，可以服務于移動通信。目前，我國的部分移動通信基站已經(jīng)開始采用銅氧化合物高溫超導濾波器，高溫超導濾波器已經(jīng)悄然開始了產(chǎn)業(yè)化和規(guī)?；a(chǎn)和應用。也許在您使用3G手機網(wǎng)上沖浪的時候，超導技術已經(jīng)悄然在為您服務

9、。超導體有許多神奇的性質，目前的超導應用僅僅利用了零電阻、完全抗磁性和超導相位相干等幾個最主要的物理特征。由于我們對非常規(guī)超導體展現(xiàn)出的新奇量子現(xiàn)象還缺乏理解，微觀量子態(tài)的應用上更是十分稀少。隨著超導研究的深入，新的超導材料也必將會被發(fā)現(xiàn)并應用。如同半導體的發(fā)現(xiàn)和應用讓人類社會發(fā)生翻天覆地的變化一樣，超導的應用前景也將會十分樂觀，并給人類帶來無盡的福祉。超導研究的未來自1911年超導發(fā)現(xiàn)以來，在超導研究的百年歷史上共有十人獲得了五次諾貝爾物理學獎：1913年昂內斯因氨氣的成功液化和超導的發(fā)現(xiàn)獲獎；1972年巴丁、庫珀、施里弗因常規(guī)金屬的超導微觀理論一一BCS理論獲獎；1973年約瑟夫森和賈埃弗

10、因超導隧道結中的約瑟夫森效應理論預言及實驗研究與江崎（L.Esaki）分享諾貝爾獎；1987年柏諾茲和繆勒因銅氧化合物高溫超導材料的發(fā)現(xiàn)而獲獎；2003年阿布里科索夫和金茨堡因超導唯象理論和預言量子磁通渦旋與萊格特（A.J.Leggett）分享諾貝爾獎（圖12）。其中巴丁是歷史上唯一獲得兩次諾貝爾物理學獎的科學家（除他以外僅有居里夫人分別獲諾貝爾物理學獎和化學獎各一次），前一次是因為半導體晶體管的發(fā)明。我們完全可以樂觀地預見，在未來的超導研究還會有更多的諾貝爾獎誕生，這也正說明超導研究是凝聚態(tài)物理中長盛不衰的熱門領域。未來的超導研究主要集中在三個方面：一是不斷提高現(xiàn)有的實用超導材料制備工藝，改

11、善超導器件的性能指標，提高制冷系統(tǒng)的性能，推進超導產(chǎn)業(yè)的市場化和規(guī)?；?；二是不斷探索更適合應用的超導材料，如具有較高的Tc,較大的臨界電流密度、L.N.Copper19721913J.R.SchriefferI.GiaeverV.L.Ginzburg9.D.Josephson20031987IL口31/A"”A.A.AbrikosovJ.G.BednorzK.A.MullerH.K.0nrw51Bardeen.超導研究史上獲得諾貝爾獎的十位物理學家良好的韌性和塑性，廉價的原料和簡易的合成方法等；三是研究清楚現(xiàn)有超導體的微觀機理，為尋找新的超導體提供必要的理論指導。三個方面是相輔相成的

12、。尋求更高Tc的超導體是超導研究的重要目標之一。銅氧化物超導體的Tc在高壓下已經(jīng)達到了160K,我們完全有理由相信更高Tc的超導體會在不久的將來被發(fā)現(xiàn)。室溫300K下的超導體也不僅僅是個夢想：現(xiàn)在沒有理論證明它能實現(xiàn)，也沒有理論證明它不能實現(xiàn)。理論家已經(jīng)預言，在足夠強的壓力下（大于400GPa）氫將可能被壓縮成金屬態(tài)形成金屬氫，它可能是一個室溫超導體。另一個被預言的可能室溫超導體是堿金屬或者堿土金屬摻雜的單層石墨烯，這將在超導器件應用上大有用武之地。超導發(fā)現(xiàn)的歷史告訴我們，超導材料探索之路需要打破常規(guī)，充滿種種意外和驚喜，我們根本難以預測下一個超導體會是什么類型的材料，這也正是超導研究始終煥發(fā)

13、魅力的秘密所在。建立完善的超導微觀理論以獲得對超導特性的全面理解也是超導研究的重要任務之一。目前人們把能夠用BCS理論描述的超導體稱為常規(guī)超導體，而其他超導體如銅氧化物超導體、鐵基超導體、有機超導體和重費米子超導體等統(tǒng)稱為非常規(guī)超導體。在非常規(guī)超導體中，庫珀對的概念仍然適用，只是能隙結構也即配對對稱性開始多元化；配對的媒介也從聲子擴展到其他可能的機制上；電子配對和相位相干也不再要求同時發(fā)生?？傊?，似乎BCS理論描述的僅是特殊的常規(guī)金屬超導體，而對于普遍性的其他非常規(guī)超導體，或許更需要一個更加普適的理論來進行描述。超導研究是一個充滿挑戰(zhàn)和機遇的領域，它激起了世界上許多優(yōu)秀的實驗物理學家和聰明的理論物理學家的濃厚興趣，挑戰(zhàn)著人們對現(xiàn)有物理框架和物理概念的理解，也豐富