走近“颠覆性技术”：超导技术 超凡脱俗

《人民日报》(2017年12月22日，第20版)

图纸:郭翔

不久前，中国科学家在铁基超导体统一相图的研究方面取得了进展，人们对铁基超导体的物理特性有了进一步的了解。三年前，中国科学院物理研究所和中国科学技术大学的研究团队因在铁基超导研究方面的突破获得了国家自然科学奖一等奖，结束了三年的获奖差距。为什么超导如此重要？

如果使用超导输电线路，我国每年节省的电力相当于几十个发电厂的电力。

如果材料被放置在零下200到300摄氏度的温度下会发生什么？超导材料显示电阻突然消失。这不是一个简单的改变。零电阻超导体有望给电力工业带来创新。

在日常生活中，由于电流与电器和电线之间的“摩擦”，电器和电线会产生热量。这种“摩擦”是阻力的来源。电阻产生的热量实际上是电能的浪费。事实上，在从发电厂到工厂、家庭和学校的途中，电力已经被输电线路的电阻消耗掉了。

专家说，由于电阻为零，超导材料在传输电能的过程中没有损耗。此外，超导输电可以简化变压器、电机和发电机的隔热，保证输电的稳定性，提高输电的安全性。

一些专家估计，目前铜或铝导体的传输损耗约为15%，中国每年的传输损耗约为1000亿度。如果使用超导输电线路，每年节省的电力相当于几十个发电厂的电力。

超导材料的另一个特点是完全抗磁性，即一旦超导体进入超导状态，它们就像“金钟罩和铁布衬衫”。这是因为超导体接近磁场时会在其表面感应出超导电流。这种超导电流将产生一个磁场，其大小与超导体内部外部磁场的方向相同。外部磁场根本无法进入。这两个磁场相互抵消，因此体内的磁感应强度为零。

专家表示，无论是先置于外部磁场中，然后冷却到超导状态，还是先冷却到超导状态，然后置于外部磁场中，外部磁场的磁力线都无法穿透超导体。超导磁体具有体积小、稳定性高、能耗低等优点。因此，临床上使用的许多高分辨率核磁共振成像技术依赖于超导磁体。

抗磁性也使超导体在运输领域表现良好。由于磁力线很难进入超导体，当超导体被放置在由普通磁铁产生的磁场中时，悬浮效应将会实现。这个原理正是高速超导磁悬浮列车应该应用的。超导磁悬浮列车将为人们提供更高的速度、稳定性和安全的轨道交通。

超导的大规模应用的困难在于缺乏具有较高临界温度的合适超导体。当荷兰物理学家艾格尼丝和其他人在1911年测量金属汞的电阻时，他们惊讶地发现，当温度降到极低时，汞的电阻突然消失了。水银也成为人类发现的第一个超导体。

然而，水银在冷却到4.2K(0K等于零下273摄氏度，4.2K大约是零下269摄氏度)之前不能超导。这是一个非常低的温度，需要用昂贵的液氮来维持，推广和应用几乎是不可能的。因此，从发现超导的第一天起，科学家们就一直在寻找有应用价值的高温超导体。

在铁基高温超导体的基础研究方面，中国走在世界前列。

超导研究在科学中的重要性及其巨大的应用前景引起了许多科学家的关注。在超导研究的100年历史中，有10个人获得了诺贝尔奖。

1968年，物理学家麦克米伦从传统的理论计算中推断出超导体的转变温度不应超过40K(约负233摄氏度)，这也被称为麦克米伦极限温度。

超导的应用仅限于40K吗？40K的极限温度能打破吗？为了探索这个问题，科学家们做了无数的尝试。1986年，两位欧洲科学家发现了以铜为主要超导元素的氧化铜超导体。铜基超导已成为高温超导家族的一员，并长期成为科学家的主要研究方向。

中国科学家也为铜基超导的研究做出了重要贡献。例如，1987年初，中国科学院物理研究所的一个小组在钡-钇-铜-氧的液氮温区发现了一种临界温度为93K(约负180摄氏度)的超导体，并在世界上首次宣布了元素的组成。液氮温区超导体的研究掀起了一阵旋风。

通过科学家的努力，虽然铜基高温超导材料的质量和性能不断提高，但它有两个致命的缺陷。首先，作为一种金属陶瓷材料，它的柔韧性和延展性远不如金属材料，而且其加工工艺也很苛刻。它在材料机械加工等方面有很大的困难。第二，它能负载的最大电流相对较低，不能应用于需要高电流和强磁场的一些领域。

铁作为一种典型的磁性元素，曾经被认为是探索高温超导体的禁区。2008年3月，一名日本科学家意外发现了铁基高温超导材料。然而，由于日本科学家首次发现的铁基超导样品的转变温度只有26K(约负247摄氏度)，由于麦克米兰极限温度还没有被超过，还不能确定它是铁基高温超导体。

随后不久，中国科学家发现了一种临界温度超过40K的铁基超导体，突破了麦克米兰的极限温度，证明了铁基超导体是继氧化铜超导体之后的一种新型高温超导体。其中，中科院赵忠贤院士领导的研究团队利用高压合成技术，高效制备了大量由不同元素组成的铁基超导材料，转变温度达到50K以上(约-223摄氏度)，创造了55K(约-218摄氏度)铁基超导转变温度记录。

中国科学家还对铁基超导体的一些基本物理性质进行了深入研究，证实了它们的非传统性质。铁基超导体被认为是一种新型的高温超导体，在国际物理领域引起了极大的关注，成为科学家们研究的热点。铁基超导材料在交通、医药、国防等领域具有广阔的应用前景，被《科学》杂志视为最有前途的新型高温超导体之一。

目前，中国科学家在铁基高温超导体基础研究方面走在世界前列。

中国率先开发了第一条100米长的铁基超导电线。

为了实现超导体的大规模商业应用，将实验室的优势转化为工业优势，工程工作仍然是必不可少的。幸运的是，自从科学家在2008年发现铁基超导体以来，中国在铁基超导材料的研究和制备方面也处于领先地位。

开发铁基超导线材的技术难点是寻找一种均匀、稳定、可重复的制备方法。2008年，中国科学院电气工程研究所的研究员马彦伟带领团队率先使用粉末管法制备了世界上第一根铁基超导线材。尽管随后的验证发现传输电流为零，表明该导线没有多大意义，但该团队找到了一种制备铁基超导导线的方法。

2010年，马彦伟团队启动了铁基超导前驱体粉末的预烧结过程，为显著改善导线载流性能奠定了基础。2011年，该研究团队解决了铁基超导体的弱连接问题，提高了载流能力，测量到临界传输电流达到180安培，相应的临界电流密度超过25000安培/平方厘米。

2012年，马彦伟团队进一步优化了织构化铁基超导带材的制备工艺，大大提高了超导电流，其临界电流密度在10特斯拉的强磁场下达到17000安培，证明了铁基超导材料在高压应用中的巨大潜力。

米级铁基超导线材的性能不断提高，但铁基超导材料需要大规模应用，需要制备高性能的长线材。

2015年，马彦伟团队成功开发了世界上首根10米级高性能122型铁基超导线材，实现了铁基超导线材制备的新突破。然而，为了达到实用水平，10米量级的铁基超导线材远远不能满足大规模制备的需要。

制备长线有什么困难？导线和带材越长，控制均匀性就越困难，这就对超导导线制备中的各种技术提出了很高的要求马彦伟说。

2016年9月，马彦伟的团队优化了设计和加工方案，并成功开发了世界上第一根100米铁基超导线材。试验表明，该超导线材具有良好的载流性能，在10特斯拉强磁场下的临界电流密度超过12000安培/平方厘米，具有初步的应用价值。

目前，世界上其他国家铁基超导线材的制备仍处于初级水平。专家表示，100米级铁基超导线材的成功开发表明，中国在掌握具有自主知识产权的铁基超导线材制备技术方面处于领先地位，巩固了中国在铁基超导相关研究领域的领先地位，帮助中国在新型超导材料及其应用和发展方面占据了制高点。