※超導(dǎo)的應(yīng)用和未來(lái)

1、神奇的超導(dǎo)：超導(dǎo)的應(yīng)用與未來(lái)超導(dǎo)的應(yīng)用和已經(jīng)成熟的半導(dǎo)體工業(yè)相比，超導(dǎo)的應(yīng)用，特別是高溫超導(dǎo)體的應(yīng)用，很多還處于剛剛起步的階段，但其蘊(yùn)含的巨大潛力仍期待人們?nèi)ラ_(kāi)發(fā)和挖掘。超導(dǎo)體可以用于信息通信、強(qiáng)穩(wěn)恒磁場(chǎng)、工業(yè)加工、無(wú)損耗輸電、生物醫(yī)學(xué)、磁懸浮運(yùn)輸和航空航天等領(lǐng)域。目前超導(dǎo)應(yīng)用主要分強(qiáng)電應(yīng)用和弱電應(yīng)用兩個(gè)方面。強(qiáng)電應(yīng)用超導(dǎo)體在低溫下可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的零電阻超導(dǎo)態(tài)，這意味著超導(dǎo)線圈可以通過(guò)較大的電流而無(wú)焦耳熱的產(chǎn)生。一方面，我們可以采用超導(dǎo)輸電線進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸電，從而大大降低輸電過(guò)程的損失。目前采用銅或鋁導(dǎo)線的輸電損耗約為15%,我國(guó)每年的輸電損耗就達(dá)一千億度左右，如果采用超導(dǎo)輸電線就可以節(jié)省相當(dāng)于數(shù)

2、十個(gè)發(fā)電廠的電力。采用超導(dǎo)輸電還可以簡(jiǎn)化變壓器、電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)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(dǎo)體的零電阻和高電流傳輸密度的特性，美國(guó)計(jì)劃采用超導(dǎo)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(shí)現(xiàn)有效互聯(lián)。另一方面，如果給閉合超導(dǎo)線圈通上電流，就可以維持較強(qiáng)的穩(wěn)恒磁場(chǎng)，這便是超導(dǎo)磁體。常規(guī)穩(wěn)恒磁體要實(shí)現(xiàn)強(qiáng)磁場(chǎng)就必須采用非常粗的銅導(dǎo)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(dǎo)磁體具有體積小、穩(wěn)定度高、耗能少等多種優(yōu)勢(shì)。正因如此，在生物學(xué)研究和臨床醫(yī)學(xué)上采用的高分辨核磁共振成像技術(shù)大都是采用超導(dǎo)磁體；在科學(xué)研

3、究中一些物性測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)恒磁體也是采用超導(dǎo)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(dǎo)磁體，例如歐洲大型強(qiáng)子加速器LHC的加速磁體和探測(cè)器都采用了超導(dǎo)磁體；作為未來(lái)能源問(wèn)題突破口之一的磁約束受控核聚變（人工托克馬克），超導(dǎo)技術(shù)更將發(fā)揮不可替代的作用；跟常導(dǎo)磁懸浮技術(shù)相比，采用超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)的磁懸浮列車將更為高速、穩(wěn)定和安全。這是因?yàn)槌瑢?dǎo)體內(nèi)雜質(zhì)和缺陷對(duì)進(jìn)入體內(nèi)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(yīng)的同時(shí)，還能夠磁約束住懸浮著的磁體，一旦磁體遠(yuǎn)離超導(dǎo)體，超導(dǎo)體還會(huì)將磁體“拉住”，因此超導(dǎo)磁懸浮物體運(yùn)動(dòng)過(guò)程是十分穩(wěn)定的，一些演示用的超導(dǎo)磁懸浮小車甚至能夠側(cè)貼甚至倒掛在超

4、導(dǎo)導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)。另外，超導(dǎo)體一旦失去超導(dǎo)電性進(jìn)入正常態(tài)，完全抗磁性將立刻消失,無(wú)摩擦的超導(dǎo)磁懸浮鐵軌將恢復(fù)成有摩擦的正常鐵軌，超導(dǎo)電譏慧導(dǎo)磁懸諄列車這對(duì)于緊急情況下列車制動(dòng)非常有效。除了超導(dǎo)輸電和超導(dǎo)磁體這兩種強(qiáng)電應(yīng)用外，利用超導(dǎo)轉(zhuǎn)變時(shí)的電阻變化，還可以研制超導(dǎo)限流器，用以維護(hù)電網(wǎng)的安全。疆導(dǎo)雄體黑篇隨曾盤f手機(jī)僧“收察墟題導(dǎo)渡女超導(dǎo)體的各種應(yīng)用目前使用的超導(dǎo)線材主要有NbTi和Nb3Sn合金，需要采用液氨進(jìn)行冷卻，但其加工工藝相對(duì)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(guó)已經(jīng)有不少公司能夠生產(chǎn)合金超導(dǎo)線。銅氧化合物高溫超導(dǎo)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(guò)銅氧化合物為陶瓷材料，脆性強(qiáng)、可塑性差、可承載的電流密度也較低，大規(guī)模應(yīng)用推廣尚需解決技術(shù)和成本的問(wèn)題。相同直徑的電纜，高溫超導(dǎo)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(shì)。2012年1月開(kāi)始，德國(guó)準(zhǔn)備鋪設(shè)一條長(zhǎng)達(dá)一千米的高溫超導(dǎo)輸電試驗(yàn)線路，該“AmpaCity”項(xiàng)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(jià)低廉、其超導(dǎo)臨界溫度(約39K)進(jìn)入了液氫溫區(qū)，是未來(lái)超導(dǎo)強(qiáng)電應(yīng)用的重要材料之一。如果能將MgB2材料為基礎(chǔ)的超導(dǎo)磁體商業(yè)化，核磁共振成像儀中的超導(dǎo)磁體體積將大大減小，價(jià)格也更為低廉。屆時(shí)醫(yī)學(xué)核磁共振檢查將如同現(xiàn)在X射線胸透一樣方便快捷，開(kāi)一個(gè)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(shè)想，通過(guò)太陽(yáng)能和風(fēng)能發(fā)電，采用超導(dǎo)電纜和液氫一起輸入到千家萬(wàn)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(lái)能源危機(jī)的解決方案之一。弱電應(yīng)用1962年，當(dāng)時(shí)還是研究生的約瑟夫森(B.D.Josephson)在安德森(P.W.Anderson)的鼓勵(lì)下從理論上證明了超導(dǎo)隧道結(jié)中存在約瑟夫森效應(yīng)，即超導(dǎo)電子對(duì)可以隧穿兩個(gè)超導(dǎo)體之間很薄的絕緣層，其隧穿電壓敏感依賴于外加磁場(chǎng)。利用約瑟夫森效應(yīng)制備的超導(dǎo)量子干涉儀(SQUID)是最為精確的微弱磁場(chǎng)探測(cè)器之一，最高精度達(dá)到5X10-18To利用SQUID可以進(jìn)行高精度的磁測(cè)量，它能夠檢測(cè)出地球

7、磁場(chǎng)的幾億分之一的變化，也能夠探測(cè)10-9T到10-6T之間的生物磁場(chǎng)，心磁圖和腦磁圖也是未來(lái)醫(yī)學(xué)診斷中在心電圖和腦電圖之外的有效補(bǔ)充檢查手段之一。靈敏的磁探測(cè)器能夠大大促進(jìn)生物磁的研究，比如“飛鴿傳書(shū)”靠的就是鴿子頭部和啄部對(duì)地磁場(chǎng)的靈敏感應(yīng)來(lái)準(zhǔn)確判斷飛行方向，海豚、金槍魚(yú)、海龜、候鳥(niǎo)、蝴蝶甚至某些微生物內(nèi)，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(shù)，人們還可以設(shè)計(jì)超導(dǎo)量子比特器件，是量子計(jì)算機(jī)的基本元件之一，而量子計(jì)算機(jī)的多通道快速并行計(jì)算將為未來(lái)的人類生產(chǎn)和生活帶來(lái)革命性的變化。2012年3月，IBM研究院的科學(xué)家正式宣布一次可進(jìn)行百萬(wàn)項(xiàng)計(jì)算的量子計(jì)算機(jī)

8、研制成功。也許在不遙遠(yuǎn)的將來(lái)，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)一整天的運(yùn)算量在量子計(jì)算機(jī)上只要一秒，最終量子計(jì)算機(jī)將成為信息時(shí)代的主角。止匕外，世界上最精密的模數(shù)轉(zhuǎn)換器和最精密的陀螺儀也是采用超導(dǎo)材料制備的。高溫超導(dǎo)微波器件是采用高溫超導(dǎo)薄膜為波導(dǎo)材料制備的微波濾波器、超導(dǎo)天線及微波子系統(tǒng)等。高溫超導(dǎo)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(guó)防領(lǐng)域，超導(dǎo)濾波器可用于衛(wèi)星和雷達(dá)通訊，在民用領(lǐng)域，可以服務(wù)于移動(dòng)通信。目前，我國(guó)的部分移動(dòng)通信基站已經(jīng)開(kāi)始采用銅氧化合物高溫超導(dǎo)濾波器，高溫超導(dǎo)濾波器已經(jīng)悄然開(kāi)始了產(chǎn)業(yè)化和規(guī)模化生產(chǎn)和應(yīng)用。也許在您使用3G手機(jī)網(wǎng)上沖浪的時(shí)候，超導(dǎo)技術(shù)已經(jīng)悄然在為您服務(wù)

9、。超導(dǎo)體有許多神奇的性質(zhì)，目前的超導(dǎo)應(yīng)用僅僅利用了零電阻、完全抗磁性和超導(dǎo)相位相干等幾個(gè)最主要的物理特征。由于我們對(duì)非常規(guī)超導(dǎo)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(yīng)用上更是十分稀少。隨著超導(dǎo)研究的深入，新的超導(dǎo)材料也必將會(huì)被發(fā)現(xiàn)并應(yīng)用。如同半導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用讓人類社會(huì)發(fā)生翻天覆地的變化一樣，超導(dǎo)的應(yīng)用前景也將會(huì)十分樂(lè)觀，并給人類帶來(lái)無(wú)盡的福祉。超導(dǎo)研究的未來(lái)自1911年超導(dǎo)發(fā)現(xiàn)以來(lái)，在超導(dǎo)研究的百年歷史上共有十人獲得了五次諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)：1913年昂內(nèi)斯因氨氣的成功液化和超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)獲獎(jiǎng)；1972年巴丁、庫(kù)珀、施里弗因常規(guī)金屬的超導(dǎo)微觀理論一一BCS理論獲獎(jiǎng)；1973年約瑟夫森和賈埃弗

10、因超導(dǎo)隧道結(jié)中的約瑟夫森效應(yīng)理論預(yù)言及實(shí)驗(yàn)研究與江崎（L.Esaki）分享諾貝爾獎(jiǎng)；1987年柏諾茲和繆勒因銅氧化合物高溫超導(dǎo)材料的發(fā)現(xiàn)而獲獎(jiǎng)；2003年阿布里科索夫和金茨堡因超導(dǎo)唯象理論和預(yù)言量子磁通渦旋與萊格特（A.J.Leggett）分享諾貝爾獎(jiǎng)（圖12）。其中巴丁是歷史上唯一獲得兩次諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的科學(xué)家（除他以外僅有居里夫人分別獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)和化學(xué)獎(jiǎng)各一次），前一次是因?yàn)榘雽?dǎo)體晶體管的發(fā)明。我們完全可以樂(lè)觀地預(yù)見(jiàn)，在未來(lái)的超導(dǎo)研究還會(huì)有更多的諾貝爾獎(jiǎng)?wù)Q生，這也正說(shuō)明超導(dǎo)研究是凝聚態(tài)物理中長(zhǎng)盛不衰的熱門領(lǐng)域。未來(lái)的超導(dǎo)研究主要集中在三個(gè)方面：一是不斷提高現(xiàn)有的實(shí)用超導(dǎo)材料制備工藝，改

11、善超導(dǎo)器件的性能指標(biāo)，提高制冷系統(tǒng)的性能，推進(jìn)超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)的市場(chǎng)化和規(guī)?；欢遣粩嗵剿鞲m合應(yīng)用的超導(dǎo)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(dǎo)研究史上獲得諾貝爾獎(jiǎng)的十位物理學(xué)家良好的韌性和塑性，廉價(jià)的原料和簡(jiǎn)易的合成方法等；三是研究清楚現(xiàn)有超導(dǎo)體的微觀機(jī)理，為尋找新的超導(dǎo)體提供必要的理論指導(dǎo)。三個(gè)方面是相輔相成的

12、。尋求更高Tc的超導(dǎo)體是超導(dǎo)研究的重要目標(biāo)之一。銅氧化物超導(dǎo)體的Tc在高壓下已經(jīng)達(dá)到了160K,我們完全有理由相信更高Tc的超導(dǎo)體會(huì)在不久的將來(lái)被發(fā)現(xiàn)。室溫300K下的超導(dǎo)體也不僅僅是個(gè)夢(mèng)想：現(xiàn)在沒(méi)有理論證明它能實(shí)現(xiàn)，也沒(méi)有理論證明它不能實(shí)現(xiàn)。理論家已經(jīng)預(yù)言，在足夠強(qiáng)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(gè)室溫超導(dǎo)體。另一個(gè)被預(yù)言的可能室溫超導(dǎo)體是堿金屬或者堿土金屬摻雜的單層石墨烯，這將在超導(dǎo)器件應(yīng)用上大有用武之地。超導(dǎo)發(fā)現(xiàn)的歷史告訴我們，超導(dǎo)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(yù)測(cè)下一個(gè)超導(dǎo)體會(huì)是什么類型的材料，這也正是超導(dǎo)研究始終煥發(fā)

13、魅力的秘密所在。建立完善的超導(dǎo)微觀理論以獲得對(duì)超導(dǎo)特性的全面理解也是超導(dǎo)研究的重要任務(wù)之一。目前人們把能夠用BCS理論描述的超導(dǎo)體稱為常規(guī)超導(dǎo)體，而其他超導(dǎo)體如銅氧化物超導(dǎo)體、鐵基超導(dǎo)體、有機(jī)超導(dǎo)體和重費(fèi)米子超導(dǎo)體等統(tǒng)稱為非常規(guī)超導(dǎo)體。在非常規(guī)超導(dǎo)體中，庫(kù)珀對(duì)的概念仍然適用，只是能隙結(jié)構(gòu)也即配對(duì)對(duì)稱性開(kāi)始多元化；配對(duì)的媒介也從聲子擴(kuò)展到其他可能的機(jī)制上；電子配對(duì)和相位相干也不再要求同時(shí)發(fā)生?？傊?，似乎BCS理論描述的僅是特殊的常規(guī)金屬超導(dǎo)體，而對(duì)于普遍性的其他非常規(guī)超導(dǎo)體，或許更需要一個(gè)更加普適的理論來(lái)進(jìn)行描述。超導(dǎo)研究是一個(gè)充滿挑戰(zhàn)和機(jī)遇的領(lǐng)域，它激起了世界上許多優(yōu)秀的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家和聰明的理論物理學(xué)家的濃厚興趣，挑戰(zhàn)著人們對(duì)現(xiàn)有物理框架和物理概念的理解，也豐富