从出生到未来，一文读懂高温超导的所有猫腻

降低传输损耗，超导变压器能够确保电能输送的安全，超导发电机能提供高效的电力供应，超导限流器以及超导储能系统将实现电网暂态故障的抑制并提高电能质量。随着超导技术的进步，预计在2020年左右，全球超导电力技术的产值将超过750亿美元。和常规导体磁悬浮相比，超导磁悬浮力量更强大，一平方米的超导体足以悬浮起一个小孩。超导磁悬浮列车具有高速、低噪声、高稳定度和高安全性等不可替代的优势。超导磁体可以在小空间范围内实现稳恒强磁场，是如今科学研究、工业生产和日常生活中不可缺少的重要支撑。许多大型加速器都需要用到大量超导磁体，例如欧洲大型强子对撞机（Large Hadron Collider，LHC）上具有9300多个超导磁体，这是对撞机运行的必备基矗采用磁场强度和均匀度更高的超导磁体，医院的核磁共振成像仪的成像分辨率将大大提高，检测成本也将下降。随着石化能源的枯竭，人们积极寻找的替代能源之一就是可控热核聚变，又称超导托卡马克或人造小太阳，其中关键技术就是利用超导磁体提供的强磁场将核聚变约束在有限空间内。

超导的弱电应用是指基于超导电子宏观量子态调控的一些电子学器件。超导微波器件具有信噪比高，带边抑制明显，带宽控制灵活等优势。所谓4G/5G手机，其通信基站也许就使用了超导滤波器。这些高性能微波器件同样在军事设备、卫星通信、航空航天等领域大有用武之地，已发射的实践九号卫星和即将发射的天宫二号空间实验室都配置了相关装置。基于两个超导体之间量子效应的超导量子干涉器件（SQUID），是目前世界上最灵敏的磁探测技术，仅受到量子力学基本原理的限制。SQUID也是超导量子比特的基本单元，以超导量子比特为运算单元的量子计算机，将借助量子力学原理实现高性能计算，掀起一场新的信息革命。

超导体的零电阻效应和迈斯纳效应

既然超导材料有着如此巨大的应用潜力，为何在超导发现100多年后，其实际应用范围仍然远不如半导体呢？这是因为超导的实现必须依赖一定的条件。首先，超导材料只有处于临界温度以下时才能呈现超导态，而目前所发现的临界温度远远低于室温，如此低温环境需要大量的低温液体，特别是昂贵的液氦来维持，极大增加了超导的应用成本。其次，超导材料能承受的外磁场具有一定上限，称之为临界磁场。只有一个临界磁场的称为第一类超导体，一旦磁场超过这个临界值，超导态将不复存在。大部分超导体具有两个临界磁场，称为第二类超导体。外磁场大于下临界磁场时，完全抗磁态将被破坏，但零电阻态仍能保持；外磁场大于上临界场时，零电阻态也将彻底破坏。再者，通过超导材料的电流密度存在一个上限，称为临界电流密度。临界磁场和临界电流密度的存在意味着，即使超导体电阻为零，通过超导体的电流以及由超导线圈产生的磁场也将受到限制。因此，超导材料探索和应用研究的首要目的，就是寻找高临界温度、高临界磁场和高临界电流密度的新超导材料。

超导材料的探索之路

超导现象虽然看似神奇，但却普遍存在于各种化合物之中。从1911年到1986年，人们不断尝试了各种单质元素和金属合金。在元素周期表中，除了一些磁性金属（如锰、钴、镍）、碱金属（如钠、钾、铷）、部分磁性很强的稀土元素、惰性气体和重元素尚未观测到超导现象外，其他常见金属单质中都发现了超导，而一些非金属单质在高压下也能够实现超导态。金属和合金的超导临界温度都很低，到1986年为止，人们发现的最高临界温度为23.2开（化合物Nb3Ge）。尽管如此，金属合金的临界电流密度却很大，往往能达到数千安培/毫米2，加上金属具有良好的韧性和延展性，金属合金超导线成了目前超导磁体普遍使用的材料。

由于BCS理论在解释常规金属合金超导现象时取得了巨大成功，理论物理学家基于该理论框架，推断基于电子-声子相互作用配对凝聚的超导临界温度不可能高于40 开，即所谓麦克米兰极限。然而，实验物理学家并没有因此放弃寻找具有更高临界温度的超导材料。1986年，贝德诺尔茨（J. Bednorz，又译柏诺兹） 和米勒（K. Müller，又译缪勒）独辟蹊径，大胆地选择在一般认为导电性不好的陶瓷材料中去探索超导电性。他们在La-Ba-Cu-O体系中首次发现了超导电性的迹象，临界温度高达35 开，距离40开仅一步之遥，也超越了Nb3Ge中23.2 开的记录。这一发现引发了超导研究的热潮。1987年2月，美国休斯敦大学的朱经武、吴茂昆研究组和中国科学院物理研究所的赵忠贤研究团队分别独立发现在Y-Ba-Cu-O体系中，超导临界温度高达90开，超导研究首次成功突破了