超导研究为何让科学家们“追”了一百年？

2025-07-22 10:45机械之最

很多人第一次听到“超导”，可能会觉得陌生。简单说，超导就是某些材料在特定条件下电阻突然消失的现象。1911年，荷兰物理学家昂内斯发现水银在极低温下电阻为零，揭开了超导研究的序幕。这可不是小发现——没有电阻，电流就能毫无损耗地传输，能量效率会达到前所未有的高度。

超导材料的另一重要特性是“完全抗磁性”。处于超导状态的材料会将内部磁场完全排斥在外，这种“迈斯纳效应”让磁悬浮成为可能。医院里的核磁共振仪之所以能产生强大且稳定的磁场，正是得益于超导磁体的应用——利用超导材料制造的线圈可以产生常规材料无法比拟的强磁场，同时避免了能量损耗带来的发热问题。

中国科学院院士、上海交通大学李政道研究所副所长丁洪

超导研究史上的里程碑之一出现在1986年。这一年，科学家发现了在液氮温度（-196℃）下就能实现超导的铜氧化物材料，这一突破被称为“高温超导”。这里的“高温”是相对概念——相比此前需要接近绝对零度（-273℃）的低温超导材料，液氮温度已属于易于实现的条件，但距离日常应用仍有差距。

高温超导面临两大核心挑战。首先是机理之谜。1957年的BCS理论完美解释了低温超导现象，其核心是电子通过晶格振动形成库珀对。但高温超导材料中电子间的相互作用远比低温超导复杂，呈现出强烈的“强关联”特性，几百种理论假说至今没有一种能完全解释其超导机制。这种理论困境如同隔着迷雾观察舞蹈——我们能看到电子的集体运动，却无法破译其背后的指挥逻辑。

其次是应用瓶颈。高温超导材料多为陶瓷性质，缺乏金属的延展性，难以加工成实用的线材或线圈。在核聚变等领域，虽然高温超导带材已开始应用（如上海超导生产的带材供不应求），但如何让材料在保持超导特性的同时具备良好的机械性能，仍是工程师们需要攻克的难题。

尽管存在挑战，超导的应用已在多个领域崭露头角。医疗领域，核磁共振成像（MRI）依靠超导磁体提供的稳定强磁场，实现了对人体内部结构的高精度成像；能源领域，超导电缆能大幅降低输电损耗，在远距离大容量电力传输中具有不可替代的优势；交通领域，超导磁悬浮列车利用完全抗磁性实现无接触运行，理论时速可达600公里以上。

超导电动高速磁浮列车在国家铁道实验中心现场展示

最令人期待的应用当属核聚变。可控核聚变被视为“终极能源”，而其实现很可能离不开强磁场约束高温等离子体。高温超导材料制造的磁体系统，能在更小的体积内产生更强的磁场，是未来聚变反应堆的核心部件。目前，全球多个核聚变项目已明确采用高温超导技术，这一应用或将在未来20年内走向商业化。

展望未来5-10年，超导领域有望迎来两大突破。一是更高温度超导材料的发现。目前已知的最高温超导材料在高压下可达到-13℃，虽仍需高压条件，但已接近室温。科学家正通过设计新型晶体结构、探索多元化合物等方式，寻找能在常压下实现高温超导的材料，一旦成功，将彻底改变能源、交通等行业的格局。

二是拓扑超导的实用化。拓扑超导材料具有独特的“拓扑保护”特性，其表面的准粒子（如马约拉纳零能模）可用于构建容错量子比特。与传统量子比特相比，拓扑量子比特对环境干扰的抵抗力极强，出错率大幅降低，被视为实现通用量子计算机的关键。目前，全球多个团队正全力攻关，目标是在5年内造出首个拓扑量子比特，为量子计算奠定坚实基础。

基础研究的每一步突破，都可能在未来绽放出改变世界的力量。当更高温度、更易加工的超导材料走进日常生活，人类或许将迎来一个能量高效利用、技术全面革新的新时代。

（文章系未来科学大奖十周年庆典期间光明网采访丁洪院士的内容，记者宋雅娟、蔡琳采访整理。来源：科普中国·科学报国正当时）