超导：让电流“零阻力”奔跑的奇迹

你好奇科学将如何改变生活吗？你对哪些科学问题感兴趣？本版今起开设“瞰前沿·@科学家”栏目，欢迎广大读者打开脑洞、敞开提问，我们将邀请科学家回答，一起探索科技新知。

网友：最近看到一则新闻：国际热核聚变实验堆组织宣布已完成世界最大、最强的脉冲超导电磁体系统的全部组件建造，其中直径9至25米的超导磁环由中国参与制造。我对“超导磁环”很好奇，能否讲讲超导的原理是什么、有哪些应用？

编辑：这是一个很好的问题。超导，一种能让电流“零阻力”奔跑的“魔法材料”，正悄然塑造未来图景。可控核聚变、磁悬浮列车、量子计算机……探索前沿的阵地上，超导的身影无处不在。本期我们邀请到中国科学院院士、南方科技大学校长薛其坤，请他带我们走进超导的“神奇世界”。

从点亮灯泡到驱动高铁，电流的顺畅流动是社会生活的命脉。然而，铜、铝等传统导电材料总伴随着能量损耗，就像水管中的水流遭遇摩擦阻力。有没有一种材料能让电流“零阻力”奔跑？

答案是超导材料——这个凝聚人类百年智慧的科学奇迹，正在重塑能源与科技的版图。

我们为什么需要超导

导电性是材料传输电流的能力，材料的电阻小，材料的导电能力就强，反之亦然。铜、银和铝等金属因内部自由电子活跃，成为电线、芯片生产的主要材料。但即便导电性最好的银，电阻也并非为零。电流流过时，由于电阻的存在，部分电能会以热量的形式耗散。据统计，全球每年因输电损耗的电量高达总发电量的5%—10%。

随着算力需求爆炸式增长，电力需求也逐步攀升，数据中心、超算中心的芯片发热已成为技术瓶颈。例如，传统半导体芯片中，约40%的电能转化为热量，既浪费能源，又需庞大的散热系统。如何把这部分能量节省下来？超导技术是答案之一。

1911年，荷兰物理学家卡末林—昂内斯发现，汞在零下269摄氏度时，电阻突然消失，电流可永续流动而不衰减，他将这一现象命名为“超导电性”。超导体的零电阻特性，如同为电子铺设了一条无摩擦的“高速公路”。

这一特性已悄然改变生活。医院中的核磁共振成像仪就是经典案例：其核心的超导线圈通电后产生强磁场，用于人体成像。若用普通铜线圈，不仅耗电量巨大，还需要持续供电制冷来抵消电阻发热，而超导线圈一旦通电，可永久维持磁场，能耗近乎为零。

更宏大的应用已经落地。广东深圳平安大厦于2021年启用了自主研发的三相同轴高温超导电缆，这是世界上首次将超导电缆应用于超大型城市中心区。这条电缆在零下196摄氏度的液氮保护环境下工作，电流承载量是同等粗细铜缆的5倍，输电损耗降低约80%。未来，城市电网若全面改用超导电缆，输电效率将跃升，停电事故或将大大减少。

寻找超导材料之路

早期超导体需依赖液氦（零下269摄氏度）维持低温，成本极高。1968年，科学家麦克米兰提出理论：传统超导体在常压下的临界温度不会超过40开尔文（约零下233摄氏度），这一“天花板”被称为“麦克米兰极限”。

然而，1986年，铜基氧化物超导体的发现打破了这一预言，它可以在液氮温区（大于77 开尔文即零下196摄氏度）工作，使超导应用成本降低许多。2008年，铁基超导体成为第二类突破“麦克米兰极限”的高温超导材料。

今年2月，南方科技大学团队宣布最新科研突破：在常压环境下实现了镍氧化物薄膜超过“麦克米兰极限”（40开尔文以上）的超导电性，使镍基材料成为常压下继铜基、铁基之后的第三类高温超导材料体系。

这项发表于《自然》杂志的突破性研究，不仅刷新了超导材料家族图谱，更是在镍基体系中验证了高温超导的普适性，为破解高温超导机理提供了关键拼图。

“谁解开高温超导之谜，谁就掌握了21世纪能源革命的钥匙。”诺贝尔物理学奖得主安东尼·莱格特曾经这么预言。在铜基、铁基、镍基三类高温超导材料的发现和研究中，中国科学家正从跟跑变为领跑。如果最终实现了“超高温超导”即室温超导，将是人类科学史上最重大的发现之一。

超导的多样“魔力”

超导的“魔力”不止于零电阻。1933年，物理学家迈斯纳发现，超导体能完全排斥外部磁场，仿佛被无形之力托起。这一“完全抗磁性”现象被称为“迈斯纳效应”，它是磁悬浮技术的物理基石。

上海磁浮示范线已运行近20年，线上的列车依靠常规电磁铁悬浮，需持续供电维持磁场。而若采用超导磁悬浮，列车可“自发”悬浮于轨道之上，能耗可以大幅降低。2021年，中国在成都建成全球首条高温超导磁悬浮试验线，车辆在液氮温区实现自稳定悬浮，为下一代磁悬浮高铁奠定基础。

超导不仅是工程奇迹，更是量子物理的“宏观展厅”。在超导体中，无数的电子会结成“库珀对”，步调一致地运动，形成宏观尺度的量子态。这种特性让超导体成为量子科技的“核心元件”。例如，超导单光子探测器能捕捉单个光子的信号，是量子通信的“火眼金睛”；超导量子比特可长时间保持量子叠加态，科学家正在利用超导量子比特设计量子计算机，实现复杂超高速运算。如果可纠错的通用超导量子计算机最终被研制成功，它将提供比目前世界上最快的超级计算机还快百万倍以上的运算能力，并带来信息技术的重大变革。

超导研究已推动了低温物理、量子力学、材料科学的交叉融合。未来，随着高温超导机制的明晰与制备工艺的优化，这项“低温奇迹”或将成为连接基础科学与产业变革的重要纽带。

（作者为中国科学院院士、南方科技大学校长）