全球競逐的“超導(dǎo)”中國排第幾？

自人類發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象以來，該領(lǐng)域已經(jīng)產(chǎn)生了5個相關(guān)的諾貝爾獎。中國科學(xué)家也因超導(dǎo)領(lǐng)域的突破，兩次獲國家自然科學(xué)獎一等獎、一次獲國家最高科學(xué)技術(shù)獎。

但是，超導(dǎo)材料的實現(xiàn)很不容易，比如需要超高壓——有科普作家打過一個比方，有一種超導(dǎo)材料所需的超高壓，近似于一只大象背起三四百只大象，再穿一只細高跟鞋，然后用細高跟鞋跺一下那種大小的力。

世界上有沒有室內(nèi)常壓條件下的超導(dǎo)材料？目前有一種，但“出現(xiàn)”在科幻電影《阿凡達》中：一種叫“unobtanium”的室溫超導(dǎo)礦石，可以讓一座座大山懸浮在空中。中國科學(xué)院物理研究所研究員羅會仟曾在一篇文章中說到，從事超導(dǎo)研究的科學(xué)家們，同樣懷有一個終極夢想，那就是尋找到可實用化的室溫超導(dǎo)材料。

現(xiàn)如今，在研發(fā)新的可大規(guī)模應(yīng)用的超導(dǎo)材料成為全球科技競逐的目標(biāo)之際，中國科學(xué)家做得怎么樣呢？

有的領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)“從0到1”突破

目前，中國在超導(dǎo)一些研究方向上已做到世界領(lǐng)先水平，且在不斷取得新突破。

北京時間7月12日晚上11時，國際頂刊《自然》雜志刊登了中山大學(xué)王猛教授團隊主導(dǎo)的科學(xué)成果：首次發(fā)現(xiàn)液氮溫區(qū)鎳氧化物超導(dǎo)體。

這是中國科學(xué)家在全球率先發(fā)現(xiàn)的全新高溫超導(dǎo)體系，是人類目前發(fā)現(xiàn)的第二種液氮溫區(qū)非常規(guī)超導(dǎo)材料，被視作基礎(chǔ)研究領(lǐng)域“從0到1”的突破。想要理解這一發(fā)現(xiàn)的重要意義，潮新聞記者先簡單捋一下超導(dǎo)發(fā)展歷史。

1911年，荷蘭物理學(xué)家昂內(nèi)斯首次發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象。當(dāng)時，他把汞冷卻到4k（“K”為熱力學(xué)溫度單位“開爾文”，4K=-269.15℃），這接近于絕對零度（-273.15℃）。此后，科學(xué)家一直在尋找高溫超導(dǎo)材料。

1980年代，在中科院物理所趙忠賢老師為代表的團隊帶領(lǐng)下，中國很快發(fā)現(xiàn)了90K（-183.15℃）以上銅氧化物高溫超導(dǎo)現(xiàn)象，打破了傳統(tǒng)超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變溫度一般不能超過40k（-233.15℃）的上限。趙忠賢研究團隊?wèi){借卓越成果，獲得了1989年國家自然科學(xué)獎一等獎。

2008年，趙忠賢團隊將鐵基超導(dǎo)體的臨界溫度提高到了55K（-218.15℃），推動中國高溫超導(dǎo)研究走在世界最前沿。當(dāng)年美國《科學(xué)》以“新超導(dǎo)體將中國物理學(xué)家推到最前沿”為題發(fā)表述評，肯定了中國物理學(xué)家開展的富有重要影響的領(lǐng)先性工作。

自此，很多新的鐵基超導(dǎo)材料、包括超導(dǎo)機理方面的物性研究，均由中國科學(xué)家率先開展。據(jù)中國科學(xué)院物理研究所研究員羅會仟介紹，直至今日，中國在超導(dǎo)基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，即材料和機理方面，都處在全球前列。

2014年1月，以趙忠賢、陳仙輝、王楠林、聞?；⒑头街覟榇淼闹袊茖W(xué)院物理研究所和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究團隊?wèi){借“40K以上鐵基高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)及若干基本物理性質(zhì)研究”，獲2013年度國家自然科學(xué)獎一等獎。3年后，趙忠賢院士獲得2016年度國家最高科學(xué)技術(shù)獎。

在高溫超導(dǎo)材料研發(fā)中，液氮溫區(qū)（77開爾文，即-196℃）尤為特殊。因為，液氮相比其他材料更加廉價、易得。這就推動了銅氧化物高溫超導(dǎo)材料在信息技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)、科學(xué)儀器、電力、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域的應(yīng)用。

但是，銅氧化物至此仍是唯一液氮溫區(qū)的非常規(guī)超導(dǎo)材料?！翱茖W(xué)家在銅氧化物超導(dǎo)電性研究中掌握了很多實驗現(xiàn)象和規(guī)律，然而與高溫超導(dǎo)的因果關(guān)系無法確定?！鼻迦A大學(xué)教授張廣銘說，高溫超導(dǎo)的機理至今未知，成為近40年來物理學(xué)中最重要的科學(xué)問題之一。

此次，王猛團隊首次發(fā)現(xiàn)在液氮溫區(qū)超導(dǎo)的鎳氧化物。據(jù)王猛教授介紹，鎳氧化物的電子結(jié)構(gòu)、磁性與銅氧化物完全不同。通過比較研究，將有可能確定高溫超導(dǎo)的關(guān)鍵因素，推動科學(xué)家破解高溫超導(dǎo)機理。

如果仔細留意中國超導(dǎo)研究進展，你還會發(fā)現(xiàn)很多新聞：比如，今年6月，中科大團隊在世界物理學(xué)頂級刊物《物理評論快報》（Physical Review Letters）發(fā)表論文，創(chuàng)下元素超導(dǎo)體轉(zhuǎn)變溫度新紀(jì)錄。2014年，吉林大學(xué)馬琰銘團隊預(yù)言在160 萬個大氣壓下，硫化氫（h2s）可變?yōu)槌瑢?dǎo)體，超導(dǎo)臨界溫度為80K；吉大另一團隊崔田研究組預(yù)言h2s-h2化合物在高壓下可能實現(xiàn)191K～204 K 的高溫超導(dǎo)。

更多超導(dǎo)材料應(yīng)用于生活

中國超導(dǎo)的領(lǐng)先，離不開國家大力支持，并實現(xiàn)在多個領(lǐng)域的應(yīng)用。

上世紀(jì)六七十年代，中國就開始超導(dǎo)研究?！?63計劃”誕生不久，超導(dǎo)就作為專項列入?！笆濉逼陂g，國家對“863”超導(dǎo)專項給予大力支持，當(dāng)時的科技部投入經(jīng)費約1億元，加上社會各界的投入，課題總經(jīng)費4億元左右。該專項取得了豐碩成果，其中一部分完全達到世界先進水平。

近年來，國家層面有關(guān)超導(dǎo)的頂層設(shè)計、政策也是密集出臺。2021年12月，工信部聯(lián)合科技部、自然資源部發(fā)布的《“十四五”原材料工業(yè)發(fā)展規(guī)劃》提出，實施前沿材料前瞻布局行動，支持科研單位聯(lián)合企業(yè)，把握新材料技術(shù)與信息技術(shù)、納米技術(shù)、智能技術(shù)等融合發(fā)展趨勢，發(fā)展超導(dǎo)材料、智能仿生、增材制造材料等，推動新的主干材料體系化發(fā)展，強化應(yīng)用領(lǐng)域的支持和引導(dǎo)。這被業(yè)界視為明確了超導(dǎo)材料在現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)中的定位。超導(dǎo)的重視，離不開其巨大的應(yīng)用價值。例如在超導(dǎo)電纜領(lǐng)域，我國已實現(xiàn)落地應(yīng)用。

超導(dǎo)材料可使電力傳輸介質(zhì)接近于零電阻，電能傳輸損耗趨近于零。一條35千伏超導(dǎo)電纜相當(dāng)于傳統(tǒng)220千伏電纜的輸送容量，可以替代4至6條相同電壓等級傳統(tǒng)電纜，較以往可節(jié)省70%的地下管廊空間。在我國，據(jù)悉，每年電力傳輸上的損失就高達上千億度，若換成超導(dǎo)材料，節(jié)省的電能相當(dāng)于新建數(shù)十個大型發(fā)電廠。

2004年，中國第一組超導(dǎo)電纜系統(tǒng)正式并網(wǎng)。我國成為繼美國、丹麥之后，全球第三個將超導(dǎo)電纜投入電網(wǎng)運行的國家。2013年，國內(nèi)首套30米、35千伏低溫絕緣高溫超導(dǎo)電纜掛網(wǎng)運行，標(biāo)志著中國在實用低溫絕緣高溫超導(dǎo)電纜技術(shù)中獲得突破。2021年12月，全球首條超公里級高溫超導(dǎo)電纜商業(yè)化示范段在上海正式投運，標(biāo)志著中國超導(dǎo)輸電應(yīng)用邁入全球領(lǐng)先行列……

南京大學(xué)教授、長江學(xué)者特聘教授、美國物理學(xué)會會士聞?；⒆罱诮邮苊襟w采訪時介紹，目前超導(dǎo)材料實際上已經(jīng)應(yīng)用在很多產(chǎn)業(yè)了，比如核聚變研究的磁體、醫(yī)院內(nèi)核磁成像的磁體、高頻濾波器、量子計算等方面，都有應(yīng)用。

2016年9月，在美、日、歐等國家的鐵基超導(dǎo)線制備還處于米級水平之際，中科院電工研究所研究員馬衍偉團隊成功研制國際首根100米量級鐵基超導(dǎo)長線。這是鐵基超導(dǎo)材料從實驗室研究走向產(chǎn)業(yè)化的新的里程碑。

在中國，超導(dǎo)為大眾所熟知的要數(shù)磁懸浮列車。2002年12月31日，由中國鐵建承建的世界首條磁浮運營線——上海磁浮列車示范運營線通車運營。2016年5月6日，中國首條自主設(shè)計、自主施工、自主制造的具備完全自主知識產(chǎn)權(quán)的中低速磁浮商業(yè)運營示范線——長沙磁浮快線開通。目前，國內(nèi)還有北京地鐵S1線、廣東清遠磁浮旅游專線、鳳凰磁浮觀光快線等多條已投運或在建的磁懸浮線。

2021年1月，世界首臺高溫超導(dǎo)高速磁浮工程化樣車在成都下線，設(shè)計時速620千米。

前沿產(chǎn)業(yè)布局加速推進

這幾天，廣大網(wǎng)友紛紛“腦洞大開”，暢想室溫超導(dǎo)帶來的改變——可控核聚變、量子計算機等重大基礎(chǔ)設(shè)施將獲得巨大突破，飛車行駛并不是夢想，電腦、手機也不會有發(fā)熱發(fā)燙的煩惱……

為了讓大家“圓夢”，科學(xué)家們、產(chǎn)業(yè)界等都在不斷努力——

基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，很多團隊在進一步探索路上。王猛團隊的發(fā)現(xiàn)，得到《自然》雜志審稿人的高度評價，認為它“具有突出重要性”“是開創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)”。該發(fā)現(xiàn)在審稿階段于科研論文預(yù)印平臺公布后，在一個月左右時間里已有10余項相關(guān)理論和實驗工作相繼公布。

國際頂刊《自然》雜志刊登了中山大學(xué)王猛教授團隊主導(dǎo)的科學(xué)成果：首次發(fā)現(xiàn)液氮溫區(qū)鎳氧化物超導(dǎo)體。

“目前，我們的超導(dǎo)材料，需要14GPa壓力下才能實現(xiàn)，這會限制對超導(dǎo)機理的研究以及廣泛應(yīng)用。研究團隊目前正在攻關(guān)，希望生長出常壓下達到液氮溫區(qū)超導(dǎo)的鎳氧化物超導(dǎo)體?！蓖趺驼f。

在產(chǎn)業(yè)發(fā)展上，超導(dǎo)材料市場規(guī)模將繼續(xù)增長。根據(jù)歐洲超導(dǎo)行業(yè)協(xié)會，全球超導(dǎo)產(chǎn)品市場規(guī)模已從2012年的51.9億歐元增長至2022年的68億歐元。

超導(dǎo)材料根據(jù)臨界溫度，可分為低溫超導(dǎo)材料和高溫超導(dǎo)材料。目前，國際超導(dǎo)材料市場90%左右是低溫超導(dǎo)材料。在該領(lǐng)域，全球僅有少數(shù)幾家企業(yè)掌握低溫超導(dǎo)線生產(chǎn)技術(shù)，主要分布在美國、英國、德國、日本和中國。

近幾年，商業(yè)嗅覺靈敏的民營資本，同時在進入強磁場、可控核聚變、磁懸浮列車等高溫超導(dǎo)帶材應(yīng)用領(lǐng)域。2020年9月，中國制造業(yè)500強、中國民營企業(yè)500強奧盛集團發(fā)起成立了長三角超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)鏈聯(lián)盟，聯(lián)合了長三角地區(qū)如上海國際超導(dǎo)、上海超導(dǎo)、上創(chuàng)超導(dǎo)、蘇州新材料所、安徽萬瑞等超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)鏈諸多龍頭企業(yè)。

我國多個省市發(fā)布了支持超導(dǎo)相關(guān)產(chǎn)業(yè)建設(shè)的政策。

早在2011年，上海市政府就開始在高溫超導(dǎo)材料領(lǐng)域培育上創(chuàng)超導(dǎo)、上海超導(dǎo)這兩家民營企業(yè)，提前布局。2021年，上海市的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和先導(dǎo)產(chǎn)業(yè)發(fā)展“十四五”規(guī)劃則明確提出，培育高溫超導(dǎo)材料、石墨烯、3D打印等，努力形成一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的國際領(lǐng)先的原創(chuàng)核心技術(shù)。上海正全力推動打造具有全球影響力的超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)高地。

浙江也在加快布局。2021年，浙江省印發(fā)《全球先進制造業(yè)基地建設(shè)“十四五”規(guī)劃》，《規(guī)劃》提出，重點培育柔性電子材料、石墨烯材料、3D打印材料、超導(dǎo)材料等產(chǎn)業(yè)，部分領(lǐng)域達到世界先進水平。

今年初，浙江印發(fā)《關(guān)于培育發(fā)展未來產(chǎn)業(yè)的指導(dǎo)意見》，其中在“優(yōu)先發(fā)展9個快速成長的未來產(chǎn)業(yè)”之一的“前沿新材料”產(chǎn)業(yè)，就提出重點發(fā)展石墨烯、超導(dǎo)材料、生物可降解材料、碳纖維復(fù)合材料、新一代3D打印材料等領(lǐng)域……以新一代材料形成新一代技術(shù)裝備。

◎ 來源|北京日報