点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:院士科普 | 超导研究为何让科学家们“追”了一百年?
首页> 光明科普> 图文 > 正文

院士科普 | 超导研究为何让科学家们“追”了一百年?

来源:光明网-科普中国2025-07-21 09:40

  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。

院士科普 | 超导研究为何让科学家们“追”了一百年?

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。

院士科普 | 超导研究为何让科学家们“追”了一百年?

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)

院士科普 | 超导研究为何让科学家们“追”了一百年?

院士科普 | 超导研究为何让科学家们“追”了一百年?

[ 责编:肖春芳 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 走近甘孜岩画

  • 巴丹吉林沙漠秋日即景

独家策划

推荐阅读
工业和信息化部近日印发通知,部署开展城域“毫秒用算”专项行动。
2025-10-23 10:31
近日,以“先进制造”为主题的第138届广交会第一期落下帷幕。截至10月19日,境外采购商线下到会人数超15.79万人,环比增长6.3%。
2025-10-23 10:27
日前,大连理工大学科研团队研发的无人机蒙皮超薄一体化集成射频传感器挂飞成功,这标志着我国曲面天线全3D打印技术向实装应用迈出了重要一步。
2025-10-23 10:26
研究团队首次在原子尺度揭示了冰在二维下独特的“织网式”结晶过程。该成果日前发表于国际学术期刊《自然·通讯》。
2025-10-23 10:24
据农情调度,截至10月21日,全国秋粮收获近八成。
2025-10-23 10:23
科研和产业像“两张皮”,中间缺了能把成果“送上门”的人。
2025-10-22 10:17
由美国斯坦福医学院、英国莫菲尔德眼科医院、德国波恩大学等多家国际科研机构组成的团队,开发出一款视网膜下无线微芯片,成功帮助晚期老年性黄斑变性患者恢复了视力。
2025-10-22 10:15
为深切缅怀杨振宁先生,位于清华大学图书馆老馆219室的杨振宁书屋日前正式开放,与其同步启用的杨振宁档案资料库专题网站也面向全球上线发布。
2025-10-22 10:09
中国科学家研究发现,含利福特尼唑的三联方案,让幽门螺杆菌治疗有望重新回归更简便的三联方案时代,为全球幽门螺杆菌感染者带来了全新的治疗选择。
2025-10-22 10:06
10月21日,在上海淀山湖畔举办的“2025年全国青少年智能无人系统应用大赛”发布获奖名单。
2025-10-22 10:04
10月20日,记者从中国工程物理研究院北京高压科学研究中心了解到,该中心联合广东省科学院组成的研究团队,日前在广东省肇庆市德庆县发现了一处小行星撞击形成的地质遗迹——金林陨石坑。
2025-10-21 09:49
美国西雅图华盛顿大学的Grace Hendricks和同事证明,一种mRNA版本的新冠纳米颗粒疫苗在小鼠体内产生的免疫反应是标准mRNA疫苗的28倍。
2025-10-21 09:42
10月17日,中国科学院国家天文台举办“用于太阳磁场精确测量的中红外观测系统”(AIMS)研制总结暨未来科学规划研讨会。”
2025-10-21 09:39
单日就可最多烘干稻谷5000吨。
2025-10-21 09:28
农业农村部20日宣布,从当前开始到冬至(12月21日),启动实施奋战60天抗秋汛抢麦播促壮苗行动。
2025-10-21 09:24
农业保险作为灾后恢复生产的重要政策工具,如何更好守护农民“钱袋子”?
2025-10-20 09:55
安徽师范大学校长熊宇杰教授联合中国科学技术大学相关科研团队,成功创制出亚纳米级高熵合金,这一方法具备广泛普适性,可制备包含多达十种金属元素的高熵合金。
2025-10-20 09:51
财政部日前发布的2025年前三季度财政收支情况显示,前三季度,全国一般公共预算支出208064亿元,同比增长3.1%。
2025-10-20 09:49
中国科学技术大学毕国强教授团队17日在《科学》杂志发表一项神经科学领域的突破性研究成果,揭示了大脑高效传递信息的“微观密码”。
2025-10-20 09:43
高校是科技创新体系的重要组成部分,高校科研人员是推进科技创新的重要人才队伍。
2025-10-20 09:41
加载更多