電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李彎彎）近日，休斯頓大學(xué)（UH）發(fā)布博文，宣布與美國(guó)得克薩斯超導(dǎo)中心（TcSUH）的物理學(xué)家攜手，成功打破了保持30多年的133開(kāi)爾文舊紀(jì)錄，創(chuàng)造了151開(kāi)爾文（約-122℃）的常壓超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度新世界紀(jì)錄。這一突破性進(jìn)展標(biāo)志著高溫超導(dǎo)體研究邁出了重要一步。

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)創(chuàng)新的“壓力淬火”技術(shù)，將水銀化合物Hg-1223在接近絕對(duì)零度的環(huán)境下施加30萬(wàn)倍大氣壓并迅速降壓，成功將其常壓超導(dǎo)臨界溫度提升了18開(kāi)爾文，達(dá)到151開(kāi)爾文（零下122°C），創(chuàng)下新紀(jì)錄。這一成果已于3月9日發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》（PNAS）上，自1911年超導(dǎo)現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，這是所有已知常壓超導(dǎo)體中測(cè)得的最高溫度。

“壓力淬火”技術(shù)：突破高壓限制的關(guān)鍵

這一突破主要?dú)w功于團(tuán)隊(duì)引入的“壓力淬火”新技術(shù)。通常情況下，許多材料僅在極端高壓下才表現(xiàn)出優(yōu)異的超導(dǎo)性，這極大地限制了超導(dǎo)材料的實(shí)際應(yīng)用。為了解決這一難題，研究人員首先對(duì)材料施加極高壓力以提升其超導(dǎo)性能，隨后在特定低溫下迅速卸除全部壓力。這種方法成功將高壓下產(chǎn)生的超導(dǎo)特性“鎖定”并保留下來(lái)，使材料在恢復(fù)常壓后依然保持穩(wěn)定。
提高超導(dǎo)臨界溫度一直是物理學(xué)界數(shù)十年的核心目標(biāo)。此次休斯頓大學(xué)團(tuán)隊(duì)將紀(jì)錄大幅提升了18開(kāi)爾文（151-133開(kāi)爾文），即從零下140攝氏度提升至零下122攝氏度。

論文第一作者Liangzi Deng表示，一旦材料能在常壓下工作，科學(xué)家就能利用常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)儀器對(duì)其進(jìn)行深入研究，從而大幅降低研發(fā)門(mén)檻并加速技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用。盡管距離約300 K的室溫超導(dǎo)終極目標(biāo)仍有約140攝氏度的差距，但該成果依然為未來(lái)的能源革命描繪了清晰藍(lán)圖。

論文通訊作者Ching-Wu Chu強(qiáng)調(diào)，目前電網(wǎng)在傳輸過(guò)程中會(huì)損耗約8%的電力，如果應(yīng)用超導(dǎo)技術(shù)消除這些損耗，不僅能節(jié)省數(shù)十億美元，還能大幅降低環(huán)境影響。

超導(dǎo)現(xiàn)象：從發(fā)現(xiàn)到應(yīng)用的歷史回顧

超導(dǎo)是指某些物質(zhì)在一定溫度和磁場(chǎng)條件下（一般為較低溫度和較小磁場(chǎng)）電阻降為零，同時(shí)表現(xiàn)出完全抗磁性的狀態(tài)。超導(dǎo)態(tài)具有一系列臨界參量，如臨界溫度Tc、臨界磁場(chǎng)Hc、臨界電流密度jc等。必須同時(shí)低于這三個(gè)臨界參量，超導(dǎo)態(tài)才能維持住。一旦材料的物理量超越臨界參量，超導(dǎo)態(tài)被破壞，變回不超導(dǎo)的正常態(tài)，此時(shí)恢復(fù)為有電阻態(tài)，磁通線(xiàn)也可以進(jìn)入超導(dǎo)體內(nèi)部。

1911 年，荷蘭物理學(xué)家 H·卡末林·昂內(nèi)斯發(fā)現(xiàn)汞在溫度降至 4.2K 附近時(shí)，電阻小到超出儀器測(cè)量量程，他將汞的這種電阻消失狀態(tài)稱(chēng)為超導(dǎo)態(tài)，此后許多其他金屬也被發(fā)現(xiàn)具有超導(dǎo)電性。

1933 年，德國(guó)物理學(xué)家邁斯納和奧森菲爾德發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體另一重要性質(zhì)——邁斯納效應(yīng)。當(dāng)金屬處于超導(dǎo)狀態(tài)，會(huì)把體內(nèi)磁場(chǎng)排擠出去，體內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度為零。對(duì)錫塊實(shí)驗(yàn)表明，降溫至 1.6K 變成超導(dǎo)態(tài)時(shí)，周?chē)艌?chǎng)突變，磁力線(xiàn)被排斥到超導(dǎo)體外。邁斯納效應(yīng)意義重大，意味著超導(dǎo)體具有 100%抗磁體積，零電阻和完全抗磁性是判斷物質(zhì)是否超導(dǎo)的獨(dú)立判據(jù)。

為了提升超導(dǎo)臨界溫度，使超導(dǎo)材料更具有規(guī)模實(shí)用化可能，人們開(kāi)始了探索高溫超導(dǎo)材料的歷程。1911 年至 1986 年，超導(dǎo)臨界溫度從汞的 4.2K 提升至鈮三鍺的 23.22K。1986 年，瑞士和德國(guó)科學(xué)家柏諾茲和繆勒發(fā)現(xiàn)鋇 - 鑭 - 銅氧化物可實(shí)現(xiàn) 30 - 35K 的超導(dǎo)電性；1987 年初，中國(guó)科學(xué)家趙忠賢團(tuán)隊(duì)和美國(guó)華裔科學(xué)家朱經(jīng)武團(tuán)隊(duì)等獨(dú)立在鋇－釔－銅－氧體系將超導(dǎo)臨界溫度提高到 90K 以上，首次突破液氮“溫度壁壘”（77K）；1987 年底，鉈－鋇－鈣－銅－氧體系又將記錄提高到 125K；1993 年，汞－鋇－鈣－銅－氧體系把記錄提升至 133K，甚至可進(jìn)一步升至 138K。高溫超導(dǎo)體取得了巨大突破，使超導(dǎo)技術(shù)走向大規(guī)模應(yīng)用。

超導(dǎo)材料的特性與應(yīng)用

超導(dǎo)材料廣泛存在于金屬/非金屬單質(zhì)、合金、金屬間化合物、過(guò)渡金屬氧化物、硫化物、硒化物，以及部分有機(jī)導(dǎo)體、石墨烯、C60結(jié)構(gòu)材料等等。目前發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)材料已達(dá)數(shù)萬(wàn)種以上，但是絕大部分超導(dǎo)體臨界溫度都低于40 K。

超導(dǎo)材料具有絕對(duì)零電阻、完全抗磁性、磁通量子化、宏觀(guān)量子態(tài)等特殊物性，在強(qiáng)電流密度、高穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)、高靈敏度探測(cè)、高保真通訊、高效數(shù)字計(jì)算和高穩(wěn)定性量子計(jì)算等多個(gè)方面，將給人類(lèi)生活帶來(lái)深遠(yuǎn)的影響。

超導(dǎo)電力：超導(dǎo)電纜具有零損耗、高能效優(yōu)勢(shì)，已在深圳平安大廈和上海徐匯區(qū)穩(wěn)定運(yùn)行2年，未來(lái)在核心城市電網(wǎng)中作用重大。在數(shù)據(jù)中心等“耗電大戶(hù)”中，超導(dǎo)限流器、變壓器等設(shè)備可極大提高運(yùn)行效率。將普通發(fā)電機(jī)銅繞組換成超導(dǎo)體繞組，能提升電流密度與磁場(chǎng)強(qiáng)度，具備發(fā)電容量大、體積小等優(yōu)勢(shì)。超導(dǎo)磁流體發(fā)電機(jī)也具有效率高、發(fā)電容量大、自身?yè)p耗小等優(yōu)點(diǎn)。

超導(dǎo)儲(chǔ)能：隨著電量需求不斷攀升，維持電網(wǎng)穩(wěn)定與電量可持續(xù)性需依賴(lài)儲(chǔ)能技術(shù)。超導(dǎo)閉環(huán)可實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)儲(chǔ)能，因電流無(wú)衰減；基于超導(dǎo)塊材的飛輪儲(chǔ)能近年來(lái)也發(fā)展迅速。

超導(dǎo)磁體：傳統(tǒng)水冷磁體實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)消耗大、穩(wěn)定性待提升，而超導(dǎo)磁體體積小、場(chǎng)強(qiáng)高、均勻性好，5 - 32 T的超導(dǎo)磁體已在諸多科學(xué)設(shè)備廣泛應(yīng)用。在生活中，超導(dǎo)磁體技術(shù)是可控?zé)岷司圩兊谋貍浼夹g(shù)；超導(dǎo)感應(yīng)加熱可提高金屬冶煉效率；超導(dǎo)磁選礦和污水處理有發(fā)展?jié)摿Γ还δ芎舜殴舱癯上駜x對(duì)生活影響大，目前醫(yī)院1.5 T或3 T的核磁共振基本采用超導(dǎo)磁體。

超導(dǎo)磁懸?。撼瑢?dǎo)磁懸浮列車(chē)速度可達(dá)600公里/小時(shí)，預(yù)計(jì)2027年日本從名古屋到大阪的低溫超導(dǎo)磁懸浮線(xiàn)將商業(yè)運(yùn)營(yíng)。我國(guó)高溫超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)不斷進(jìn)步，西南交通大學(xué)和中車(chē)長(zhǎng)客集團(tuán)完成相關(guān)樣車(chē)研制，未來(lái)或考慮在低真空管道實(shí)現(xiàn)更高速運(yùn)行。

超導(dǎo)弱磁探測(cè)：超導(dǎo)量子干涉儀擁有世界上最靈敏的磁性探測(cè)能力，僅受量子力學(xué)基本原理限制。它標(biāo)定了電壓基準(zhǔn)，是弱磁探礦和檢測(cè)的利器。未來(lái)醫(yī)療檢查或采用心磁圖、腦磁圖，助力癲癇等復(fù)雜疾病及時(shí)診斷。

超導(dǎo)弱電探測(cè)與通訊：超導(dǎo)技術(shù)對(duì)電的探測(cè)極為靈敏，可實(shí)現(xiàn)精密單光子探測(cè)、極高頻率諧振腔、高度保真濾波器和混頻器等。未來(lái)量子互聯(lián)網(wǎng)、空間站通訊、宇宙深空探測(cè)、暗物質(zhì)和暗能量研究等都將用到它。

超導(dǎo)數(shù)字計(jì)算：基于半導(dǎo)體技術(shù)的經(jīng)典計(jì)算機(jī)在性能和能耗上逼近瓶頸，超導(dǎo)數(shù)字計(jì)算基于超導(dǎo)電子元器件實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算，效率遠(yuǎn)高于半導(dǎo)體計(jì)算機(jī)，能耗卻極低，未來(lái)有望達(dá)到實(shí)用化。

超導(dǎo)量子計(jì)算：實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算有多種途徑，目前超導(dǎo)量子計(jì)算發(fā)展勢(shì)頭最好、更新迭代最快。在特定數(shù)學(xué)或物理學(xué)問(wèn)題上，量子計(jì)算有不可替代的優(yōu)勢(shì)。雖目前量子計(jì)算機(jī)價(jià)格高昂，但借助互聯(lián)網(wǎng)與量子計(jì)算云平臺(tái)，開(kāi)發(fā)實(shí)用量子計(jì)算網(wǎng)絡(luò)完全可能。此外，一些超導(dǎo)材料或能實(shí)現(xiàn)拓?fù)淞孔佑?jì)算，其無(wú)需特別低溫環(huán)境，對(duì)外界干擾不敏感，穩(wěn)定性好且成本可能更低。
超導(dǎo)材料憑借獨(dú)特特性，在電力、儲(chǔ)能、磁體、交通、探測(cè)、計(jì)算等多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力，隨著技術(shù)不斷進(jìn)步，超導(dǎo)材料有望為人類(lèi)生活帶來(lái)更多變革與驚喜。

寫(xiě)在最后

休斯頓大學(xué)與美國(guó)得克薩斯超導(dǎo)中心的物理學(xué)家攜手，成功創(chuàng)造了151開(kāi)爾文的常壓超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度新世界紀(jì)錄，這一突破性進(jìn)展標(biāo)志著高溫超導(dǎo)體研究邁出了重要一步。通過(guò)創(chuàng)新的“壓力淬火”技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)成功將高壓下產(chǎn)生的超導(dǎo)特性“鎖定”并保留下來(lái)，使材料在恢復(fù)常壓后依然保持穩(wěn)定。這一成果不僅為未來(lái)的能源革命描繪了清晰藍(lán)圖，也為超導(dǎo)技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。隨著超導(dǎo)技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用場(chǎng)景的擴(kuò)展，我們有理由相信，超導(dǎo)技術(shù)將在未來(lái)給人類(lèi)生活帶來(lái)深遠(yuǎn)的影響。