走近带给我们惊喜的超导材料

悬浮的超导体（视觉中国构图）

2月26日，安徽省量子信息工程技术研究中心和科大国盾量子技术股份有限公司联合发布消息说，国产稀释制冷机ez-Q Fridge完成性能测试，显示该设备实际运行指标达同类产品国际主流水平，成为国内首款可商用可量产的超导量子计算机用稀释制冷机。稀释制冷机是构建超导量子计算机的关键核心设备。超导计算机的发展离不开超导材料，通常需要低温条件下设备才能运行。那么什么是超导材料，低温运行又是怎么一回事？让我们一同走近超导材料，了解它的前世今生。

要了解超导材料，还要从超导现象说起。1911年，荷兰物理学家昂内斯将金属汞冷却到4K（K为开尔文温度，4K约等于-269.15℃）以下，结果发现电阻几乎降为零，这就是超导现象的起源。随后，超导材料的研究成为了一大热点。1933年，德国物理学家迈斯纳发现，当一个磁体与一个超导体彼此靠近时，受磁体磁场影响，超导体表面会形成超导电流。超导电流产生的磁场，在超导体内部与磁体产生的磁场大小相等、方向相反。二者抵消后，超导体内部的磁感应强度变为0，也就是说超导体具有了抗磁性。这一现象被称为迈斯纳效应。1962年，约瑟夫逊研究了两块超导体被一层薄绝缘介质分开后，在材料两端施加电压，电子会从一端穿过绝缘体到达另一块超导体，就好像超导体与绝缘体之间存在隧道一般。这种现象叫作隧道效应。而当去除电压，神奇的事情再次发生，两块超导体之间仍会存在微弱的电流，这就是超导体的约瑟夫逊效应。简单来讲，超导体具有零电阻特性、迈斯纳效应、约瑟夫逊效应三种特性。顾名思义，超导代表着超导电性，是指一种金属、合金或者化合物材料在一定的温度下，电子在其体内可以自由流动，即电阻为0。

那么，一定的温度条件是多少呢？超导材料分为低温超导材料和高温超导材料。但这里的高温和低温并不是我们平常生活中理解的高温和低温。低温超导体的临界温度低于25—30K，高温超导体临界温度高于25—30K。低温超导体的冷却剂为液氦，温度为4.2K以下，高温超导体的冷却剂为液氢和液氮。可是，为何会产生超导现象呢？1957年，巴丁（Bardeen）、库珀（Cooper）、施里弗（Schrieffer）三人提出的理论率先向世人揭示了超导现象的原因。这一理论将超导现象理解为一种宏观量子效应。该理论指出，超导材料中自旋和动量相反的两个电子可以配对形成“库珀对”，超低温环境中“库珀对”与电子晶格不发生能量交换，在晶格中可以无损耗地运动，即电阻消失，产生超导电流。低温超导材料的主要代表有铌钛合金（NbTi）、铌锡合金（Nb3Sn）、铌铝合金（Nb3Al）等合金，但由于低温超导材料需要昂贵的液氦环境，使它的应用受到了限制。高温超导材料可在廉价的液氮制冷环境中使用，主要代表有钇钡铜氧（YBCO）、铋锶钙铜氧（BSCCO）等化合物。

科学家认为基于超导的技术，可以改变世界。那么，超导材料具体有哪些应用呢？

超导磁体是超导材料应用最多的一个领域，它在医疗领域有很多用处。在医学检测的核磁共振成像技术中，病人检测时需要一个强磁场环境，由超导材料制备的超导线圈由于0电阻特性，电流可产生强大的磁场满足该需求。

大型科研设备，比如高能粒子对撞机、粒子加速器等都离不开超导磁体，通过传统导线运输的电能无法避免电阻耗能的问题，约10%的电能会以热量的方式被浪费。而超导电缆的零电阻特性可有效避免能源损耗，比普通电缆能节省40%—80%的能量。

超导计算机是21世纪计算机领域重要的研究方向，仅基于简易超导器件的超导计算机，就可以每秒执行500亿次指令，比目前最快的硅基材料还要快100倍。

利用超导技术，在武器装备方面可以制造超导量子干涉仪，展现出对周围环境磁场及其灵敏度的识别能力，还可用于制造超导红外探测器，以及超导电磁推进系统、超导坦克、超导飞机、超导太空发射器等。

超导材料的应用绝非只有这些，人类对于超导材料的探索从未停止，超导体展现出欣欣向荣的发展态势。纵观百年发展，超导技术已在影响世界，且还有广阔的研究空间造福人类生活的方方面面。

（作者：莫尊理 吕文博 莫尊理系西北师范大学教授、博士生导师，吕文博系西北师范大学硕士研究生）