全球競逐的“超導”中國排第幾？

自人類發現超導現象以來，該領域已經產生了5個相關的諾貝爾獎。中國科學家也因超導領域的突破，兩次獲國家自然科學獎一等獎、一次獲國家最高科學技術獎。

但是，超導材料的實現很不容易，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。

世界上有沒有室內常壓條件下的超導材料？目前有一種，但“出現”在科幻電影《阿凡達》中：一種叫“unobtanium”的室溫超導礦石，可以讓一座座大山懸浮在空中。中國科學院物理研究所研究員羅會仟曾在一篇文章中說到，從事超導研究的科學家們，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材料。

現如今，在研發新的可大規模應用的超導材料成為全球科技競逐的目標之際，中國科學家做得怎么樣呢？

有的領域實現“從0到1”突破

目前，中國在超導一些研究方向上已做到世界領先水平，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王猛教授團隊主導的科學成果：首次發現液氮溫區鎳氧化物超導體。

這是中國科學家在全球率先發現的全新高溫超導體系，是人類目前發現的第二種液氮溫區非常規超導材料，被視作基礎研究領域“從0到1”的突破。想要理解這一發現的重要意義，潮新聞記者先簡單捋一下超導發展歷史。

1911年，荷蘭物理學家昂內斯首次發現超導現象。當時，他把汞冷卻到4k（“K”為熱力學溫度單位“開爾文”，4K=-269.15℃），這接近于絕對零度（-273.15℃）。此后，科學家一直在尋找高溫超導材料。

1980年代，在中科院物理所趙忠賢老師為代表的團隊帶領下，中國很快發現了90K（-183.15℃）以上銅氧化物高溫超導現象，打破了傳統超導體的轉變溫度一般不能超過40k（-233.15℃）的上限。趙忠賢研究團隊憑借卓越成果，獲得了1989年國家自然科學獎一等獎。

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

自此，很多新的鐵基超導材料、包括超導機理方面的物性研究，均由中國科學家率先開展。據中國科學院物理研究所研究員羅會仟介紹，直至今日，中國在超導基礎研究領域，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院物理研究所和中國科學技術大學研究團隊憑借“40K以上鐵基高溫超導體的發現及若干基本物理性質研究”，獲2013年度國家自然科學獎一等獎。3年后，趙忠賢院士獲得2016年度國家最高科學技術獎。

在高溫超導材料研發中，液氮溫區（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材料在信息技術、生物醫學、科學儀器、電力、交通運輸等領域的應用。

但是，銅氧化物至此仍是唯一液氮溫區的非常規超導材料。“科學家在銅氧化物超導電性研究中掌握了很多實驗現象和規律，然而與高溫超導的因果關系無法確定?！鼻迦A大學教授張廣銘說，高溫超導的機理至今未知，成為近40年來物理學中最重要的科學問題之一。

此次，王猛團隊首次發現在液氮溫區超導的鎳氧化物。據王猛教授介紹，鎳氧化物的電子結構、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的關鍵因素，推動科學家破解高溫超導機理。

如果仔細留意中國超導研究進展，你還會發現很多新聞：比如，今年6月，中科大團隊在世界物理學頂級刊物《物理評論快報》（Physical Review Letters）發表論文，創下元素超導體轉變溫度新紀錄。2014年，吉林大學馬琰銘團隊預言在160 萬個大氣壓下，硫化氫（h2s）可變為超導體，超導臨界溫度為80K；吉大另一團隊崔田研究組預言h2s-h2化合物在高壓下可能實現191K～204 K 的高溫超導。

更多超導材料應用于生活

中國超導的領先，離不開國家大力支持，并實現在多個領域的應用。

上世紀六七十年代，中國就開始超導研究?！?63計劃”誕生不久，超導就作為專項列入?！笆濉逼陂g，國家對“863”超導專項給予大力支持，當時的科技部投入經費約1億元，加上社會各界的投入，課題總經費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，國家層面有關超導的頂層設計、政策也是密集出臺。2021年12月，工信部聯合科技部、自然資源部發布的《“十四五”原材料工業發展規劃》提出，實施前沿材料前瞻布局行動，支持科研單位聯合企業，把握新材料技術與信息技術、納米技術、智能技術等融合發展趨勢，發展超導材料、智能仿生、增材制造材料等，推動新的主干材料體系化發展，強化應用領域的支持和引導。這被業界視為明確了超導材料在現代產業中的定位。超導的重視，離不開其巨大的應用價值。例如在超導電纜領域，我國已實現落地應用。

超導材料可使電力傳輸介質接近于零電阻，電能傳輸損耗趨近于零。一條35千伏超導電纜相當于傳統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電纜，較以往可節省70%的地下管廊空間。在我國，據悉，每年電力傳輸上的損失就高達上千億度，若換成超導材料，節省的電能相當于新建數十個大型發電廠。

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

南京大學教授、長江學者特聘教授、美國物理學會會士聞?；⒆罱诮邮苊襟w采訪時介紹，目前超導材料實際上已經應用在很多產業了，比如核聚變研究的磁體、醫院內核磁成像的磁體、高頻濾波器、量子計算等方面，都有應用。

2016年9月，在美、日、歐等國家的鐵基超導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米量級鐵基超導長線。這是鐵基超導材料從實驗室研究走向產業化的新的里程碑。

在中國，超導為大眾所熟知的要數磁懸浮列車。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，中國首條自主設計、自主施工、自主制造的具備完全自主知識產權的中低速磁浮商業運營示范線——長沙磁浮快線開通。目前，國內還有北京地鐵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，世界首臺高溫超導高速磁浮工程化樣車在成都下線，設計時速620千米。

前沿產業布局加速推進

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

為了讓大家“圓夢”，科學家們、產業界等都在不斷努力——

基礎研究領域，很多團隊在進一步探索路上。王猛團隊的發現，得到《自然》雜志審稿人的高度評價，認為它“具有突出重要性”“是開創性發現”。該發現在審稿階段于科研論文預印平臺公布后，在一個月左右時間里已有10余項相關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王猛教授團隊主導的科學成果：首次發現液氮溫區鎳氧化物超導體。

“目前，我們的超導材料，需要14GPa壓力下才能實現，這會限制對超導機理的研究以及廣泛應用。研究團隊目前正在攻關，希望生長出常壓下達到液氮溫區超導的鎳氧化物超導體。”王猛說。

在產業發展上，超導材料市場規模將繼續增長。根據歐洲超導行業協會，全球超導產品市場規模已從2012年的51.9億歐元增長至2022年的68億歐元。

超導材料根據臨界溫度，可分為低溫超導材料和高溫超導材料。目前，國際超導材料市場90%左右是低溫超導材料。在該領域，全球僅有少數幾家企業掌握低溫超導線生產技術，主要分布在美國、英國、德國、日本和中國。

近幾年，商業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帶材應用領域。2020年9月，中國制造業500強、中國民營企業500強奧盛集團發起成立了長三角超導產業鏈聯盟，聯合了長三角地區如上海國際超導、上海超導、上創超導、蘇州新材料所、安徽萬瑞等超導產業鏈諸多龍頭企業。

我國多個省市發布了支持超導相關產業建設的政策。

早在2011年，上海市政府就開始在高溫超導材料領域培育上創超導、上海超導這兩家民營企業，提前布局。2021年，上海市的戰略性新興產業和先導產業發展“十四五”規劃則明確提出，培育高溫超導材料、石墨烯、3D打印等，努力形成一批具有自主知識產權的國際領先的原創核心技術。上海正全力推動打造具有全球影響力的超導產業高地。

浙江也在加快布局。2021年，浙江省印發《全球先進制造業基地建設“十四五”規劃》，《規劃》提出，重點培育柔性電子材料、石墨烯材料、3D打印材料、超導材料等產業，部分領域達到世界先進水平。

今年初，浙江印發《關于培育發展未來產業的指導意見》，其中在“優先發展9個快速成長的未來產業”之一的“前沿新材料”產業，就提出重點發展石墨烯、超導材料、生物可降解材料、碳纖維復合材料、新一代3D打印材料等領域……以新一代材料形成新一代技術裝備。

◎ 來源|北京日報