超导：充满挑战与发现

——赵忠贤院士答记者问

作者:记者 江世亮

时间:2011年09月08日   来源:文汇报  

　　近来，物理学界的一件大事是纪念超导现象发现100周年，美国《科学》、英国《自然》和中国《物理》等杂志都推出综述专题。本刊选编《自然》杂志的一组文章，让读者大致了解超导百年的研究轨迹，以及未来超导的研究方向，同时约请我国当年参与组织和领导高温超导研究的著名物理学家赵忠贤院士就此作出点评。

　　——编者

　　21世纪电力工业的技术储备有两个，一个是超导，另一个是智能电网。而后者在某些方面也需要超导材料。

　　室温超导体能否找到，既没有成功的理论肯定，也没有成功的理论否定。而事实上，临界温度一直在提高，新的超导体不断地被发现。如果找到室温超导体，那么其影响和意义是难以估量的。

　　记者：1911年4月8日，荷兰物理学家卡麦林·昂尼斯在研究汞等金属低温下的电阻行为和规律时，偶然发现了物质携带电流却不造成损失的所谓超导的能力。超导电性的确定后被认为是对传统概念的重大突破。今年适逢超导电性发现百年，国际学术界在各地举行了很多的纪念活动。不知您如何看超导百年？

　　赵忠贤（中科院院士、中科院物理研究所研究员）：当时物理学正处于从经典物理学向现代物理学、特别是向量子力学的过渡时期。超导电性是第一个被发现的宏观量子现象，从一开始就引起了科学界的极大关注。为纪念超导发现一百周年我也曾写了篇短文（参见《物理》2011年第6期《百年超导，魅力不减》）,在这里结合其他学者的论述再谈点看法。超导电性的理论与实验研究已经成为物理学中的一个重要分支，与超导有关的诺贝尔奖已经颁发了5次。阐明金属和合金的超导电性的微观理论（即BCS理论），不仅是对超导电性的认识的深化，也在核物理、粒子物理以及宇宙学等方面产生了影响。铜氧化合物超导体（也称之为高温超导体）和近年发现的铁基超导体带来了新的挑战。传统的BCS超导理论不能解释这两种高温超导电性的起源。铜氧化合物超导体和铁基超导体微观机理的解决，将会把凝聚态物理研究推入新的阶段，在凝聚态物理以至物理学方面书写新的篇章。对铜氧化合物超导电性的微观机理的研究已经进行了20多年，吸引了一批一流的物理学家。虽然取得了很大的进展，但还未能得到共识。难度确实很大，但巨大的挑战也正是极好的机遇。

　　在应用方面，20世纪五六十年代，一批有实用价值的合金超导体的发现以及约瑟夫森效应的发现，掀起了低温超导技术研发的热潮。在某些方面的应用已经发挥了不可替代的作用。例如基于超导隧道效应的电压基准已经取代了化学电池的电压基准，仪器磁体（包括医用的和科研用的核磁共振成像磁体和加速器、磁约束受控核聚变等大型的科学实验装置用的磁体）以及微弱电磁信号检测等。但与同时处于研发高潮的激光技术相比，超导体的应用还远远不够。

　　记者：说起超导，很多人都会想起上世纪80年代后期在世界多个国家涌动的高温超导研究热潮，那时好像不时听到有新的超导临界温度纪录被打破，在中国，您领导的研究团队也是这场科学竞争的重要参与者。不知您如何评价自那以后超导研究的发展？

　　赵忠贤：是的。上世纪80年代后期，铜氧化合物超导电性被发现，因其临界温度突破了液氮温区，激发了更大规模的世界性的超导研究热潮。20多年来，虽然高温超导机理研究还没有取得突破性进展，但应用研究领域却得以拓展。一批很有潜力的大型高温超导样机已制备成功，如全超导的示范配电站、35000kW的超导电机等。移动通信基站上也使用了几千台高温超导滤波器。但是高温超导的商品还是太少。应该指出的是，超导电性作为宏观量子态，具有极为特殊的物理性质和极大的应用潜力。超导体是“开源节流”的能源材料，可用于超导电力、交通运输、大科学工程等方面，在能源方面有着巨大的应用潜力。有人认为，21世纪电力工业的技术储备有两个，一个是超导，另一个是智能电网。而后者在某些方面也需要超导材料。超导材料也是新一代的舰船推动系统的基础材料以及磁约束受控核聚变不可替代的制备强磁体的材料。另外，超导磁悬浮列车也具有其独特优势。超导体也应用于信息、生物医学等领域。

　　基于超导体隧道效应的器件能够检测出相当于地球磁场几亿分之一的变化，世界上找不到比它更灵敏的电磁信号检测器件。世界上最快的模数转换器和最精密的陀螺仪都已由于超导体的应用得以实现了。据20世纪90年代的超导企业高峰会议预测，2020年与超导有关的产值可以达到2000亿美元。现在看来达到这个预期还有很大距离，关键在于成本和需求。为解决这两个问题，一是要发展和改进现有实用超导材料的制备工艺，提高制冷系统的性能，以实现高可靠性和低成本的目标。二是开拓和培育市场。当然从长远的角度来看，探索新的更适于应用的超导材料是十分必要的。因此，对于超导的应用研究与开发，应该从战略性高度予以重视。

　　记者：前不久的美国《科学》杂志和近期的英国《自然》杂志以及我国物理学会主办的《物理》杂志等均推出纪念超导现象发现百年的专题，对超导的未来充满期待。作为从事探索高温超导体35年的科学家，您怎么看超导的未来？

　　赵忠贤：我在阅读这些纪念和回顾百年超导发展进程史的文章时，除对奉献者的崇敬之外，还从中学到很多东西。一是坚韧不拔献身科学和报效社会的精神，二是不断地提高实验技术水平和分析的能力。最重要的是敢于在概念上的突破，或者说是敢于创新。学习前人的“重见解”、“尚新知”的传统。同时也有责任积极推动超导应用以造福人类。

　　科学家从超导发现伊始就一直在坚持探索新超导体。这些探索带来的效果包括：新的实用超导材料、很有物理研究价值的新超导体、非超导但很有价值的新材料、新的工艺技术的发展，甚至开辟新的研究领域。发现室温超导体是科学家的梦想。室温超导体能否找到，既没有成功的理论肯定，也没有成功的理论否定。而事实上，临界温度一直在提高，新的超导体不断地被发现。如果找到室温超导体，那么其影响和意义是难以估量的。

　　总之，虽然超导电性的研究已有百年历史，但依然年轻。超导已经开始造福人类并有着广泛的应用前景。21世纪一定会有新的技术成为经济的新增长点。如果在超导材料方面有新的重大突破，则有可能成为这类新技术的候选者。对超导电性的深入认识一直推动着量子力学和物理学的发展，高温超导体的发现又带来了新的机遇和挑战。这是一个依然充满挑战与发现的领域。中国科学家应该也能够为人类的文明作出新的、无愧于我们先人的贡献。