赵忠贤:超导—— 一个充满挑战与发现的领域

超导一直是物理学术领域的热门,尽管超导现象发现已有百年,在探索高温超导材料和理论方面,它仍然非常年轻。而超导的实际应用已经改变了我们的生活,正是社会发展的体现。探索超导,对与科学进步与国家发展都具有重要意义。本文内容整理自赵忠贤院士2017年在“墨子沙龙”上发表的演讲。

撰文 | 赵忠贤(中国科学院院士、中科院物理所研究员)

过去,超导研究是一个充满发现与挑战的领域,现在仍然是。

超导的历史

超导研究始于年。那一年,荷兰物理学家海克·卡末林·昂内斯继1908年实现氦气液化之后,在研究低温下的汞的电阻行为时发现:在温度降低到4.2K时,电阻为零。这一现象在1913年被正式确认,被称作“超导电性”。

当时,物理学正处在从经典物理学向现代物理学,特别是向量子力学过渡的时期。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。虽然如此,但大家对它还是一头雾水,其中包括爱因斯坦。爱因斯坦曾经考虑过超导现象的起源问题,但是因为那时实验数据太少,他最后放弃了研究。现在回看,他的这个决定非常明智,因为一直到很久之后,超导研究才有了重要进展。有人开玩笑说,超导来得太早了,物理学界还没有准备好。

1933年,迈斯纳和他的学生发现:一个理想的超导体,它内部的磁感应强度等于零。这个发现非常重要,它是超导体的又一个特质。这个性质(完全抗磁性)可能比零电阻更接近超导体的本质,被称作“迈斯纳效应”。

迈斯纳效应

零电阻和完全抗磁性是超导体的两个主要特征,缺一不可。

1935年,伦敦兄弟提出了以其姓氏命名的方程——伦敦方程,这一方程可以很好地描述超导现象的这两个基本性质,并确定超导是宏观量子现象。再后来大家知道,迈斯纳效应是对称性自发破缺的结果,是安德森-希格斯机制的一种表现形式。

到了二十世纪五十年代,列夫·朗道和维塔利·金兹堡提出金兹堡-朗道方程(G-L方程)。G-L超导唯象理论在相变理论的基础上从物理中引进有序参量,解释并预言了一些超导的物理性质,并由年轻的阿列克谢·阿布里科索夫发展出超导量子磁通点阵理论。这奠定了超导强电应用的基础。

1957年,约翰·巴丁、利昂·库珀、罗伯特·施里弗提出了超导电性的微观理论——BCS理论(该理论以Bardden、Cooper、Schrieffer首字母缩写而命名)。BCS理论成功地解释了传统金属和合金的超导电性。BCS理论是量子场论理论进展的一个里程碑,它不仅清晰地描述了超导的微观物理图像,其概念也被运用于物理学的其他领域,如粒子物理、宇宙学等。当时,罗伯特·施里弗26岁,利昂·库珀也很年轻,仅27岁,只有约翰·巴丁是50岁左右。这是成名科学家和年轻科学家合作的典范,这对我们也很有借鉴意义,更多的年轻人需要在合作中成长起来。

1960年和1962年,两个年轻人伊瓦尔·贾埃弗和布莱恩·约瑟夫森分别发现了单电子隧穿效应和超导隧穿效应,这对于超导问题的研究非常重要。单电子隧穿效应和隧穿谱的实验结果展现出与BCS理论的高度一致性,而超导隧穿效应(即约瑟夫森效应)则充分展现了宏观量子特性,并且成为许多超导电子学应用的物理基础。

1986年,瑞士的贝德诺尔茨和米勒发表了一篇文章,提出在一种氧化物系统里可能存在临界温度35K以上的超导现象。后经多国科学家的努力,超导临界温度很快被提高到90K。高温超导电性不仅对BCS理论提出挑战(超过BCS理论可以解释的最高临界温度),也推动了对多体理论(包括高温超导理论)的研究。

2008年,日本细野秀雄小组首先报道了在LaFeAsO体系(一种铁基材料)中发现了温度26K下的超导现象。大家之前都认为,铁对超导是不利的,这种晶体结构体系我国之前也开展过研究,但由于思想不够开放,我们合成新材料时用铜而不敢用铁。这则报道刚一出来就引起了中国科学家的重视,认为铁基超导是一个重大的突破。很快,中国科学家就把超导临界温度提高到43K、52K、55K,而且发现了一些新的铁基超导体。当时,美国《科学》杂志有一篇评论,标题叫《“新超导体的发现”把中国科学家推向最前沿》。

铁基超导体是对传统BCS理论的又一次挑战,这种材料中不仅蕴藏着丰富的物理现象,而且有新的应用价值。

超导的应用

超导体实际已经在为人类服务,如医用的MRI核磁成像设备的磁体,信息技术等现代科技领域中的重要基础之一的电压基准,都是超导的。

1962年,商业超导NbTi线、超导磁体的出现及约瑟夫森预言并很快被证实的超导隧道效应,标志着超导进入应用时代。

超导的应用基本体现在两方面:弱电应用和强电应用。在我们的日常生活及一些科学实验、工程探测中,经常需要对微弱的电磁信号进行测量,超导技术能够帮助我们灵敏地检测到这些微弱的信号,比如测量地磁场的分布和变化、人脑活动时脑磁场的变化等。而强电应用主要体现在电力工业、大型科学仪器中的超强磁体等方面。

现今,超导技术应用涉及的领域有很多,例如信息技术、生物医学、科学仪器、电力、交通运输等领域,可以概括为能源、信息和健康3个方面。下面,我简单列举几个应用实例。

弱电应用

电压基准

现在的电器种类繁多,不同厂家生产的电器要想通用,必须要有标准电压。以前,电压基准是依靠化学电池,但现在全世界采纳的电压基准已改为依靠利用超导约瑟夫森效应制作而成的器件。交流约瑟夫森效应确立了电压与频率呈线性关系,系数只与普朗克常数和电子电荷有关。其精度由频率测量来确定,因此具有极高的精度。由于具有与材料性质无关、与环境条件(如温度、磁场)无关、高精度等优点,国际上已经用约瑟夫森超导隧道结电压基准取代了化学电池电压基准。超导实际上与人的日常生活已经息息相关。

超导量子干涉器件(SQUID)及其相关应用

SQUID是一种能测量微弱磁信号的、极其灵敏的器件,其原理是基于磁通量子化和约瑟夫森效应。超导现象是一种宏观量子现象,磁通量子化和约瑟夫森效应是这种宏观量子特性的典型体现,利用其制作的器件,其分辨率原则上只受量子力学不确定性原理的限制,也就是说没有比它灵敏度再高的器件了。基于SQUID器件的仪器具有广泛的应用,在磁信号探测方面,能够检测出相当于地球磁场近1000亿分之一的变化,可以应用于生物磁测量、大地磁测量、磁成像以及其他精密电磁测量等。

SQUID

SQUID心磁图。直接观察静态下的心磁图,有助于医生了解患者心脏功能的情况。SQUID心磁图具有无创、无接触、快速、方便等优势,可能探测到一些心电图不能探测的症状,可能比心电图在更早期阶段探测到心脏变化的初期症状。

SQUID脑磁图。脑磁图也是超导的重要应用,比如一个人在思考问题,大脑的活动就可以体现在脑磁图的变化中。另外,人脑听到声音以后,脑磁图也会发生变化。脑磁信号非常微弱,因此有关脑磁图的研究中,SQUID必不可少!目前,随着人们对脑科学的重视,国内正逐渐开展起脑磁图的研究。脑磁图的应用包括:无创的脑功能检查,中风、癫痫病灶等病因的确定;脑功能区(视觉、听觉、运动、体感、语言认知等)的定位,等等。

大地测量和地磁测量。超导量子干涉器件可以测量从直流到高频的信号,所以在米尺度范围内激发一个强的电磁波以后,通过测量不同频率的电阻,就可以反映出大地不同深度的电阻。频率越低,反映出的深度越低。正是因为超导器件有测量低频的能力,所以它可以测量大地极深处的电阻。最后通过把不同深度的电阻画出来,我们就能知道大地内部的结构。这个结构对于矿藏探寻非常重要,尤其对油气资源的确定有着重要意义。

地磁测量实际上是研究地磁场是否存在反常。比如我们想判断一些矿场的成矿情况,我们只需要在飞机上放一个超导量子干涉测量仪,然后在一定范围内进行扫描,在扫描的过程中,我们就可以初步得到我们想要的信息,而这种信息对于地质工作者非常重要。

超导微波器件

高温超导薄膜表面电阻小,即使在移动通信的高频频率范围内,高温超导材料的微波表面电阻仅为正常金属的千分之一。基于这一性质,超导滤波器可以把普通滤波器无能为力的一些杂散信号滤掉。高温超导滤波器具有许多突出优点,例如:很小的插入损耗,很高的带外抑制,结构简单、体积小、重量轻。

在民用方面,北美的一些移动通信基站已经使用了超导滤波器,但是成本比较高。除北美使用的几千台之外,其他地方用的不多。我国也做过相关探索,北京的基站实验显示,在使用了超导滤波器后,基站的性能确实得到了很大提高,但因为成本等因素没有得到推广。对于提高卫星、雷达等系统的灵敏度、选择性和抗干扰能力,超导滤波器以及相关的超导微波器件已经展现出重要价值。

超导电磁辐射和粒子探测器

超导是大量电子对凝聚形成的一种状态,超导转变非常陡峭,因此做成的电磁波探测器具有极高的灵敏度,而且覆盖的波长范围非常宽广,广泛用于天文望远镜中,检测外太空的各种微弱信号。近十年来,科学家开始了在量子保密通信、激光雷达测距、高灵敏和高分辨的谱仪等方面的应用研究。

超导量子计算

基于约瑟夫森结的超导电路在量子计算研究中具有独特优势,容易扩展,发展非常迅速,大型科技公司现在纷纷投入相关研发。谷歌团队首先利用超导量子比特系统展示了“量子优势”,IBM公司的超导量子云平台已经吸引大量研究人员进行各种实验。我国在这方面的研究也进步得非常快,形成了高校、科研院所、大型科技企业和小型初创企业多方合作竞争的局面。

近年来,中国在超导单光子探测器及超导数字电路方面取得了重要进步。

强电应用

在强电应用方面,超导也是极具优势的。利用超导线绕制的超导磁体可以产生很强的稳恒磁场,在许多方面有不可替代的应用。

核磁共振成像

核磁共振成像现在是医学检查中一个非常重要的手段,它是确定分子结构和组织成像的有效手段之一。医院常用的3T(特斯拉,磁感应强度单位)或者1.5T 的核磁共振成像,所用到的磁体都是超导的。超导磁体不但磁场强度高,而且磁场非常稳定,这保证了成像的清晰度。超导磁共振成像是超导最主要的商业应用之一。近些年来,人们又开始研究更高磁场的核磁共振成像系统,以获得更高的分辨率和更好地对微量元素成像。目前已有7T的产品出现,更高磁场的9.4T系统已经建成、11.75T的系统即将建成。核磁共振成像现在可以实现对大脑中血管的三维成像。使用高温超导射频探测线圈与使用铜质射频探测线圈相比,在低场情况下显示出的成像效果更清晰。

核磁共振成像

磁约束受控核聚变

在能源方面,很多人都听说过“人造小太阳”,它是中国核聚变研究方面的一个实验装置。利用核聚变释放的巨大能量,未来有望解决困扰人类的能源危机。而超导材料是磁约束受控核聚变中不可替代的、制备强磁体的材料。

高能粒子加速器

2012年,欧洲核子研究组织宣布,利用LHC,科学家发现了解释质量起源的希格斯玻色子。LHC采用超导磁体,由于它的磁场很强,因此能够获得更高的能量,发现新的粒子。国内科学家也正在讨论建造更高能量的加速器,准备采用新型的铁基或高温超导带材,以获得更高的磁场。此外,加速器系统的探测器和微波谐振加速腔,也都用超导材料。最近在质子、离子束治癌设备的加速器上,在处理核废料的大型重离子加速器等方面,超导正在成为新的重要应用方向。国内的有关研究也正在积极进行中。

交通运输

交通方面,超导材料是新一代的舰船推动系统的基础,利用超导材料的下一代舰船推动系统,可以做得体积更小、重量更轻、推进力更强。另外,超导磁悬浮车,在速度、能耗、低噪声等方面也很有优势。

基于超导强磁体的电磁感应加热

对于需要热加工成型的金属(合金)材料,如铝锭,利用铝锭在超导强磁场中旋转而产生涡流,从而实现电磁感应加热,这种方法具有能效高、加热均匀性好等优点。相比传统的中频电磁感应加热,其电热转换效率可以提高30%,这是非常可观的。目前,国内已经研制出基于高温超导磁体的样机。

以上仅仅列举了超导技术的几个代表性应用。当然,超导技术还有很多其他的应用,比如:超导电缆、超导电机、超导磁体污水处理系统、超电磁体矿物分离系统等。上述这些方面国内都有重要进展,有的已经成为产品,如超导磁体污水处理系统。

未来展望

目前在超导领域,人们对高温超导机理的理解还不够。另外,仍然不断有新现象涌现,而对于很多新发现,利用现在的物理理论难以得到令人满意的解释。探索更适于应用或更高临界温度的超导材料也是人们面临的挑战。同时,即便基于现在人们对于超导的理解和掌握的超导技术,超导技术的很多应用前景也还没有得到很好的挖掘。

对高温超导体(包括铜氧化合物超导体及铁基超导体等)机理的认识将会极大地促进凝聚态物理学的发展,因为它是强关联的电子体系。虽然铁基超导体关联没那么强,但是以铜基超导体为例的话,现在研究了多年,大家竟然没有得到共识。某种意义上说,高温超导机理的解决可能会与强关联多体量子论同时出现,这将对量子力学的发展、新物理学的发现,以及对应用的推动,都将起到非常巨大的作用。铁基超导性的机理也不能用传统的BCS理论解释。菲利普·安德森说过,如果铁基超导的机理与铜氧化合物的不同,那就更有意义了。究竟哪些实验结果是本征的,哪些是决定性的,都需要进一步的研究。理论也需要在决定性的实验的基础上进一步发展。

探索新的高临界温度超导体似乎是个永恒的课题。对于高温超导体家族的特性研究可以让我们归纳出一些规律,这有助于我们寻找新的非常规超导体。另外我们要努力探索更适于应用的超导体,包括实用超导材料的新工艺。铁基超导体的发现是个极大的推动,不仅使科学家发现了第二个高温超导的家族,而且对人类而言还是一次思想的解放。从应用角度考虑,虽然它的临界温度还低于铜氧化合物,但相干长度稍大些。超高的临界磁场及相对容易加工的特点使其在超强磁体方面有很好的应用前景。另外,在现在的铁基系列内还有很多发现机会,甚至铜基里面也仍有很多机会,比如可以在铜氧化物中挖掘更适合在110K以下应用的超导体。这种超导体用处会很大,因为液态天然气的温度容易降至110K以下,这使得超导的应用成本更低、应用场景更广,而且还有可能在使用超导输电的同时输送液化天然气;在太空中,背着太阳一面的地方温度在110K以下,空间应用也有潜力。

我们还要扩展现有的包括低温超导体在内的应用。基于超导强磁体的电磁感应加热应该得到重视,电热转换效率可以提高30%,这是一个飞跃。超导电子学有极大的潜力应用,例如可以开展超导数字电路研究。现在超导数字电路和半导体技术在很多工艺上是兼容的,如果两者结合起来,在解决耗能方面将会有很大的作用。超导数字电路还具有速度快、脉冲信号传输无色散等优点。另外,具有宏观量子特征的超导体可用于量子计算,至少在量子计算的目前发展阶段,超导体应该是非常有优势的。

超导是一个充满挑战与发现的领域。自1911年发现超导现象到现在,已经有100多年了。尽管人类已经有了很多重要发现,但实际上超导研究还很年轻。Forever Young!(永远年轻!)

本文选自《科学之美》(墨子沙龙、朱燕南、潘杜若编著,人民邮电出版社2023年3月),转载自公众号“返朴”。