既然超導(dǎo)這么好，為什么不用起來(lái)？ | 墨子沙龍
?高溫條件下，超導(dǎo)體在磁鐵上空懸浮。圖片來(lái)自Wikipedia。
導(dǎo)語(yǔ)：
從人類發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象開(kāi)始，人們就意識(shí)到，超導(dǎo)各種神奇的性質(zhì)將為電能以及各種與電磁有關(guān)的工藝技術(shù)領(lǐng)域帶來(lái)新的革命。但是，由于超導(dǎo)需要的超低溫，以及由此帶來(lái)的工藝、成本等原因，一直制約著大規(guī)模利用超導(dǎo)的可行性。
撰文 | 林梅
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直到20世紀(jì)50-60年代，以NbTi和Nb3Sn為代表的有實(shí)用價(jià)值的鈮基合金超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)以及Josephson效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，形成了低溫超導(dǎo)技術(shù)研發(fā)的熱潮。80年代后期，銅基超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)，因其臨界溫度突破了液氮溫區(qū)，不僅帶來(lái)了超導(dǎo)基礎(chǔ)研究的熱潮，也導(dǎo)致了更大規(guī)模的超導(dǎo)應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)步。
今天，超導(dǎo)的應(yīng)用涉及能源、信息、交通、工業(yè)、健康、環(huán)保等諸多方面。大體來(lái)說(shuō)，分為弱電應(yīng)用和強(qiáng)電應(yīng)用。
在弱電應(yīng)用方面，超導(dǎo)在微弱電磁信號(hào)檢測(cè)、微波、電子器件等等方面有著非常出色的表現(xiàn)。
大家現(xiàn)在都用手機(jī)。事實(shí)上，不管用什么電器，要想相互之間能夠通用，各個(gè)廠家生產(chǎn)的設(shè)備之間的電壓必須有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。過(guò)去普遍使用化學(xué)電池的電壓基準(zhǔn)作為比對(duì)的標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在利用Josephson超導(dǎo)隧道效應(yīng)[1]——即電壓正比于磁通變化的頻率，就可以精確標(biāo)定電壓。
這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于，頻率標(biāo)準(zhǔn)是可以像時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)一樣非常精確的，頻率的標(biāo)準(zhǔn)就決定了電壓的標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在電壓標(biāo)準(zhǔn)變得很高，就是因?yàn)閲?guó)際上已經(jīng)用Josephson超導(dǎo)隧道結(jié)電壓基準(zhǔn)取代了化學(xué)電池電壓基準(zhǔn)。
弱電·超導(dǎo)量子干涉儀
超導(dǎo)的另一個(gè)應(yīng)用是精密的電磁測(cè)量，其中最搶眼的就是超導(dǎo)量子干涉儀（SQUID），以及以此為基礎(chǔ)生產(chǎn)的電子設(shè)備。
超導(dǎo)量子干涉儀同樣是利用Josephson超導(dǎo)隧道效應(yīng)，被一薄勢(shì)壘層分開(kāi)的兩塊超導(dǎo)體構(gòu)成一個(gè)約瑟夫森隧道結(jié)。當(dāng)含有約瑟夫森隧道結(jié)的超導(dǎo)體閉合環(huán)路被適當(dāng)大小的電流偏置后，隧道結(jié)兩端的電壓是該閉合環(huán)路環(huán)孔中的外磁通量變化頻率的函數(shù)。
利用這個(gè)規(guī)律，我們不僅可以測(cè)量磁通量的變化，還可以轉(zhuǎn)換為其他物理量，如電壓、電流、電阻、電感、磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)梯度、磁化率等。我們知道，超導(dǎo)是一種宏觀量子現(xiàn)象現(xiàn)象，它所具備的超導(dǎo)隧道效應(yīng)遵循著量子力學(xué)的基本規(guī)律。因此，理論上來(lái)說(shuō)，以隧道效應(yīng)為基礎(chǔ)研發(fā)的器件，原則上只受量子力學(xué)測(cè)不準(zhǔn)原理的約束，它的分辨率可以達(dá)到精確的極限。這個(gè)器件能夠檢測(cè)出相當(dāng)于地球磁場(chǎng)的近1000億分之一的變化，可以用于生物磁場(chǎng)的測(cè)量，大地磁場(chǎng)的測(cè)量，磁成像，以及其他各種要求精密的電子測(cè)量。
現(xiàn)在，基于SQUID的心磁圖和腦磁圖研發(fā)工作已經(jīng)展開(kāi)。利用這種技術(shù)，在無(wú)創(chuàng)、快速的前提下，有望探測(cè)到心電或腦電不能探測(cè)的癥狀。尤其是它可以測(cè)量非常微弱的腦磁信號(hào)，所以在幫助我們了解大腦方面，有著不可替代的應(yīng)用前景。
在地球資源探測(cè)方面，超導(dǎo)在探測(cè)大地的電阻和磁學(xué)情況領(lǐng)域有著很大的應(yīng)用潛力。對(duì)電阻測(cè)量來(lái)說(shuō)，超導(dǎo)量子干涉測(cè)量的不同頻率對(duì)應(yīng)不同大地深度，測(cè)量不同頻率的電阻就反映了大地不同深度的電阻，利用超導(dǎo)量子干涉測(cè)量方法廣泛的頻率范圍，我們可以測(cè)量的深度范圍也就可以很廣，進(jìn)而可以描繪大地很深層的電阻分布情況，幫助我們判斷油氣資源分布狀況。
對(duì)磁測(cè)量而言，超導(dǎo)量子干涉測(cè)量的優(yōu)勢(shì)是可以放置在飛機(jī)上，對(duì)礦場(chǎng)進(jìn)行掃描，就可以觀測(cè)到地磁的反常，判斷成礦信息。
在電子學(xué)方面，超導(dǎo)的優(yōu)勢(shì)十分明顯。高溫超導(dǎo)濾波器是一個(gè)突出的例子。由于高溫超導(dǎo)薄膜表面電阻小，即使在移動(dòng)通信的高頻頻率范圍內(nèi)，高溫超導(dǎo)材料的微波表面電阻比正常金屬也要小上千倍。所以，高溫超導(dǎo)濾波器具有插入損耗小、帶邊（矩形度）陡峭、帶外抑制高的特點(diǎn)，如下圖所示，明顯比傳統(tǒng)濾波器具有更優(yōu)秀的濾波性能?；诟邷爻瑢?dǎo)濾波器的微波器件不僅在衛(wèi)星和雷達(dá)等軍事方面得到了應(yīng)用，在移動(dòng)通信這樣的民用方面也開(kāi)始發(fā)揮作用。
高溫超導(dǎo)濾波器與傳統(tǒng)濾波器性能比較，相比普通濾波器，超導(dǎo)濾波器對(duì)于不可通過(guò)的頻率過(guò)濾性更強(qiáng)，對(duì)于可通過(guò)的頻率能量損耗更低。
說(shuō)完超導(dǎo)在弱電方面的應(yīng)用，我們?cè)賮?lái)說(shuō)說(shuō)它在強(qiáng)電方面的應(yīng)用。超導(dǎo)在強(qiáng)電方面的應(yīng)用涉及能源、交通、醫(yī)學(xué)等方方面面，可以說(shuō)與我們的現(xiàn)在和未來(lái)息息相關(guān)。
在能源方面，利用超導(dǎo)材料的零電阻特性可以用來(lái)輸電和制造大型磁體，超導(dǎo)技術(shù)是電力工業(yè)的一個(gè)革命性的技術(shù)儲(chǔ)備。
我們知道，超高壓輸電會(huì)有很大的損耗，而利用超導(dǎo)體則可最大限度地降低損耗。對(duì)一些不斷擴(kuò)容的大城市來(lái)說(shuō)，用電負(fù)荷不斷增加，而城市空間又相對(duì)有限，不太可能不斷挖掘隧道放置電纜。但由于超導(dǎo)電纜量輕，電纜直徑較細(xì)，可以使用已有的隧道進(jìn)行敷設(shè)，不需要新的敷設(shè)空間，地下高溫超導(dǎo)電纜在不能安裝架空線路環(huán)境中可以代替架空線路。
此外，采用超導(dǎo)輸電還可以簡(jiǎn)化變壓器、電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)等熱絕緣并保證輸電的穩(wěn)定性，提高輸電的安全性。
另外，超導(dǎo)技術(shù)更是磁約束受控核聚變不可替代的制備強(qiáng)磁體的材料。
大家知道，如果給閉合超導(dǎo)線圈通上電流，就可以維持較強(qiáng)的穩(wěn)恒磁場(chǎng)，這便是超導(dǎo)磁體。磁約束的核劇變必須要用超導(dǎo)，如果不用超導(dǎo)體而采用常規(guī)穩(wěn)恒磁體，要實(shí)現(xiàn)強(qiáng)磁場(chǎng)就必須采用非常粗的銅導(dǎo)線，那么冷卻過(guò)熱電阻所需的裝置會(huì)龐大而復(fù)雜的不可想象，而且必須持續(xù)為線圈通上電流，消耗更多的電能，消耗的能量成本也很可能大于裝置輸出的能量。很明顯，超導(dǎo)磁體具有體積小、穩(wěn)定度高、耗能少等多種優(yōu)勢(shì)，沒(méi)有超導(dǎo)體，人工托克馬克的成功是不可能實(shí)現(xiàn)的。
也正是因?yàn)樯鲜鲈?，在生物醫(yī)學(xué)方面，多數(shù)醫(yī)用核磁共振成像設(shè)備和高分辨率的核磁共振成像技術(shù)（NMR）用的強(qiáng)場(chǎng)磁體也是超導(dǎo)磁體。
對(duì)核磁共振成像系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，磁體的磁場(chǎng)強(qiáng)度、穩(wěn)定度、均勻度對(duì)圖像影響很大，超導(dǎo)磁體的強(qiáng)磁場(chǎng)恰恰符合這些要求，未來(lái)要想實(shí)現(xiàn)高分辨強(qiáng)磁場(chǎng)的核磁共振，不可能離開(kāi)超導(dǎo)。
此外，超導(dǎo)技術(shù)是新一代的艦船推動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，推進(jìn)電動(dòng)機(jī)的體積和重量對(duì)于船舶設(shè)計(jì)建造具有十分重要的影響。高溫超導(dǎo)電機(jī)體積小，重量輕，極其有利于船舶吊艙推進(jìn)應(yīng)用。據(jù)說(shuō)，美國(guó)AMSC公司為美國(guó)海軍研制的36.5 MW艦船推進(jìn)實(shí)驗(yàn)電機(jī)，四臺(tái)電機(jī)可以驅(qū)動(dòng)一艘航空母艦。
另外超導(dǎo)磁懸浮列車也具有其獨(dú)特的速度優(yōu)勢(shì)。
據(jù)最新的報(bào)道，日本的磁懸浮列車運(yùn)行試驗(yàn)已創(chuàng)造了載人行駛時(shí)速６０３公里的新世界紀(jì)錄。但是很多人不了解的是，跟常規(guī)磁懸浮技術(shù)相比，采用超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)的磁懸浮列車不但更加快速，也更加穩(wěn)定和安全。
在以后的文章中我們會(huì)介紹，第二類超導(dǎo)體有一個(gè)神奇的作用——對(duì)進(jìn)入體內(nèi)的部分磁通線具有釘扎作用，它能夠約束住懸浮著的磁體，一旦磁體偏離，超導(dǎo)體可以將磁體“拉住”，因此超導(dǎo)磁懸浮物體運(yùn)動(dòng)過(guò)程是十分穩(wěn)定的。另外，超導(dǎo)體一旦失去超導(dǎo)電性進(jìn)入正常態(tài)，無(wú)摩擦的超導(dǎo)磁懸浮鐵軌將恢復(fù)成有摩擦的正常鐵軌，這便于人們?cè)诰o急情況下控制列車的制動(dòng)。
超導(dǎo)的歷史歷經(jīng)100多年，但仍然是一個(gè)年輕的學(xué)科，它不斷帶給人類驚喜，也
不斷擴(kuò)充著人類認(rèn)知的邊界。更新的物理理論等著我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)，更多有應(yīng)用前景的對(duì)象等著人們?nèi)ネ诰颉?/p>
未來(lái)，超導(dǎo)的發(fā)展可能聚焦在三個(gè)方面：
一是對(duì)高溫超導(dǎo)體機(jī)理的認(rèn)識(shí)會(huì)極大促進(jìn)凝聚態(tài)物理學(xué)和量子力學(xué)的新發(fā)展。
二是探索更適于應(yīng)用的、臨界溫度更高的超導(dǎo)體，以及更適合大規(guī)模應(yīng)用的新工藝。
三是擴(kuò)展包括低溫超導(dǎo)體在內(nèi)的所有超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用。
[1]JOSEPHONE效應(yīng)是一種超導(dǎo)隧道效應(yīng)，它是指，兩個(gè)超導(dǎo)體，如果中間被一個(gè)正常的絕緣體隔開(kāi)，兩個(gè)超導(dǎo)體之間的波函數(shù)仍然可以有交疊，即使絕緣的結(jié)兩端不加電壓，結(jié)中也可存在超導(dǎo)電流；而在結(jié)兩端的直流電壓V≠0的情況下，通過(guò)結(jié)的電流是一個(gè)交變的振蕩超導(dǎo)電流，振蕩頻率（稱JOSEPHONE頻率）與電壓成正比。
感謝中科院物理所鄭東寧老師對(duì)本文成文的幫助。
本文經(jīng)授權(quán)轉(zhuǎn)載自微信公號(hào)《墨子沙龍》。
制版編輯：李 赫丨
