聚变科普：超导现象究竟有啥秘密？

超导，被很多人称为彻底改变人们生活的“第四代工业革命”，近年频频冲上热搜，从科学话题走入大众视野，超导究竟隐藏着哪些奥秘呢？让我们一起来揭开它的神秘面纱。

Q1、什么是导体、半导体、超导体？

一般的材料分为导体与绝缘体，导体指电阻率较小，能够容易地传导电流的物质，然而绝缘体则几乎不能传导电流。

半导体则是常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，具有导电性可控的特性，其导电性能可以通过掺杂不同的杂质来改变。

半导体即硅基材料,几乎影响了当代世界科技发展的每一个角落，大多数电子元器件包括计算机、手机、电子产品、自动控制都离不开芯片，芯片的基本组成就是半导体晶体管。

电子器件和集成电路是现代社会发展的基石，上至卫星、航母，下到手机、遥控器等，只要使用到电子器件，就和半导体密不可分。

导体与电路的使用是物理学从蒸汽时代到电气时代的第一次革命，而导体到半导体则是电气时代到科技智能时代在物理学以及社会发展上的第二次革命。

那么超导体的时代，将会带来新的能源大变革，引发第三次现代社会的变革。

超导是什么呢？

它是指在某一温度以下，兼具绝对零电阻和完全抗磁性两个独立特性的超级导体。

超导体的电阻为绝对的零，即电阻完全消失。超导体完全进入超导状态之后，会将外磁场完全排出体外。

超导体的完全抗磁性由德国科学家迈斯纳发现，又称之为迈斯纳效应。

因此利用超导体“零电阻”特性，以及完全的抗磁性，将这两种特性应用在电力传输、储存系统上，是不是就能达到高效能、低能耗的理想状态？

目前超导体的特性应用在超导电力、输电储能、弱磁探测、核聚变、磁悬浮列车等多个方面，将给人类生活带来深远的影响。

综上，导体、半导体和超导体是固体电子学方向的重要研究对象，对于推动电子技术的发展和应用具有重要的意义。通过对这些材料的研究和应用，人们可以设计和制造出更高效、更可靠、更环保的电子器件和电路，为人类社会的发展和进步做出重要贡献。

Q2、为什么家用电器会发热？

家用电器发热主要是电流热效应引起的，那什么是热效应呢？

电流通过电阻时，在电阻上消耗的电能将全部转化为热能，这种现象称为电流的热效应。

电流通过导体时，由于自由电子的碰撞，导体的温度会升高，这是因为导体吸收的电能转换成为热能的缘故。

它的决定因素主要有3个：电流、电阻和时间。导体产生的热量与通电的电流大小、导体的自身电阻、通电时间成正比；即电流越大、电阻越大、通电时间越长，发热越多。

电流的热效应在生产上有许多应用，电灯就是利用电流产生的热使灯丝达到高温而发光的，熔丝利用电流产生的热使其熔断而切断电源，电磁炉以及电水壶利用热来加热烧水等等。

然而，对于大多数电器来说，其实发热并不好，因为它会造成能量的损耗，使设备温度升高，加速绝缘材料的老化甚至烧坏设备。

Q3、如果将超导体应用到生活，会让世界有哪些改变？

“在我们日益电器化的世界中，如果拥有在室温和环境压力下能够以零电阻导电的材料，那么这种材料的影响将是惊人的——想象一下，将电力传输数千公里而基本上没有损失”。

《自然》杂志的这段话，足以让我们感受到，如果将超导体应用到生活，它的确可以彻底改变人类的生活方式：

首先，将超导用在电力输送中，就能减少能量损耗，提高能源利用效率，这对于解决能源短缺和减少碳排放有重要意义；

其次，超导材料还可用于粒子加速器，用于研究基本粒子的性质和相互作用，推动粒子物理学的发展和了解宇宙的起源。

事实上，超导体在日常生活中已经有了应用：

1、医疗设备：

核磁共振成像设备。如今我们去医院做核磁共振检查，多数采用的是超导磁体。

超导磁共振成像（MRI）设备利用超导磁体产生的强磁场，可以显著提高成像分辨率和准确性，帮助医生更准确地诊断病情。

2、电力传输：

超导体的“零电阻”特性使得它在电力传输领域具有巨大的应用潜力。上海徐家汇中心地段铺设一条1.2公里的超导电缆线，是世界首条35千伏公里超导输电示范工程。

从2021年12月正式投入运行以来，以安全稳定运行两年多。超导电缆能够显著减少能量损失，提高电力传输效率，增强传输能力。

这意味着城市电网和电力输变电系统可以更加高效、稳定地运行，满足日益增长的电力需求。

3、能源领域:

托卡马克装置。比如位于合肥科学岛鼎鼎大名的“人造太阳”——全超导托卡马克核聚变实验装置。其核心技术之一就是超导。

除了以上几个领域，超导体还在量子计算、电子元器件、磁悬浮轨道交通等领域发挥着重要作用。

Q4、超导百年，十个诺贝尔奖，物理学“圣杯”？

1911年，荷兰物理学家海克.卡末林.昂内斯首次发现，当温度降至4.2K（-268.95℃）以下时，汞的电阻竟突然消失，呈现出趋于完美的导电性，他将其现象命名为超导，并因此获得1913年的诺贝尔奖。

这一革命性的发现，让超导现象作为物理学的重点关注的研究领域之一，截止目前，已斩获10个诺奖。

近年来，随着技术的进步和实验室的探索，室温超导的概念引起了广泛关注。值得注意的是，室温超导特指是在300K（约27℃）下可以出现绝对零电阻和完全抗磁性的材料。如果真的能实现室温超导，将彻底改变能源传输、磁悬浮运输等领域，具有革命性的意义。

尽管尚未有科学家因室温超导而获诺贝尔奖，但这一领域所蕴含的深刻物理内涵可能带来一场凝聚态物理的新革命。

甚至每次新动态不仅能带来科学领域的惊人瞩目，还引发资本市场的各种“概念股”。

就像2023，韩国的研究团队就声称成功合成了全球首个室温常压超导体LK99，还有像美国罗切斯特大学有研究团队就先后两次宣布发现了一种在常温和高压下表现出超导性质的材料。

但都未能得到证实，要么拒绝公开材料的合成方法，要么一些公开发表的结果无法被其他研究组独立重复，这些论文在广泛质疑声下只能撤稿。

可见任何科学研究都不是想当然，必须经得起理论的考验和反复试验的验证。

第三次工业革命的核心是电气化，特斯拉和爱迪生分别发明的交流电和直流电，彻底改变了社会，而超导将再次彻底改变它。

可是目前，超导领域还有很多未完成的“诺奖级”工作，值得众多科学家勇往直前！可能性无限、荣誉无限、社会影响无限……

这么看来知乎上一高赞问题：“为什么室温超导是个乌龙频出的研究领域？”也不是那么难回答了。

Q5、中国超导代表人物和历史？

中国的超导研究，起步非常艰难。

新中国成立之初，我国科研条件落后，当时国内也没有与超导相关的研究，直到20世纪70年代下半期，才开始正式进入超导研究领域。

开创人之一，就是中国超导技术“奠基人”——赵忠贤院士。

他1976年开始在国内开展推动高温超导研究。1986-1987年，他带领团队发现“液氮温区高温超导体”，并因这一突破于1987年获得第三世界科学院TWAS物理奖，这是中国科学家首获此奖。并于1989年获得国家自然科学一等奖。

2008年，他带领团队发现了系列50K以上的铁基超导体，并创造了55K的铁基超导体临界转变温度的世界记录。

2014年，他又一次带领团队问鼎国家自然科学一等奖。

2015年，赵忠贤院士被授予国际超导领域的重要奖项——Matthias奖。

随着中国的一系列成果发布，美国《科学》杂志增发文称赞：“如果以后再有更多的样品和数据诞生于中国，我们不必感到惊讶”。

尽管中国的超导研究，起步比国外晚了近半个世纪，但中国科学家在超导领域的研究中却起到了举足轻重的作用。

Q6、高温超导材料从被”卡脖子”到“中国制造”。起步晚，但是我们跑的快。

A：中国虽然研究超导的时间比较晚，但成绩却很显著：在材料生产技术，超导磁体技术、低温测量技术等方面，我国频频出新成果。

1、材料的垄断被打破

超导技术的发展离不开超导材料的生产及应用。

直到2010年前，全球只有3家第二代高温超导材料供应商，两家在美国，卖得很贵；另一家在日本，禁止出口。技术在别人手里，定价权自然也由不得买方。

但是在2011年后，中国不仅成功跻身少数掌握超导线材产业化的国家行列，仅其中一家企业的成品率就超过70%，远远将美国厂商的成品率不足五成甩在脑后，生产量突破年产900公里。

被西方把控的定价权彻底易主，真的是“亲人们，把价格打下来了！”

2、在超导磁体设计与研发方面

中国科学院等院校，在超导磁体技术领域取得了显著成果。

例如，成功研制出多个高场超导磁体，包括19.8T和24T全超导混合磁体、24.1T全REBCO磁体等。

这些高场超导磁体的成功研制，不仅展示了中国在超导磁体设计与制造方面的能力，也为中国高场科学仪器研制实现国产化奠定了重要基础。

3、中国在超导磁体技术的应用方面也取得了积极进展

MRI（磁共振成像）是当前低温超导技术最主要的应用领域之一，在医疗领域发挥着重要作用。

同时，随着高温超导技术的发展，其磁场强度上限得以突破，制冷成本也大幅降低，为超导技术的大规模商业化应用打开了空间。

Q7、合肥的超导知多少？

未来世界的构想里，超导是浓墨重彩的存在。科里科气的合肥怎么会没有参与“超导”的研发与应用研制呢？

请出科研代表队：

中国科学技术大学、中科院等离子体所、合肥综合性国家科学中心能源研究院等高校、院所作为科学实验、产品研制的国家队一直奋斗在创新一线，科学家从追赶世界直至跻身世界前列。

拿出亮点成绩：

合肥的三大科创高地，量子信息、聚变能源、深空探测都离不开超导技术的应用与突破。

合肥的研究团队还在超导量子比特多体纠缠制备方面取得了一系列重要成果，成功实现了51个超导量子比特簇态制备和验证，刷新了所有量子系统中真纠缠比特数目的世界纪录。

“人造太阳”中处处可见超导材料、超导接头、超导配线到大型磁体系统，“超导是一种在特殊条件下电阻为零的材料，利用这一特性可以避免导体发热，实现‘人造太阳’的长时间运行。”中国工程院院士李建刚说。

此外，合肥在超导加速器、超导量子计算和超导技术应用等方面都取得了显著的进展和亮点。

这些成果不仅提升了合肥在超导技术领域的国际地位，也为未来的超导技术发展和应用奠定了坚实的基础。

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