【视频】神奇的超导及其应用 | 陈仙辉

编者按：9月30日，墨子沙龙第二季第七场活动，邀请到了中国科学技术大学教授、中国科学院院士陈仙辉。陈仙辉院士1992年在中国科学技术大学获博士学位，曾在德国卡尔斯鲁厄研究中心和斯图加特马普固体物理研究所做洪堡学者，先后在日本高等研究院(北陆)、美国休斯敦大学德克萨斯超导研究中心、新加坡国立大学做访问教授。陈仙辉院士的主要研究方向是超导物理和关联电子体系研究。

从发现至今一百多年来，超导领域始终吸引着众人的目光。到目前为止仅仅在超导现象和机理的研究上，已经授予了五次诺贝尔奖，十位科学家获此殊荣。这组数字完全证明了学界对超导的关注。超导是人类发现的第一个宏观量子效应，抗磁性展现神奇现象、零电阻让人心驰神往，但成本高让民用望而却步。追寻室温超导，科学家们正在路上。

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嘉宾 | 陈仙辉

讲座主题 | 神奇的超导及其应用

各位来宾下午好，非常高兴有这个机会在上海科技馆,也很荣幸给大家介绍一下我们这个领域——超导，想通过这样一个报告，向在座的各位介绍一下什么是超导？为什么超导发现一百多年，人们还一直在持续地研究这个材料？我今天报告的题目就是神奇的超导及其应用。

超导为什么说神奇？希望通过我的演讲，大家能确确实实发现（对）超导的兴趣和它神奇的地方。什么是超导？超导是1911年开始发现的，到现在为止将近110年。也就是从110年前发现持续到现在，一直是一个热题。超导是Heike Kamerlingh Onnes教授在1911年发现的，当然这个发现也是一个偶然。Heike Kamerlingh Onnes是荷兰科学家，他在1908年的时候，把氦液化了，氦在元素周期表里面是第二个元素，在常压常温下是气体，但它可以有液态，也可以有固态。当它液化的时候需要达到的温度是4.2K。我们平时生活中的温度都是摄氏度，4.2K意味着零下269摄氏度，基本上接近绝对零度。

由于这样一个技术，一个发现，导致人们就在想，在这样一个温度下面，我们的物理会怎么样？大家知道在我们人类的材料里面，如果只考虑它的电学性质的话，材料可以分为绝缘体、金属和半导体。我们现在的半导体，基于场效应管的技术，在过去五六十年发动的信息革命有很大的进展，包括我们大家的手机、电脑、平板等等，都基于这样的材料。

当然在这些材料里面，（物理性质）随着温度的变化是不一样的，其中有叫金属的。金属材料随着温度的降低，电阻也越来越小，人们当然希望（知道）当这个金属材料在低温的时候，也就是温度很低的时候，会发生什么？Heike Kamerlingh Onnes这个小组发现了液氦以后，很自然地考虑测量一下金属在4.2K的时候会发生什么，就是一种好奇心，探索在这样一个条件下，这个金属材料会发生什么，所以他们就选择了这个图上的汞。

为什么会选择金属汞呢？我们知道所有材料都会导电，当然有些是绝缘体（不易导电），但金属材料导电性能也有差别，就是电阻率，电阻率的大小决定了（在材料中）通入电流时，它会发热，我们学过初中物理的嘉宾就知道，它一定有一个焦耳热的产生。那这个焦耳热的产生就有一个电阻，但这个焦耳热产生的电阻，在物理里面主要来源于三个，因为电子在材料中输运时会遇到一些阻力（散射），它可能对电子、对晶格、对杂质产生散射，就是里面不纯，有别的杂质，所以肯定不利于这个电子在材料里面输运，就会引起阻碍。而汞是一个非常容易纯化的材料，可以达到很高的纯度，所以就想把杂质的散射去掉，来研究它本真的物理。

所以他们在1911年的时候，他的学生就测量了这个（汞的电阻），一测量以后就得到一个图，就看这个红线，在4.2K的时候，它的电阻突然消失了，这是大家没有想到的，包括Heike Kamerlingh Onnes也没有想到。也就是出现一个奇特的现象，这个现象实际上就是我们讲的超导具有的第一个特性，零电阻。

也就是在自然界里面，第一次发现电阻可以为零，即使是金属，电阻可以为零，这是第一个特征，就是零电阻。Heike Kamerlingh Onnes发现零电阻的时候，当然他不能解释，当时的物理不能解释。因为这个现象发生在1911年，当然我们现在很能理解，他就把这个零电阻现象称之为超导态，就是物理进入一个新的态，就是在温度达到4.2K，物理上面这个材料进入一个新的物理态，但这个物理态不能理解，就称之为超导态。

为什么不能理解？后来我们就知道，超导是人类观察到的第一个宏观量子效应。因为想想1911年，普朗克刚提出量子化的概念，刚好从一个经典的物理向量子物理的萌芽（过渡），这个是黎明前的事情，所以当然无法理解，因为量子力学没建立，说白了就是要解释超导，一定要有量子力学建立，所以在1911年，就不知道什么原因。不管怎样，在1913年，诺贝尔奖评选委员会觉得这是一个非常重要的现象，在不理解的情况下仍然授予他诺贝尔奖。

随后，在1911年到1933年期间，在对超导没有认识的情况下，另外两个物理学家，一个是Walter Hans.Meissner，一个是Robert Ochsenfeld。两位科学家又做了一个实验，当这个材料进入超导态的时候，有另外一个神奇的现象，叫做Meissner效应，就叫完全抗磁性。

我们学过初中高中物理的话，会知道当一个材料放在一个磁场里面，我们描述磁场强度的话，用磁力线的概念。它的磁力线是可以穿透任何材料的，在一个正常的情况下，这个蓝色球，一根根线就是磁力线，它是可以穿透材料的。非常有趣，这两个科学家发现，当这个材料进入超导态的时候，这个磁力线全部被排出来了，这个现象就叫完全抗磁性，也称为Meissner效应。就是磁场按理可以穿透（材料），但是由于某种原因导致磁力效应全部被排出来了，这个材料里面的磁感应强度为零。用磁化力来描述，它的磁化力完全等于负一，就是完全抗磁性。这个现象如果在实验里面演示的话，就是这个图。

当你底下放一个超导体，让它进入超导态，上面放一块铁磁体的话，它们两个就完全排斥了，它的磁场全部排斥了它，所以就可以悬浮，所以超导体在一个磁场情况下，（处于超导态时）它是完全可以磁悬浮的。这就是超导的两个基本特征，一个超导体具有完全的零电阻，还有一个完全的抗磁性。所以它在电跟磁上面都有奇特的特性。

由于这样两个特性，这里演示一个实验，就是神奇的超导。（播放演示视频）

刚才这个里面有一个介绍，就是他讲的quantum locking，也就是量子锁，把它锁住了，这就是非常神奇，这在经典力学是不可能实现的，这是一个量子现象。刚才我也讲到，超导态是我们自然界人类观察到的第一个宏观量子现象，这是一个宏观量子现象的表现。它可以在任意一个位置都是一个平衡态，可以稳定地运行。所以这是它的另外一个特性。

在1911年发现以后，在1911年我们在物理界里面有一个非常著名的系列会议叫做索尔维会议，所以在1911年的时候，Heike Kamerlingh Onnes就在会议上做了这个报告，在物理界引起了非常大的反响。在这个会议上大家可能认识一些人，像这位女性，是居里夫人，爱因斯坦也在这里面，爱因斯坦在站着的第二个。所以在这个会上，当时引起整个物理界很大的反响，就是无法理解，但当时讨论了很多。实际上超导体的发现，对于量子力学（的建立）从实验上给出了一个很大的推动力，因为要解释这个实验现象，一直到1933年都没有解决。

超导这么神奇的现象，是不是很难发现呢？实际上这是元素周期表，在这个元素周期表里面有两种颜色，一种粉红色、一种深红色。所有粉红色标记的元素全部是超导体，就是在常压下面，只要你冷却到一定的温度，它们都是超导体。也就是超导这种很神奇的现象，是普遍存在于自然界里的，并不是很稀罕的事情。在元素周期表中，那些深红色标记的元素在常压下（不是超导体），我讲的常压就是自然界里面一个大气压的情况下，但是只要在一定的压力下面它们都是超导。所以整个元素周期表用这两种颜色标识的元素占了将近三分之二。所以超导这种东西，并不是非常稀罕的材料，也就是超导材料是很普遍的。

由于超导体有零电阻，有完全抗磁性，所以大家一直在探索这种材料。为什么会发生超导？到现在我们知道有两个原因，发生超导要满足两个条件。

一个条件就是要（电子）配对，所谓的配对，因为知道它是有零电阻，一定是它的电子的一个效应，所以起了很大的作用，它电子之间要配对，在座的嘉宾们可能会想，我们不是原来说同性相斥，两个电子之间怎么会形成配对呢？这是一个很疑惑的事情。第二个事情，如果要配对以后，它们要相干，现在我们潘建伟老师他们在做量子信息里面总是有一个相干，实际上这个一定要相干，配对的电子一定要相干，才能形成整体的一个超导态。这是两个因素。

那边有一幅卡通画，这是在1992年的时候，当时有一个超导材料非常热，就是碳60超导体，碳60是全碳元素，它的结构跟我们现在小朋友和我们足球运动员踢的足球的结构是完全一样。有一次伟大的物理学家李政道先生和一个伟大的漫画艺术家华君武先生两个人就在聊，也就像我们在座的很多不是做物理的人对科学非常感兴趣，华君武也对科学感兴趣，就问李政道先生，他说你们最近物理界老是超导超导碳60超导，超导到底是怎么回事？李政道先生就告诉他，超导有两个因素，电子要关联配对，配对以后还要相干。然后华君武先生就接受了李政道先生的对超导的解释，马上就画了这幅画。

这幅画非常形象，下面是C60，就是足球，蜜蜂上面写了个e，e就是带电的电子，配对的密峰都在上面飞，没配对的蜜蜂都在C60小球上面爬，也就是第一点，把要配对的形象抓住了。

另外相干它怎么办（表达）？这个艺术家让配对的蜜蜂翅膀取向都朝一个方向，因为配对的话在物理学里面就是一个波函数，或者说相位的一个表现。所以翅膀方向一样，他认为就是相位一样，就相干，所以他准确把握了这两点。后来他写了“双结生翅成超导，单行苦奔遇阻力”政道先生意，华君武画。这就是科学家和艺术家很简单的语言，就形象地把超导的特征给抓住了，所以我想这个画对我们在座的各位嘉宾对超导的理解有所帮助。

超导一直到上个世纪三四十年代量子力学的建立(才可以解释)，我讲超导本身就有宏观量子现象，如果没有量子力学肯定不能解释的。所以到1957年才解释了1911年观察到的现象，就是超导态，就是这三个科学家，一个是Bardeen，一个是Cooper，一个是Schrieffer。

那么Bardeen可能刚才我讲了，我们在上个世纪五十年代有一个重要的发现，就是晶体场效应管的发现，他是其中之一。Bardeen是唯一我们物理界里得过两次诺贝尔奖的人，一次就是场效应晶体管的发现，另外一次就是超导的理论BCS理论的建立。BCS理论就是这三位科学家的姓的首字母（Bardeen， Cooper， Schrieffer）。

那么在这里面为什么能配对呢？这里有一个演示，就是因为我们材料里面是有晶体晶格的，晶格上面是离子时是带正电的，电子经过的时候，它会引起晶格的极化，就在局部区域里面正电荷比较多，当另外一个电子过来的时候，这个区域的正电和另一个带负电的电子产生一个有效的吸引，而这个吸引在物理上会产生一个关联，形成一个copper对。当然另外还有很多工作，总而言之就在这样的情况下，建立了BCS理论的微观理论，就解释了前面的超导态。

这里有个很形象的（比喻），在音乐的启动下，两个舞伴在很优雅的环境里面跳着舞，两者如果协调在音乐的指导下，就相当于相干，就像有一个指挥棒，这些电子有规则地跳着优雅的舞蹈，之间也没有发生碰撞，所以这个就相当于这样一个形象的舞池里的舞伴。载流子就可以在这里面有序地载流。

到1957年以后，我们就知道超导到底是怎么发生的？但是为什么到现在（人们对超导仍然有很大的兴趣），按理来说你超导也清楚了，超导态也建立了，那大家对超导物理的兴趣都没有了，不是这样的。到1979年的时候，发现了另外一种超导，就是BCS理论不能解释，但它又是超导，它有零电阻，它也有完全抗磁性，但是理论解释不了，遇到了新的困惑。这样我们就把超导分为两种，一种叫常规超导体，常规超导体就是BCS理论能够解释的电子和声子导致copper对配对的这一类超导体，我们就叫做常规超导体。不能被BCS理论解释的超导体，我们就称之为非常规超导体。

在1979年，这里有个科学家叫Matthias，这是一个非常著名的材料物理学家，也是一个超导专家。他就总结了，我刚才讲了超导有常规超导体，常规超导体里面这个BCS理论还预言了超导的温度不会高于40K。因为这个电子与电子配对是通过晶格，我们材料里面的晶格在振动，它到了一千摄氏度的左右，晶格就会崩掉了，就不稳定了。所以由于这样一个原因， BCS理论预言超导温度不会超过40K。这是第一点。第二点是Matthias有一个规则，就是你要找这个超导体，第一你这个材料的晶体结构对称性越高越好，第二个就是它的态密度越高越好，他还有几个警告，要远离绝缘体、远离氧化物、远离磁性。

所以在座的，特别是年轻的还有我们的很多小朋友，有时我们的物理都是在一定范围内才成立，所以要有一些突破性思维，恰恰是在1986年，发生了一场震动，在我们物理超导界，由这两个外国科学家Bednorz和Muller，在1986年，他们发现了新的非常规超导体，这个新的非常规超导体是镧铜氧四，那么在这种化合物里面有氧，但是Matthias讲要远离氧化物，镧铜氧四它的母体就是绝缘体，不仅是绝缘体，还是个反铁磁的绝缘体，跟Matthias规则完全背道而驰。Matthias讲远离绝缘体、远离磁性、远离氧化物等，人家这两个科学家就不相信，突破这个思维，在氧化物里面突破了超导，也就是说前面的Matthias规则是在常规超导体范畴成立，而镧铜氧是一个非常规超导体。

小朋友我们可以发散性思维，还有我前面讲的cooper对，copper对是两个电子配对，按照我们原来说的同性相斥，两个电子怎么可能配对呢。所以这个都是在一定的（范围内成立的），物理是有一定的相对性。所以在这样的情况下，就发现了镧二铜氧四，它的温度刚开始是接近40K，一下子在中国华人科学家里面，美国休斯敦大学的朱经武先生和我们科学院物理所的赵忠贤先生，他们分别独立地发现了钇钡铜氧，突破了90K的超导。

那么突破90K的超导，这在人类里面是一件非常大的事情，原因是什么？我们原来的常规超导体的温度，一直到1986年，这个铜氧化物超导体发现之前，超导的最高温度是23.2K，在铌三锡里面。我刚才讲了，1911年发现第一个是4.2K，到1986年只有23.2K，也就是经过75年只提高了20K不到。这一下就不得了了，1986年到1987年，最高温度突破到了液氮温度以上，液氮温度是77K，我们讲氦的液化温度是4.2K，氮的液化温度是77K，那氮就不一样了，氮我们在自然界里面空气里面70%都是氮气，所以氮的资源极其丰富，氦在我们国家是战略资源，它的资源非常稀少，所以它的成本马上降下来了。

另外它的温度，到目前为止铜氧化物超导体在高压的情况下，可以到164K，一年突破了100多K，而75年只增加了20K，1986年发现的，1987年就授予了这两位科学家（Bednorz和Muller）诺贝尔奖，这是历史上授予诺贝尔奖最快的一次，一年不到。

这个图如果在座的是年纪大的嘉宾，就应该了解在上个世纪七十年代的时候，美国有一次自由思潮，就很多（狂热的活动）。那时候正是摇滚乐狂热的时候，这一幅图就是摇滚乐的Woodstock的节日，每年都会定期在纽约举行这个节日，非常疯狂。

实际上我们在物理里面，当时同样铜氧化物超导体发现以后，这个狂热完全不亚于摇滚乐。这是一幅图，在1987年，我们凝聚态物理有个会议叫做三月会议，每年参加会议大概有一万人左右，当时因为一万人会议的话，他一般程序表早就安排好了，突然来了个铜氧化物超导体的突破，就临时增加了一个报告会，当时计划晚上7：30开始，那个会议厅里面只能装下两千人，科学家狂热到下午五点半就开始排队，都进不去，就在走廊里面看电视屏幕，非常壮观。这个会议讨论超导简单结果的时候，从7：30一直开到了凌晨三点多，到黎明之前，还有很多科学家在走廊里互相在讨论，所以对于科学的狂热，这个是我们可比摇滚乐的发现。当然摇滚乐发现里面有一个代表人物，Bob Dylan就是去年获得诺贝尔文学奖的一个音乐家。

我想总结一下，我们刚才讲过超导的两个基本特征大家清楚了，就是零电阻和完全抗磁性。还有超导可以分为非常规超导体和常规超导体，常规超导体BCS理论可以解释，但是非常规超导体BCS理论不能解释。但到目前为止仅仅超导这样一个现象，已经授予了五次诺贝尔奖，十个人获得诺贝尔奖。第一次就是Heike Kamerlingh Onnes1911年发现超导电性，1913年获得诺贝尔奖。第二次是BCS理论1957年建立，在1972年授予了诺贝尔奖。第三次就是也是在1973年，这个是超导隧道效应，一个叫Josephson 一个叫Giaever，这两个科学家做出诺贝尔奖工作的时候，都不超过30岁，其中Josephson只有22岁，还在读博士研究生。第四次就是铜氧化物超导体，非常规超导体的突破，超导从一个液氦温区跳到了液氮温区以上。第五次是2003年，授予了第二类超导体的唯象理论，为什么授予这两个诺贝尔奖？其他的我想都很清楚，这个超导隧道效应和第二类超导体的唯象理论等下我还会介绍。

超导大概就是这样一个现状，那么超导为什么这么热？因为超导刚才讲过，我也演示了一个视频给大家看，它有两个特征。（其中一点）它是零电阻的。你像我们现在灯泡发热，手机充一次电用一天两天，笔记本都要用电，因为这个材料里面有电阻，所以他有很多无谓的能量损耗。现在能源很重要，如果现在能源不需要损耗多好？超导材料可以做到这一点，因为它是零电阻。也就是说我通一个电流的话，这个超导线圈不会发热，它的电流一直在里面流动，因为它没有电阻，它没有焦耳热的产生。

所以它有很大的应用，但它的应用里面基于这两次（发现），一次就是60年代Josephson和Giaever发现了超导的隧穿效应，这个超导的隧穿效应揭示了超导的机制，也体现了它的量子特性，这是第一点。第二点是它是现在超导电子学应用的基础，我们有个超导电子学，现在我们半导体器件里面的很多器件，超导体都可以实现，等一下我会介绍。第二个基于应用的发现，就是这两个科学家的超导体的唯象理论，第二类超导体可以作为强电应用，刚才我讲了零电阻，当然你可以载流啊，载流的话没有消耗啊，但是在这个里面载流的过程中有很多重要的物理问题，并不是真正我们想要零电阻，马上就载流，什么都可以做，不是的。

超导的应用有三个方面，这是做了第一个实验，就是我们把超导做成一个线圈，通引电流，然后监测它的电流，就在这个线圈里面，发现它可以十万年这个电流不会衰减，就真正的没有电阻。第二件事情超导的应用有三个物理指标，一个就是它的Tc，我们叫临界温度。第二个就是临界磁场，超导体放在一定的磁场里面，它这个超导态也会被破坏，不能高于这个磁场，所以这是另外一个物理量。第三个你的超导线圈无阻的话，你通的电流密度不能超过一定的值，超过一定的值它也会破坏，所以真正的应用要考虑这三个物理（指标）。

这三个物理（指标）里面，刚才讲的强电应用，就要用到Ginzburg和阿布里科索夫他们的第二类超导体的工作。我们来看看它有什么用？超导技术简直神奇，它是无所不包，它可以作为军工武器装备、信息技术、科学探索、工业加工、超导电力、生物医学、海洋、交通运输、航天航空，几乎好像哪个领域都可以用。我们现在来介绍一下，在有些领域的应用。

第一个超导可以作为弱电应用，就是在电流不太大的、功率很小的情况下的应用，像我们的手机、笔记本，这种应用我们把它称为弱电应用。因为弱电应用里面，第一个因为它的弱电应用里面，它跟材料的性质无关，它用的就是Josephson效应的量子效应现象，它跟环境没有关系，它跟结没有关系，所以它的精度很高。所以Josephson效应是一个量子效应，所以我们知道我们现在手机电，我们所有的东西，每个国家对这个电压，国际上有一个统一的基准。我们讲2.5伏，假如你这个功率是多少？那么我们讲1.5伏，国际上有一个统一的标准，中国的1.5伏和欧洲的1.5伏差距很大，你一插上就烧了，所以就是国际上有一个标准化。

这个标准化非常重要，原来的标准化都是基于化学电磁基准，那么化学电磁基准就有很多不确定因素，但是无论如何我们以前是用这种手段。但在1962年Josephson他们发现Josephson效应以后，因为这是一个量子效应，它的量子效应的基准，从上面这个公式可以看出，只跟它的电荷以及普朗克常数有关，这两个是物理常数，物理常数是不变的，所以它不受任何情况下的影响，用这个来定标，定它的压力。这里f是一个常数，所以就用这个定标，现在电压的定标全是用超导的Josephson效应来定标。

第二个超导一定基于Josephson的效应，有一种叫做超导量子干涉器或者干涉仪，这个方法现在对磁有很高的响应，因为它有完全抗磁性，响应的灵敏度可以达到地磁场（的几十亿分之一），我们讲地球是有磁场的，灵敏度极高。所以基于这样，我们就可以做很多应用，为人类的应用，我们现在医院里面的心磁图、脑磁图，都是基于超导的SQUID的方法来探测，因为人是一个生物体，生物体里面是有磁性的，它的脑磁图、心磁图可以反映你的成像，反映你的健康状况。这个的话，当然灵敏度非常高，所以SQUID就是医院里面用的一种方法，大家可能有些去医院可以了解到心磁图、脑磁图。那么这样的话，你看这个是科学院，科学院物理所在中日友好医院，包括我们上海微系统所和几个医院都合作做这个脑磁图，所以在这种探测里面，只有SQUID可以做到这一点。这是另外一个应用，这也是一个弱电应用。

利用SQUID在工业探测中当然也可以探测到地磁场的几十亿分之一，我们祖国地大物博，但是我们对我们国家的战略资源，就是地底下到底有多少资源不是很清楚。从战略上来讲，我们国家应该把这些搞清楚，但我们国家原来做得不是很好，我这里列了很多国家，最厉害的是俄罗斯，俄罗斯把地底下一万两千多米的矿藏储备都探测得非常清楚，在我们国家最浅，只有500米的探测。也就是现在我们就可以用这个SQUID，因为它的灵敏都很高，底下的矿产不一样，它的磁的响应不一样，所以在大量探测。这个图就是北京大学他们做的SQUID探测，在做大地测量，现在上海微系统所这方面做的不错，现在就用飞机（搭载）SQUID的方法来探测，现在进步也很大。因为这对我们国家的战备和战略资源弄清楚，这个是非常有意义的。

我们再讲一个超导滤波器，我们刚刚讲过，几乎半导体器件的所有器件我们都可以用（超导体实现）。超导滤波器建起来以后，清华大学在北京大钟寺建了这种示范区，它的功耗比较少，它的灵敏度很高，它的抗干扰能力很强，所以在很多方面有用。所以在这个小区里面的，超导基站里面的信号就比别的地方好的多，但是由于保密的原因，军方在这方面用的非常多。就是有些抗干扰，包括现在电子，就看你发出的电子对别人的影响多高，对你的器件稳定性多好，现在我们军方在这个方面很多都是用的超导滤波器，还有我们现在的陀螺，也是用的超导。你如果是用的超导或是常规的滤波器，在军方的雷达基站里面，你如果是超导的，就可以测得出来。如果是人家一发电子站的话，马上我们就会清楚，所以在这方面的应用非常高，因为它的抗干扰能力强、灵敏度极高。

这里讲的是弱电应用，还有强电的应用。强电应用就很多，第一个它跟能源有关的应用、跟交通有关的应用、跟生物医学有关的应用。我分别给大家介绍一下，第一就是核磁共振和成像，这个在医院也广泛存在。这个为什么在医院对生命科学和人体健康的广泛应用？因为核磁共振和磁共振成像，是确定分子结构和组织成像最有效的手段，它的信号完全正比于磁场的强度，它的灵敏度也正比于磁场的强度，就是磁场的均一性、稳定性和它的谱图的分布（密切相关），所以无论在科学研究方面，还是医学上人类探测服务方面，磁场的均一性、稳定性非常的重要。而超导磁体可以提供非常强、非常稳定的磁场，现在要达到均一性的磁场，强度最高的磁体，都是超导提供的，所以你们在医院看到的，全部都是用超导的磁体，所以在这方面的应用非常大。

还有在科学方面，现在人类能源很紧张，但是对于我们物理学家来讲，根本解决能源的方法就是两条途径。第一个途径就是可控核聚变，就是我们现在讲的人造太阳。现在我们国家也这样，国际上有个“ITER”计划，在我们合肥(等离子所)有个“托卡马克”，也称人造太阳，就是模拟太阳里的核聚变。既然是核聚变，它的温度非常高，我们太阳表面的温度就六千度，我们在实验室做的话，就是上亿的温度。那么上亿的温度，你什么东西可以把它局域在这个地方？材料肯定不行。只有经过磁场，并且要有强的磁场，这个磁场就是超导磁体来提供。所以这个就是一个“托卡马克”的示意图，所以它里面有很多磁体。仅他的环形磁体系统超导线的长度就达到15万公里，所以“托卡马克”里面用的成本，如果他投资十个亿，60%全部都用在超导线上。

另外一个应用在科学仪器上面就是加速器，加速器是西欧合资的研究中心，它们大型强子的对撞机，里面有多少磁体，总共的大型磁体有1700多个，还有各种各样的小型磁体。其中所有的超导磁体1200吨，现在我们国内大家可能关心科学，在座的嘉宾都是对科学的铁粉，我们国内现在有一个争论，就是高能所的王贻芳院士就说我们国内要建大型的超级对撞机，杨振宁先生就说我们现在不应该建，反正就是国力各方面的考虑。实际上建不建我们不敢做确定，但是建的成本是非常高，因为里面要用大量的超导磁体。大量的超导磁体，现在他们要建的话，因为我跟王贻芳讨论过，我们也有一个项目，就是应用超导磁体，他们要把现有超导磁体的成本性能提高一个量级，成本降低一个量级，才是现在报价，如果达不到这一点，是天价。

还有就是超导电动飞机，这是美国NASA2017年的一个计划，就是这个飞机，发动机用的是超导涡轮发动机和超导电机，这是个原形。如果用超导替代的话，稳定性比较好、噪音比较小，他的环境也是友好的，所以在这方面有很大的应用。

这是另外一个，我们知道现在的舰船的动力，通常的动力都是用电推进的；那么电推进，我们一般的就是铜线的线圈，那么现在美国主要的发展超导的，AMSC公司，为海军作了3.6MW的舰船推动，你看上面这个是常规的，这个小的是超导的，是3.5MW的，上面那个功率是21MW的，它的功率只有它的50%，它的体积是它的好几倍。三台36.5MW的就可以推进一个航母，现在据说美国最近在造超导电机核潜艇，因为它的噪声小，它的速度每小时可以有110节（1节=1.852公里/小时），我们国家核潜艇最好的是094级，如果它们的速度，就相当于097级，所以军方在这方面就是从原理能不能做到这一点，这方面的应用也是非常大的，它的噪音又小。潜艇的隐蔽性当然是非常重要。所以在这方面，实际上超导也有很大的应用。

另外一个就是磁悬浮，刚才我们已经演示过一个实验，那就是磁悬浮，磁悬浮在任何情况下都有一个稳恒态，在这种情况下理论上来讲，超导本身的磁悬浮是没有安全性的问题。倾斜一个角度、拉高一个角度，把它倒过来都是平稳运行，当然速度那么快，安全是第一的。现在日本有一个计划，他们到2017年做的模型已经达到600公里每小时，我们国家在这方面也在做研究。所以这个对于超导来讲，理论上安全性问题不存在，所以它的稳定性、安全性（很好）然后速度（高），当然现在主要是成本（问题）。

还有在美国，我们知道美国有东部电网、西部电网和德克萨斯电网，记得有一年美国电网就是东部电网有一个大停电，损失巨大。之后就想把三大电网连起来，我们知道美国用电是世界上第一号国家，他们电网的容量太大了，如果要把三个连起来，没有一个很好很强的变电站是不可能的，所以他们已经2014年开始做，就是用超导，这个只有超导可以做得到这一点。

在座的嘉宾朋友肯定会问，你在上面讲了那么多，超导好像无所不能，超导好像什么都能做，那么为什么不能广泛地应用于更大范围？超导在民用中广泛应用的话，唯一问题就是成本。比如要建超级超导对撞机，如果你不计成本的话，我们可以建，但是你要考虑成本，那你做科学研究，军方在极端条件下做科学研究方面，你可能可以做，但是民用化任何的企业家一定要考虑成本。所以现在超导没有广泛应用的原因，就是在超导材料，它的成本太高。所以在商用化方面受到了极大的限制，超导是上个世纪六十年代，在Josephson效应跟第二类超导体理论建立以后，就知道超导的应用应该是很快，但同期发展的激光就在们生活中，得到了广泛应用，但我们超导受到限制。

基于这个原因，科学家们一直在想把刚才讲的三个指标，一个是超导温度、一个临界电流还有一个临界磁场，找到适合于广泛应用的材料，这是我们超导界的科学家一直在工作的，所以一直想实现室温超导，这里我们探索了很多超导材料。正由于这样，这个是去年的时候，这是德国科学家在高压上面把超导温度已经提高到了200K，这个领域非常高了，但是遗憾都是在高压的情况下，但是告诉我们一个事情，200K跟300K，300K就是室温的温度，那么300K和200K在物理上没有本质的区别，这是一个量级，所以室温超导体的发现是可能的，这也给我们信心。

正因为这样，我们国家的科学家们也在这方面做了很多事情，在2008年的时候，日本科学家发现了这样一个体系的超导体，当时26K，BCS理论预言的温度是40K，他们26K有可能是常规超导体。所以是不是非常规超导体，非常规超导体有两点，它在物理上，因为机理还没解决，多发现一个非常规超导体大家是感兴趣的，再一个非常规超导体又不受BCS理论温度的限制。

所以大家一直在找。对于这个材料大家一定会问，是不是一个非常规超导体，是不是一个高温超导体，当然也是像二十几K、三十几K的超导体，我这列了很多，但这些超导体全都不是非常规超导体，也就是日本人发现以后，并不意味着这是非常规超导体，并不意味着可以突破麦克米兰极限。后来我们的科学家包括我们的实验室，在这样的材料体系里面，在铁基超导体里面，突破了超导的转变温度43K，就证明这是个非常规超导体，他的超导温度是不受这个限制。当然另外一个，这个材料体系对于非常规超导机理不清楚的情况下，提供了另外一个材料平台的研究，他的物理机理。所以这个材料非常重要，所以我们国家的科学家，这是物理所的赵忠贤院士，他们就把温度提高到了55K，现在目前铁基超导体公认的温度，承认的温度这是最高了。

基于这样的原因，我们国家的科学家在铁基做得很好的情况下，在国际上突破了麦克米兰极限，发现了一个新的家族，确认了非常规性，所以我们超导这个团队，也得到国家自然科学一等奖。2015年，就是在国际上的超导机理和材料会议上面，我本人和赵忠贤老师还有美国UC-Irvine的Zachary Fisk一起得了一个Matthias奖。超导领域有三个最重要的奖，一个是材料的Matthias奖，一个物理的Kamerlingh Onnes奖，还有一个理论的巴金奖，Kamerlingh Onnes就是发现超导之父。

超导到目前为止，给我们提供了一些什么东西？铁基超导的发现，推动了我们物理的发展。因为铁基超导也是一个多轨道的关联电子体系，所以在物理上对于理解巡游和局域、还有自旋密度波和轨道等凝聚态物理等发生了推动。另外一个从超导本身来讲，他为潜在的重大应用提供了新的材料体系。铁基超导体有很强的金属性，有非常高的临界磁场，所以他的材料工艺加工相对简单。尽管它的超导温度跟铜氧化物超导体还要低，但铜氧化物超导体在应用方面有着很大的不一样，他的各向异性特别强，他的相干长度比较短，另外一个铜基超导体的话还是陶瓷，因为是氧化物陶瓷，所以加工成本特别高，所以那样目前为止还没得到广泛应用。但我们认为铁基有很大的应用前景，特别是在做磁体，做成像这些方面，强电的应用有很大的前景。我们随便举一个例子，铁锡锑这个材料，在4.2K的情况下，可以达到30特斯拉。在30特斯拉的情况下，还可以有一乘以十的五次方安培每平方厘米的临界电流密度，所以这个我们国家正在加紧做这个事情，如果对于我们在强电应用方面，看能不能有所突破？

我再最后讲讲超导研究的一个展望，超导到目前为止有两大问题，没有解决。从上个世纪1911年发现，到现在是2017年了，整整快110年。经过这么长的时间，为什么超导还这么热？原因有两点，我们的非常规超导体包括铜氧化物超导体和铁基超导体的机理从物理上还没解决。第二个更为重要的，就是我们想发现更适于应用或更高临界温度的超导材料，然后能够提供给社会、提供给大众，给我们带来更多的便利，在生产生活各方面提供方便。

所以超导科学家普遍认为，这两个挑战都是一个诺贝尔奖。但是这里面的核心关键，就是新的超导材料的发现。所以我们一直梦想的就是室温超导体的发现。我们一直在努力，我们讲过现在有200K的超导，所以300K的室温并不是不可能，但是我们现在室温超导体的美妙之处，我们只在《阿凡达》的电影里面见过。可能在座的有些嘉宾来宾可能看过阿凡达的电影，为什么我们人类要到那样的地方侵占骚扰别人的生活，那里面所有的矿石全部都是飞着的，那些都是室温超导体。

我们知道人类的发展可以用材料来划分，我们人类初期的时候是石器时期，过渡到了青铜器时期、铜器时期，再到后面铁器时期，我们现在的生活离不开硅，是硅器时期。我们所有用于通讯的材料都是硅，所以我们跟美国科学家，就是每年中国科学家和美国能源部的科学家们有一个在美研讨，认为室温超导体的实现，可以改变人类的生活，给人类带来各种各样的改变，认为下一个可以在人类生活中发挥主要作用的潜在材料，也许就是室温超导体，我的报告就到这里，谢谢大家！

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