回眸 | 走进超导国家重点实验室，一起回顾中国在超导领域的研究历程

1991年2月26日，国家超导实验室在中国科学院物理研究所正式建成，后改为超导国家重点实验室。

走进超导国家重点实验室（视频来源：科普中国-科技前沿大师谈）

超导国家重点实验室位于中国科学院物理研究所内，是我国超导研究的重要基地，一直致力于新型超导材料的探索研究。在科技飞速发展的今天，超导材料正无声无息地改变着我们的生活。今天，让我们一起回顾中国在超导领域的发展历程。

超导国家重点实验室建成

超导体，是20世纪最伟大的科学发现之一。当某些材料在温度降低到一定数值时，电阻会突然消失，具备这种特性的材料被称为超导体，它在信息通讯、生物医学、航空航天等领域都有着巨大的应用潜力。

如今，超导体的种类已经覆盖各种金属、合金、非金属化合物、氧化物，乃至有机物等多种物质形态。随着诸多新型超导体的不断涌现，超导研究领域高潮迭起，人类对超导的不断深入认识也极大地推进了现代基础物理的前沿研究。

1987年，为了适应国际超导研究的迅速发展，赵忠贤与其他科学家联名向国务院建议成立国家超导研究开发中心和国家超导实验室，同年国家计委批准在中国科学院物理研究所建立国家超导实验室。1988年开始筹建，1991年4月通过验收，列入国家重点实验室管理系列，并正式面向国内外开放。

超导国家重点实验室的研究方向涵盖了超导体研究的各个方面，即新超导体的探索，高温超导机理和相关物理研究，薄膜制备以及超导薄膜器件应用研究等。自 实验室建立之日起，就贯彻开放、流动、联合的方针，不断在探索新的高温超导体、高温超导机理研究、超导器件研制、计量标准等方面做出了突出贡献。现在我国对超导体的研究已走在了世界的前列，研究室在国际上也变得更有声望，成为了国际国内超导研究学术合作与交流的重要窗口。

中国在超导领域的研究

新中国成立之初，我国科研条件较为落后，彼时国内几乎没有与超导相关的研究。直至20世纪80年代，在高温超导领域才有了液氮温区的突破。

突破液氮温区的高温超导

1986年，德国物理学家贝德诺尔茨（Bednorz）和瑞士物理学家穆勒（Müller）发现铜氧化物陶瓷材料在较高温度下出现了超导现象。随后在1987年2月19日深夜，中国科学院物理所赵忠贤院士团队在钇钡铜氧化物（YBaCuO）中发现了转变温度93K的液氮温区超导体！同年2月24日，中国科学院数理学部举行新闻发布会，宣布了这一发现并在世界上首次公布了突破液氮温区超导体的元素组成。

赵忠贤院士

第二波热潮：铁基超导

2008年，中国在高温超导领域有了重大突破。赵忠贤院士带领团队将铁基超导体的临界温度提高到了55K，推动中国高温超导研究走在世界最前沿。

铁基超导最初是由日本科学家发现的，然而中国科学家实现了快速赶超。自此，很多新的铁基超导材料、包括超导机理方面的物性研究，均由中国科学家率先开展。直至今日，中国在超导基础研究领域，即材料和机理方面，都处在全球前列。在应用方面，中国科学家做出了全球第一根百米级铁基超导的线材，走向了实用化道路。

界面高温超导

2012年，清华大学薛其坤团队使用分子束外延生长技术在SrTiO3上成功制备了单分子层FeSe薄膜，并在谱学上观测到65K以上的超导转变。该研究开辟了用分子束外延生长构建界面超导的新方向。

铜氧化物超导体相图和结构（图源：Nature）

超导的应用

为什么科学家们执着地寻找不同的超导体材料？为什么超导体的临界温度被“刷新”得一高再高？甚至，超导科学家们有一个终极梦想，那就是发现室温超导（温度在300K，也即27 ℃左右）！

原因就在于它的需求与应用前景无限广阔。

超导量子干涉仪

利用超导体间夹绝缘体的方式可制成约瑟夫森结。当中间的绝缘体足够薄时，超导电子就能够从其中穿过，形成隧穿电流。隧穿电流对磁场极为敏感，两个超导约瑟夫森结形成的环路可制成超导量子干涉仪（SQUID），完成精密的磁场测量。SQUID的精度可达地磁场的几亿分之一。超导约瑟夫森结制成的超导元件，也是超导量子计算的基础。

超导磁体、核磁共振仪

超导无衰减、不发热的特点使得利用超导线圈能够产生稳定的高强度磁场，这对基础物理研究及核磁共振仪等应用都有重要意义。医院中磁场强度在1.0T以上的核磁共振仪普遍采用超导磁体产生磁场的方式。

超导线材和超导电子器件

超导线材在输电过程中没有发热损耗，可解决未来能源问题。利用超导材料制成的超导滤波器能够提高通讯质量，减少噪声影响，对远距离通讯和遥感等有重要意义。

超导材料应用的困难

目前超导材料的大规模应用仍停留在设想中，其实际应用面临着种种困难。对于金属类超导材料，它们大都需要在液氦温区才能够进入超导态。这样严苛的低温条件使得这类材料很难大规模应用。如医院中核磁共振仪需依靠液氦维持低温，费用高昂。

对高温超导体系，其应用主要受限于可延展性差及临界电流、临界磁场小。目前制备的铜氧化物超导体一般都是小碎片和小结晶的状态，力学性能较差。铜氧化物超导体的制备须严格控制其氧含量，还需要考虑到超导的各向异性等问题。另外，当超导体中的电流或外磁场超过临界值时，超导会被破坏。较小的临界电流和临界磁场限制了超导材料的性能。

铁基超导体相比铜氧化物超导体有一定的优势。铁基超导体的各向异性更小，制备更容易，延展性更好，同时也具有更高的临界电流和临界磁场，但铁基超导体系的超导转变温度基本没能突破液氮温区，限制了其应用。

超导的应用（a）托卡马克全超导热核聚变反应堆（b）超导量子计算（图源：中国科学院合肥大科学中心＆Nat Commun）

未来，超导的大规模应用将带来新的技术革命，改变我们生活的方方面面。除以上介绍的之外，超导量子计算、基于超导磁约束的可控核聚变等将在能源、军事、通讯、国家安全等领域发挥重要作用。

来源：超导国家重点实验室官网

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