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范江弟

北京美爾斯通科技發展股份有限公司

佳迪達超導研究院

室溫超導探索

第一篇.超導的三大特性及研究現狀

第二篇. 超導機理和BCS理論

第三篇. FM理論成果對室溫超導探索的作用

第四篇. FM理論的基礎和物理模型

第五篇.大氣壓下室溫超導是否可期？

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在探索前沿科學的道路上，準確理解基礎概念是深入研究的基石。對于超導領域而言，相關名詞的清晰界定尤為重要。“超導” 是一個多義詞，它既可以指 “超導電性”，經常也被稱為“超導性”（Superconductivity），也能用來描述具備這種特性的 “超導體” (Superconductor) 或 “超導材料”（Superconducting material）。

超導電性，直觀地說，是指某些材料在特定溫度下電阻突然消失，電流能夠毫無損耗地通過的現象。這里所說的特定溫度就稱之為超導臨界溫度。當科學家說發現了一種新的超導材料時，便是在強調這種材料具有超導電性。

在溫度的表述上，科學界常用開爾文（K）作為單位。人們常說的 “室溫”，在科學語境中對應 300K ，而我們熟悉的攝氏零度，換算成開爾文溫度則是 273K。這種溫度計量方式在超導研究中意義重大，因為超導現象的發生與溫度緊密相關。

基于臨界溫度的不同，超導材料又分為 “低溫超導”或“高溫超導”。低溫超導，有時也被人稱之為常規超導或傳統超導，通常是指金屬和合金等導體材料，需要在低到攝氏-250℃以下，才能展現出超導電性；而高溫超導是指達到 77K（即液氮氣化溫度）以上，就能實現超導狀態。這里的 “高溫” 是相對低溫超導所需的極低溫而言，實際上 77K（約 -196℃）對于日常生活來說，依然是難以想象的低溫環境。

至于室溫超導，也稱之為常溫超導正是人們追求的目標。這些年來，時有關于超高壓下的室溫超導的報道，結果都是曇花一現、不了了之，人們不知何故往往懷疑報道人作弊，這個問題后面再進行闡述。退一步說，即使發現了穩定的超高壓下的超導材料只有科學價值，毫無實際用途。

與普通導體相比，超導材料具有三大顯著特性：零電阻特性、抗磁性（邁斯納效應）和約瑟夫森效應。這些獨特性質不僅蘊含著深刻的物理內涵，更孕育著巨大的應用潛力。

零電阻特性

零電阻特性是超導材料最直觀的特性，也是其產生巨大經濟價值的核心所在。目前，中國、美國、德國和日本等國家都已建成超導輸電試驗線路。然而，受限于高昂的成本，超導輸電技術尚未在電力行業大規模推廣。盡管如此，憑借其近乎零損耗的電能傳輸優勢，超導輸電在未來取代傳統高壓輸電線路的前景依然值得期待。

圖：超導電纜終端

抗磁性

抗磁性，即邁斯納效應，它指的是當超導體處于外磁場中的時候，把磁場排斥在外，因此，超導體內無磁場。

最為人熟知的應用領域當屬超導磁懸浮列車。在這一技術領域，中國始終走在世界前列。早在本世紀元年，西南交通大學王家素和王素玉教授團隊便成功研制出世界首臺高溫超導磁懸浮樣車 “世紀號”。2023 年，該校聯合中車唐山機車車輛有限公司等單位，在校園內建成高溫超導磁懸浮工程車線路。2014年，巴西里約熱內盧聯邦大學斯蒂芬（Richard Stephan）教授團隊在校園內建成一段200公尺長的短程超導磁懸浮線路。期間，世界若干國家也相繼報道建成超導磁懸浮試驗段。

值得一提的是，日本早在 1987 年就已建成低溫超導磁懸浮線路。目前，航天科工集團正在山西大同建設高溫超導磁懸浮試驗段，不過需要注意的是，這兩種磁懸浮列車的懸浮原理本質上基于電磁感應，超導材料主要用于制作車載強磁體與軌道線圈相互感應產生向上的浮力，并維持車體穩定運行，這與西南交通大學的高溫超導磁懸浮列車懸浮原理有所不同，后者是典型的由抗磁性把車體浮起來，而且由于高溫超導塊材在外磁場中特有的所謂釘扎力，而使得車體平穩運行無需特殊控制。

未來高溫超導高速磁浮列車效果圖

約瑟夫森效應

超導材料的第三大特性 —— 約瑟夫森效應。當兩塊超導材料之間釋放一塊薄薄的絕緣體，超導中的電子可以穿過絕緣體從一端跑到另一端，這是超導體量子效應的表現。其典型應用是通過約瑟夫森結（Josephson junction）制備超導量子干涉儀（SQUID）。這種精密儀器能夠探測極其微弱的磁場變化，在地質勘探、工業檢測以及醫療設備等領域均有重要應用。

以北京美爾斯通公司利用SQUID開發出的超導心磁圖儀為例，經過多年臨床驗證，該設備已通過國家鑒定，正式進入量產階段，為心臟疾病的早期診斷提供了全新的技術手段。

圖：超導心磁圖儀

除了上述三大特性的應用外，超導在強電和弱電領域同樣展現出極為廣闊的應用前景。

強電應用領域

在強電應用方面，諸多創新成果不斷涌現。高溫超導軸承、高溫超導飛輪儲能裝置，以及超導變壓器、超導限流器和超導儲能等設備，均已成功研制出樣品。其中，中科院電工所憑借深厚的技術積累，走在該領域前沿，成功研發出一系列高溫超導強磁應用產品。該所王秋良院士領導的團隊建成了世界上最強的超導磁體，其強度達到32特斯拉以上。

超導材料零電阻的特性，使其能夠承載高達數萬安培甚至更高的電流密度，進而產生強大磁場。這一特性在 “人造太陽”所需的托卡馬克裝置中發揮著關鍵作用。托卡馬克即是磁約束真空環，需要強大電流產生磁約束，將上億度高溫的等離子體限制在有限空間內，以實現可控核聚變反應。中科院等離子研究所（合肥）在該領域的研究成果斐然，已躋身世界領先行列。在中國核能和平利用的布局中，可控核聚變被視為極具潛力的發展方向。我國自 1958 年便開啟相關研究，如今西南核物理研究院持續推動可控核聚變研發進程。

在高能物理加速器建設中，超導材料同樣不可或缺。無論是高溫超導還是低溫超導材料制成的強磁體，都是加速器的核心部件。北京高能所朱自安教授在此領域貢獻卓越，不僅推動了高能物理研究，還助力山東濰坊開發出中國第一臺低溫超導強磁分離選礦機。

在軍事與通訊領域，超導技術同樣扮演著關鍵角色，從武器裝備到通訊系統均有涉及。盡管其軍事應用因技術敏感性不便詳述，但不可否認的是，超導技術正持續為國防科技發展注入強大動力。

超導材料的研究現狀

本文僅對超導的基本特性及應用現狀進行了簡要概述，不僅對國外相關情況談及甚少，國內眾多重要的開發成果及做出杰出貢獻的科技工作者也篇幅有限，未能提及。此外，超導微觀機制即室溫超導探索這一重大議題，才是本文真正想要深入探討的核心內容。后續，我們將通過幾篇短文逐步展開論述，感興趣的讀者敬請關注后續陸續發布的文章。