不久前，我國(guó)科(kē)學家在鐵基超導體(tǐ)統一相(xiàng)圖研究上取得(de)進展，人(rén)們對鐵基超導的物理(lǐ)特性認識更進一步。而在3年(nián)前，中科(kē)院物理(lǐ)所和中國(guó)科(kē)技大(dà)學的研究團隊以在鐵基超導研究上的突破，獲得(de)國(guó)家自(zì)然科(kē)學一等獎，結束了該獎項連續3年(nián)的空缺。超導爲何如(rú)此重要？

　　如(rú)果采用超導輸電線，我國(guó)每年(nián)節省的電量相(xiàng)當于數十個發電廠(chǎng)的發電量

　　把材料置于零下兩三百攝氏度的溫度下，将會怎樣？超導材料的表現是：電阻突然消失了。這可(kě)不是簡單的變化，零電阻的超導體(tǐ)被認爲有望給電力工業帶來(lái)革新。

　　日(rì)常生(shēng)活中，電器、電線會發熱(rè)，是因爲電流和電器、電線發生(shēng)了“摩擦”，這種“摩擦”就(jiù)是電阻的來(lái)源，電阻産生(shēng)的熱(rè)量實際是電能浪費。事(shì)實上，電在從(cóng)發電廠(chǎng)“趕往”工廠(chǎng)、住宅、學校(xiào)的路(lù)上，就(jiù)已經被輸電線的電阻消耗了不少。

　　專家介紹，因爲電阻爲零，超導材料在傳輸電的過程中就(jiù)沒有損耗。此外，采用超導輸電還(hái)能簡化變壓器、電動機(jī)和發電機(jī)等熱(rè)絕緣，并保證輸電的穩定性，提高輸電的安全性。

　　有專家測算，目前采用銅或鋁導線的輸電損耗約爲15%，我國(guó)每年(nián)的輸電損耗就(jiù)達1000億度左右；如(rú)果采用超導輸電線，每年(nián)節省的電量相(xiàng)當于數十個發電廠(chǎng)的發電量。

　　超導材料另一個特性是完全抗磁性，即超導體(tǐ)一旦進入超導态，就(jiù)如(rú)同練就(jiù)了“金鍾罩、鐵布衫”一樣。這是因爲超導體(tǐ)在靠近磁場時會在其表面感應出超導電流，這個超導電流會在超導體(tǐ)内部産生(shēng)一個與外磁場方向相(xiàng)反大(dà)小相(xiàng)等的磁場，外界磁場根本進不去(qù)，兩種磁場相(xiàng)互抵消，從(cóng)而體(tǐ)内的磁感應強度爲零。

　　專家表示，無論是先置入外磁場中後降溫到超導态，還(hái)是先降溫到超導态再放(fàng)入外磁場中，外磁場的磁力線都(dōu)無法穿透到超導體(tǐ)内部。超導磁體(tǐ)具有體(tǐ)積小、穩定度高、耗能少等多種優勢，因此臨床上采用的高分(fēn)辨核磁共振成像技術(shù)，很多依靠的是超導磁體(tǐ)。

　　抗磁性還(hái)讓超導體(tǐ)能在交通領域大(dà)展身(shēn)手。由于磁力線幾乎無法進入超導體(tǐ)的體(tǐ)内，将超導體(tǐ)置于普通磁體(tǐ)産生(shēng)的磁場中時，會達到懸浮的效果，高速超導磁懸浮列車設想應用的正是這一原理(lǐ)。超導磁懸浮列車将爲人(rén)們提供更高速、穩定和安全的軌道運輸。

　　超導大(dà)規模應用的難點是，缺乏适合應用的、臨界溫度更高的超導體(tǐ)。1911年(nián)，荷蘭物理(lǐ)學家昂内斯等人(rén)測量金屬汞的電阻時，驚奇地發現溫度降至極低後，汞的電阻突然消失。金屬汞也成爲人(rén)類發現的第一個超導體(tǐ)。

　　不過，汞要冷(lěng)卻到4.2K(0K等于零下273攝氏度，4.2K約爲零下269攝氏度)才有超導現象。這是一個極低的溫度，需要依靠昂貴的液氮來(lái)維持，推廣應用幾乎不可(kě)能。因此，從(cóng)超導現象發現第一天起，科(kē)學家一直在尋找有應用價值的高溫超導體(tǐ)。

　　在鐵基高溫超導體(tǐ)基礎研究上，我國(guó)處于世界前列

　　超導研究在科(kē)學上的重要性及其巨大(dà)的應用前景，吸引了許多科(kē)學家的目光(guāng)。超導研究百年(nián)曆史上，有10人(rén)獲得(de)諾貝爾獎。

　　1968年(nián)，物理(lǐ)學家麥克米蘭根據傳統理(lǐ)論計(jì)算推斷，超導體(tǐ)的轉變溫度一般不能超過40K(約零下233攝氏度)，這個溫度也被稱爲麥克米蘭極限溫度。

　　人(rén)類對超導的應用是否隻能被限制在40K以下？40K的極限溫度能否被突破？爲了探索這個問(wèn)題，科(kē)學家們做了無數次嘗試。1986年(nián)，兩名歐洲科(kē)學家發現以銅爲關鍵超導元素的銅氧化物超導體(tǐ)。銅基超導成爲高溫超導家族中的一員(yuán)，在很長一段時間内成爲科(kē)學家的主要研究方向。

　　我國(guó)科(kē)學家在銅基超導研究上也做出了重要貢獻。比如(rú)，1987年(nián)初，中科(kē)院物理(lǐ)所團隊在鋇—钇—銅—氧中發現了臨界溫度93K(約零下180攝氏度)的液氮溫區超導體(tǐ)，并在世界上首次公布了元素組成，刮起了一陣研究液氮溫區超導體(tǐ)的旋風(fēng)。

　　經過科(kē)學家的努力，雖然銅基高溫超導材料的質量和性能不斷提高，但(dàn)它有兩個緻命的缺陷。第一，作(zuò)爲一種金屬陶瓷材料，它在柔韌性和延展性上遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如(rú)金屬材料，加工工藝也嚴苛，在材料機(jī)械加工等方面存在巨大(dà)的困難；第二，它可(kě)以負載的最大(dà)電流相(xiàng)對較低，無法在一些需要高電流強磁場的領域應用。

　　鐵元素作(zuò)爲典型的磁性元素，曾一度被認爲是探索高溫超導體(tǐ)的禁區。2008年(nián)3月，日(rì)本的一位科(kē)學家無意中發現了鐵基高溫超導材料。但(dàn)由于日(rì)本科(kē)學家最早發現的鐵基超導樣品轉變溫度隻有26K(約零下247攝氏度)——因爲沒有突破麥克米蘭極限溫度，還(hái)不能确定是鐵基高溫超導體(tǐ)。

　　随後不久，我國(guó)科(kē)學家發現了臨界溫度超過40K的鐵基超導體(tǐ)，突破了麥克米蘭極限溫度，證明鐵基超導材料是繼銅氧化物超導體(tǐ)之後的新型高溫超導材料。其中，中國(guó)科(kē)學院院士趙忠賢領導的研究小組利用高壓合成技術(shù)高效地制備了一大(dà)批不同元素構成的鐵基超導材料，轉變溫度很多達到50K(約零下223攝氏度)以上，并創造了55K(約零下218攝氏度)的鐵基超導體(tǐ)轉變溫度紀錄。

　　我國(guó)科(kē)學家還(hái)對鐵基超導體(tǐ)若幹基本物理(lǐ)性質進行了深入研究，确認了它的非常規性。鐵基超導被确認爲新一類高溫超導體(tǐ)，引起了國(guó)際物理(lǐ)學界的極大(dà)關注，成爲科(kē)學家研究的熱(rè)點。鐵基超導材料也因其在交通運輸、醫學、國(guó)防等領域有廣泛的應用前景，被《科(kē)學》雜志稱爲是目前最具有發展前景的新型高溫超導體(tǐ)之一。

　　目前，我國(guó)科(kē)學家在鐵基高溫超導體(tǐ)基礎研究上處于世界前列。

　　我國(guó)已率先研制出首根百米量級鐵基超導長線

　　超導體(tǐ)要實現規模化的商業應用，将實驗室的優勢轉化爲産業優勢，還(hái)少不了工程方面的工作(zuò)。值得(de)欣慰的是，自(zì)2008年(nián)科(kē)學家發現鐵基超導體(tǐ)以來(lái)，我國(guó)在鐵基超導材料研究和制備上同樣做到了領跑。

　　研制鐵基超導線的技術(shù)難點是找到均勻、穩定、可(kě)重複性的制備方法。2008年(nián)，中科(kē)院電工所研究員(yuán)馬衍偉帶領團隊采用粉末裝管法，率先制備出世界首根鐵基超導線帶材。雖然其後驗證發現其傳輸電流爲零，說(shuō)明這根線材沒有太大(dà)意義，但(dàn)團隊由此找到了制備鐵基超導線材的路(lù)徑。

　　2010年(nián)，馬衍偉團隊首創鐵基超導前驅粉先位燒結工藝，爲線材載流性能顯著提升奠定了基礎；2011年(nián)，研究團隊解決鐵基超導體(tǐ)的弱連接問(wèn)題，提升了載流能力，并測得(de)其臨界傳輸電流達到180安培，相(xiàng)應臨界電流密度超過25000安培/平方厘米。

　　2012年(nián)，馬衍偉團隊進一步優化織構化鐵基超導帶材的制備工藝，大(dà)幅度提高了超導電流，其臨界電流密度在10特斯拉的強磁場下達到17000安培，證明了鐵基超導材料在強電應用上的巨大(dà)潛力。

　　米級的鐵基超導線性能不斷提高，但(dàn)鐵基超導材料要走向大(dà)規模應用，還(hái)要制備出高性能長線。

　　2015年(nián)，馬衍偉團隊成功研制出國(guó)際上第一根10米量級的高性能122型鐵基超導長線，實現了鐵基超導線帶材制備的新突破。不過，要達到實用級别，10米量級的鐵基超導線還(hái)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了規模化制備需求。

　　長線線材制備難點在哪裡(lǐ)？“線帶材越長，均勻性越難控制，這對超導線制備中的各項工藝技術(shù)都(dōu)提出了很高的要求。”馬衍偉說(shuō)。

　　2016年(nián)9月，馬衍偉團隊優化了設計(jì)和加工方案，成功研制國(guó)際上首根100米量級鐵基超導長線。經測試，該超導線載流性能表現良好，10特斯拉高磁場下的臨界電流密度超過12000安培/平方厘米，初步具備了應用的價值。

　　目前，世界上其他(tā)國(guó)家的鐵基超導線制備仍處于米級水平。專家表示，百米量級鐵基超導線的成功研制，表明我國(guó)已率先掌握了具有自(zì)主知識産權的鐵基超導長線制備技術(shù)，鞏固了我國(guó)在鐵基超導相(xiàng)關研究上的領先地位，有利于我國(guó)占領新型超導材料及其應用發展的制高點。