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超导:让电流“零阻力”奔驰的奇观(瞰前沿·@科学家)

来源:爱游戏平台下载    发布时间:2025-05-10 20:56:16
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  你猎奇科学将怎么改动日子吗?你对哪些科学问题感兴趣?本版今起开设“瞰前沿·@科学家”栏目,欢迎广大读者翻开脑洞、打开发问,咱们将约请科学家答复,一同探究科技新知。

  网友:最近看到一则新闻:国际热核聚变试验堆安排宣告已完结国际最大、最强的脉冲超导电磁系统统的悉数组件制作,其间直径9至25米的超导磁环由我国参加制作。我对“超导磁环”很猎奇,能否讲讲超导的原理是什么、有哪些使用?

  修改:这是一个很好的问题。超导,一种能让电流“零阻力”奔驰的“魔法资料”,正悄然刻画未来图景。可控核聚变、磁悬浮列车、量子计算机……探究前沿的阵地上,超导的身影无处不在。本期咱们约请到我国科学院院士、南边科技大学校长薛其坤,请他带咱们走进超导的“奇特国际”。

  从点亮灯泡到驱动高铁,电流的顺利活动是社会日子的命脉。但是,铜、铝等传统导电资料总伴跟着能量损耗,就像水管中的水流遭受冲突阻力。有没有一种资料能让电流“零阻力”奔驰?

  答案是超导资料——这个凝集人类百年才智的科学奇观,正在重塑动力与科技的地图。

  导电性是资料传输电流的才能,资料的电阻小,资料的导电才能就强,反之亦然。铜、银和铝等金属因内部自由电子活泼,成为电线、芯片出产的首要资料。但即使导电性最好的银,电阻也并非为零。电流流过期,因为电阻的存在,部分电能会以热量的方式耗散。据统计,全球每年因输电损耗的电量高达总发电量的5%—10%。

  跟着算力需求爆破式增加,电力需求也逐渐攀升,数据中心、超算中心的芯片发热已成为技能瓶颈。例如,传统半导体芯片中,约40%的电能转化为热量,既糟蹋动力,又需巨大的散热系统。怎么把这部分能量节省下来?超导技能是答案之一。

  1911年,荷兰物理学家卡末林—昂内斯发现,汞在零下269摄氏度时,电阻忽然消失,电流可永续活动而不衰减,他将这一现象命名为“超导电性”。超导体的零电阻特性,如同为电子铺设了一条无冲突的“高速公路”。

  这一特性已悄然改动日子。医院中的核磁共振成像仪便是经典事例:其中心的超导线圈通电后发生强磁场,用于人体成像。若用一般铜线圈,不只耗电量巨大,还需要继续供电制冷来抵消电阻发热,而超导线圈一旦通电,可永久坚持磁场,能耗近乎为零。

  更庞大的使用现已落地。广东深圳安全大厦于2021年启用了自主研制的三相同轴高温超导电缆,这是国际上初次将超导电缆使用于超大型城市中心区。这条电缆在零下196摄氏度的液氮维护天然环境下作业,电流承载量是平等粗细铜缆的5倍,输电损耗下降约80%。未来,城市电网若全面改用超导电缆,输电功率将跃升,停电事端或将大大削减。

  前期超导体需依托液氦(零下269摄氏度)坚持低温,本钱极高。1968年,科学家麦克米兰提出理论:传统超导体在常压下的临界温度不会超越40开尔文(约零下233摄氏度),这一“天花板”被称为“麦克米兰极限”。

  但是,1986年,铜基氧化物超导体的发现打破了这一预言,它能够在液氮温区(大于77 开尔文即零下196摄氏度)作业,使超导使用本钱下降许多。2008年,铁基超导体成为第二类打破“麦克米兰极限”的高温超导资料。

  本年2月,南边科技大学团队宣告最新科研打破:在常压环境下完成了镍氧化物薄膜超越“麦克米兰极限”(40开尔文以上)的超导电性,使镍基资料成为常压下继铜基、铁基之后的第三类高温超导资料系统。

  这项发表于《天然》杂志的打破性研讨,不只改写了超导资料宗族图谱,更是在镍基系统中验证了高温超导的普适性,为破解高温超导机理供给了要害拼图。

  “谁解开高温超导之谜,谁就把握了21世纪动力革新的钥匙。”诺贝尔物理学奖获得者安东尼·莱格特从前这么预言。在铜基、铁基、镍基三类高温超导资料的发现和研讨中,我国科学家正从跟跑变为领跑。假如终究完成了“超高温超导”即室温超导,将是人类科学史上最严重的发现之一。

  超导的“法力”不止于零电阻。1933年,物理学家迈斯纳发现,超导体能彻底排挤外部磁场,似乎被无形之力托起。这一“彻底抗磁性”现象被称为“迈斯纳效应”,它是磁悬浮技能的物理柱石。

  上海磁浮演示线年,线上的列车依托惯例电磁铁悬浮,需继续供电坚持磁场。而若选用超导磁悬浮,列车可“自发”悬浮于轨迹之上,能耗能够大幅度下降。2021年,我国在成都建成全球首条高温超导磁悬浮试验线,车辆在液氮温区完成自安稳悬浮,为下一代磁悬浮高铁奠定根底。

  超导不只是工程奇观,更是量子物理的“微观展厅”。在超导体中,很多的电子会结成“库珀对”,步骤一致地运动,构成微观标准的量子态。这种特性让超导体成为量子科技的“中心元件”。例如,超导单光子探测器能捕捉单个光子的信号,是量子通讯的“火眼金睛”;超导量子比特可长期坚持量子叠加态,科学家正在使用超导量子比特规划量子计算机,完成杂乱超高速运算。假如可纠错的通用超导量子计算机终究被研制成功,它将供给比现在国际上最快的超级计算机还快百万倍以上的运算才能,并带来信息技能的严重革新。

  超导研讨已推进了低温物理、量子力学、资料科学的穿插交融。未来,跟着高温超导机制的清楚与制备工艺的优化,这项“低温奇观”或将成为衔接根底科学与工业革新的重要枢纽。

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