超导体

基本介绍

超导体（英文名：superconductor），又称为超导 材料，指在某一温度以下，兼具绝对零电阻和完全抗磁性两个 独立特性的超级导体 。 人类最初发现超导体是在1911年，由荷兰莱 顿大学的科学家海克·卡末林·昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）等人发现。

卡末林·昂尼斯等人发现汞的零电阻态

超导体的完全抗磁性（迈斯纳效应）和迈斯纳

伦敦穿透深度与磁场进入超导体内部的现象

超导体的分类方法有以下几种：

1 根据材料对于外磁场的响应分为：第一 类超导体和第二类超导体。

第一类超导体和第二类超导体在磁场下的不同行为

不同类型的超导体

2 根据材料类型：元素超导体（如铅、汞、铝等）、合金超导体（如铌钛合金）、金属间化合物超导体（如MgB2、CrAs等）、氧化物超导体（如钇钡铜氧、镧铁砷氧氟）、有机 超导体（如K3C60）和重费米子超导体（如CeCu2Si2、CeCoIn5等）等 。

应用前景

超导材料具有绝对零电阻、完全抗磁性、磁通量子化、宏观量子态等特殊物性，在强电流密度、高稳态强磁场、高灵敏度探测、高保真通讯、高效 数字计算和高稳定性量子计算等多个方面，将给人类生活带来深远的影响。

未来超导技术的实现，并非一定要依赖于常压温室超导体，传统的低温超导金属合金、铜氧化物和铁基高温 超导体，以及一些低维、界面、复合超导体等，都各自会在不同的应用场景发挥用武之地。

不同超导现带材工程临界电流密度和外磁场的关系

超导技术的应用主要包括强电应用和弱电应用，主要领域列举如下：

1 超导电力

超导电缆具备零损耗、高能效的优势，目前已在深圳平安大厦和上海徐汇区稳定运行2年，未来在核心城市电网中将发挥重要用途。在一些“耗电大户”如数据中心、超算平台、监控中心等，超导限流器、超导变压器、超导接头、超导电机等都将帮助极大提高运行的效率。将普通发电机的铜绕组换成超导体绕组，可以提高电流密度和磁场强度，具有发电容量大、体积小、重量轻、电 抗小、效率高的优势 。 超导磁流体发电机具有效率高、 发电容量大、自身损耗小等优点。

高温超导电缆

铜氧化物高温超导带材

2 超导储。

能简单的超导闭环就能实现超导储能，因为 电流在其中没有衰减，基于超导块材的飞轮储能近些年也得到迅速发展。

3 超导磁体

超导磁体具有体积小、场强高、均匀性好的特点，5-32 T的超导磁体已经在诸多科学设备中得到了广泛的应用。在人们生活中，超导磁体技术是实现可控热核聚变的必备技术，超导感应加热可以极大提高金属冶炼的效率，超导磁选矿和污水处理也有发展潜力。超导磁体对生活影响最大的就是功能核磁共振成像仪，目前医院采用1.5 T或3T的核磁共振基本上采用的都是超导磁体。超导体可以用于可控热核聚变反应堆的“磁封闭体”。超导体产生的强磁场可以将热核反应堆中的超高温等离子体包 围、约束起来，然后慢慢释放， 而受控核聚变能源是21世纪前景广阔的新能源之一。

超导核磁共振功能成像仪

超导可控热核聚变

4 超导磁悬浮

超导磁悬浮列车可以达到600公里/小时的运行速度，预计在2027年，日本从名古屋到大阪的低温超导磁悬浮线将正式投入商业运营。我国的高温超导磁悬浮技术也在不断进步，西南交通大学和中车长客集团从不同技术路线完成了 相关样车的研制，未来还可能考虑在低真空管道中实现更加高速的超导磁悬浮列车。

超导电动悬浮交通系统

5 超导弱磁探测

超导量子干涉仪具有世界上最灵敏的磁性探测能力，仅受到量子力学基本原理的限制。它是标定了如今我们采用的电压基准，也是各类弱磁探矿和弱磁检测的利器。未来医疗 检查有可能采用心磁图、脑磁图，实现对诸如癫痫等复杂疾病的及时诊断。

超导单光子探测器

6 超导弱电探测与通讯

超导技术对电的探测也是最为灵敏的，它可以实现最为精密的单光子探测、极高频率的谐振腔、高度保真的滤波器和混频器等等。未来量 子互联网、空间站通讯、宇宙深空探测、暗物质和暗能量研究等都要用上它。

7 超导数字计算

现在基于半导体技术的经典计算机，无论是性能还是能耗上都逼近瓶颈。超导数字计算是基于超导电子元器件实现的逻辑运算，效率远高于半 导体计算机，能耗却非常低。未来，超导数字计算机技术有可能达到实用化。

8 超导量子计算

一些超导材料还有可能帮助实现拓扑量子计算，意味着不再需要特 别低温的环境，而且对外界干扰不敏感，稳定性要好很多，也有可能会更低成本。

祖冲之号超导量子芯片