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高溫超導是中國航天科工集團“高速飛行列車”項目核心技術之一。圖為相關視頻截圖。 |
每小時4000公里，中國航天科工集團近日向外界透露的“高速飛行列車”快得著實讓人瞠目結舌。大家在驚嘆的同時，對其中應用到的技術非常感興趣。“高速飛行列車”技術總負責人毛凱通過媒體，介紹了相關技術。他指出，高溫超導磁懸浮技術是列車飛行的核心秘訣。實際上，應用這種技術，西南交通大學國家重點實驗室已經(jīng)建立了一條環(huán)形的高鐵磁浮試驗線，高溫超導磁懸浮車在上面運行速度最高可達每小時1000公里。
與我們所熟知的上海磁懸浮列車和長沙磁懸浮列車通過電實現(xiàn)車體懸浮運行不同，航天科工正在研制的“高速飛行列車”和西南交大的“高溫超導磁懸浮列車”是采用高溫超導技術實現(xiàn)懸浮的，這為其最大限度減輕摩擦力，實現(xiàn)高速運行奠定了前提。因此，高溫超導技術的發(fā)展水平制約著“高速飛行列車”和“高溫超導磁懸浮列車”研制和應用。
高溫超導中的“高溫”是相對于零下270攝氏度的低溫超導而言的，這里的“高溫”其實是我們通常意義上的超低溫，甚至達到-196攝氏度液氮的溫度。
超導全稱超導電性，是20世紀最偉大的科學發(fā)現(xiàn)之一，指的是某些材料在溫度降低到某一臨界溫度，或超導轉變溫度以下時，電阻突然消失的現(xiàn)象。具備這種特性的材料稱為超導體。超導體得天獨厚的特性，使它可能在各種領域得到廣泛的應用。但由于早期的超導體存在于液氦極低溫度條件下，極大地限制了超導材料的應用。人們一直在探索高溫超導體。上世紀80年代中后期，以趙忠賢為代表的中國科學家加入到國際高溫超導競爭，他帶領實驗團隊在釔鋇銅氧中發(fā)現(xiàn)了臨界轉變溫度93K（-180攝氏度）的液氮溫區(qū)超導體，實現(xiàn)了一個世界級突破，從-268.8攝氏度的液氦溫區(qū)提高到-196攝氏度的液氮溫區(qū)，意味著制冷難度和成本的大幅度降低。該成就為趙忠賢贏得了1989年國家自然科學一等獎。
在日本科學家發(fā)現(xiàn)鐵基超導體后，趙忠賢帶領團隊將超導臨界溫度先是提高到顯著超過40K（-233攝氏度）的麥克米蘭極限，之后創(chuàng)造了大塊鐵基超導體55K（-218攝氏度）的最高臨界溫度紀錄。2013年，趙忠賢因“40K以上鐵基高溫超導體的發(fā)現(xiàn)及若干基本物理性質研究”再捧得國家自然科學獎一等獎。 2015年，趙忠賢榮獲國際超導領域重要獎項馬賽厄斯獎。2017年1月，他因在超導領域杰出的貢獻，獲得2016年度國家最高科學技術獎。
近年來，中國科學家在高溫超導領域又陸續(xù)取得一系列突破。清華大學和中科院物理所的團隊在僅有一個原子層的FeSe薄膜上發(fā)現(xiàn)了65K（-208攝氏度）以上的超導電性，在上海交通大學、復旦大學、北京大學等研究團隊的推動下，發(fā)現(xiàn)這類超導現(xiàn)象可能源于界面效應，還有可能出現(xiàn)100K（-173攝氏度）以上的高溫超導電性；2014年，吉林大學的研究人員從理論上預言一種化合物在高壓下可實現(xiàn)191K（-82攝氏度）的高溫超導，將突破164K（-109攝氏度）的臨界溫度紀錄。
利用目前已發(fā)現(xiàn)的高溫超導材料，研制相關設備，滿足生產(chǎn)生活需求，讓超導科技盡快造福人類，是我國科學家努力的重要方向。2017年3月和5月，國內首臺基于國產(chǎn)YBCO超導帶材的高溫超導發(fā)電機經(jīng)過了測試，電機運行良好，各項指標依據(jù)國標測試達到了預期值。該發(fā)電機由中科院電工所協(xié)同上海電氣集團上海電機廠有限公司共同研制，電機高溫超導帶材繞制而成的跑道線圈結構運行溫區(qū)為77K（-196攝氏度）
為尋找新的、性能更優(yōu)異的超導材料，科技部印發(fā)的《“十三五”材料領域科技創(chuàng)新專項規(guī)劃》，明確把高溫超導材料列為重點內容之一。找到室溫超導體即室溫下電阻為零的導電體是包括我國科學家在內的世界科學界共同努力的方向。這種超導體將給社會生產(chǎn)和生活很多領域帶來根本性變革。多年來，中國超導科技工作者勇攀高峰，在世界超導科技競爭中表現(xiàn)優(yōu)異。正如《科學》雜志在一篇題為《新超導體將中國物理學家推到最前沿》的文章中所說：“如洪流般不斷涌現(xiàn)的研究結果標志著在凝聚態(tài)物理領域，中國已經(jīng)成為一個強國。”
