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高溫超導(dǎo)是中國(guó)航天科工集團(tuán)“高速飛行列車”項(xiàng)目核心技術(shù)之一。圖為相關(guān)視頻截圖。 |
每小時(shí)4000公里，中國(guó)航天科工集團(tuán)近日向外界透露的“高速飛行列車”快得著實(shí)讓人瞠目結(jié)舌。大家在驚嘆的同時(shí)，對(duì)其中應(yīng)用到的技術(shù)非常感興趣。“高速飛行列車”技術(shù)總負(fù)責(zé)人毛凱通過(guò)媒體，介紹了相關(guān)技術(shù)。他指出，高溫超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)是列車飛行的核心秘訣。實(shí)際上，應(yīng)用這種技術(shù)，西南交通大學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)建立了一條環(huán)形的高鐵磁浮試驗(yàn)線，高溫超導(dǎo)磁懸浮車在上面運(yùn)行速度最高可達(dá)每小時(shí)1000公里。
與我們所熟知的上海磁懸浮列車和長(zhǎng)沙磁懸浮列車通過(guò)電實(shí)現(xiàn)車體懸浮運(yùn)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(dǎo)磁懸浮列車”是采用高溫超導(dǎo)技術(shù)實(shí)現(xiàn)懸浮的，這為其最大限度減輕摩擦力，實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行奠定了前提。因此，高溫超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展水平制約著“高速飛行列車”和“高溫超導(dǎo)磁懸浮列車”研制和應(yīng)用。
高溫超導(dǎo)中的“高溫”是相對(duì)于零下270攝氏度的低溫超導(dǎo)而言的，這里的“高溫”其實(shí)是我們通常意義上的超低溫，甚至達(dá)到-196攝氏度液氮的溫度。
超導(dǎo)全稱超導(dǎo)電性，是20世紀(jì)最偉大的科學(xué)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(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度以下時(shí)，電阻突然消失的現(xiàn)象。具備這種特性的材料稱為超導(dǎo)體。超導(dǎo)體得天獨(dú)厚的特性，使它可能在各種領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。但由于早期的超導(dǎo)體存在于液氦極低溫度條件下，極大地限制了超導(dǎo)材料的應(yīng)用。人們一直在探索高溫超導(dǎo)體。上世紀(jì)80年代中后期，以趙忠賢為代表的中國(guó)科學(xué)家加入到國(guó)際高溫超導(dǎo)競(jìng)爭(zhēng)，他帶領(lǐng)實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)在釔鋇銅氧中發(fā)現(xiàn)了臨界轉(zhuǎn)變溫度93K（-180攝氏度）的液氮溫區(qū)超導(dǎo)體，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)世界級(jí)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(guó)家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)。
在日本科學(xué)家發(fā)現(xiàn)鐵基超導(dǎo)體后，趙忠賢帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)將超導(dǎo)臨界溫度先是提高到顯著超過(guò)40K（-233攝氏度）的麥克米蘭極限，之后創(chuàng)造了大塊鐵基超導(dǎo)體55K（-218攝氏度）的最高臨界溫度紀(jì)錄。2013年，趙忠賢因“40K以上鐵基高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)及若干基本物理性質(zhì)研究”再捧得國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。 2015年，趙忠賢榮獲國(guó)際超導(dǎo)領(lǐng)域重要獎(jiǎng)項(xiàng)馬賽厄斯獎(jiǎng)。2017年1月，他因在超導(dǎo)領(lǐng)域杰出的貢獻(xiàn)，獲得2016年度國(guó)家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)。
近年來(lái)，中國(guó)科學(xué)家在高溫超導(dǎo)領(lǐng)域又陸續(xù)取得一系列突破。清華大學(xué)和中科院物理所的團(tuán)隊(duì)在僅有一個(gè)原子層的FeSe薄膜上發(fā)現(xiàn)了65K（-208攝氏度）以上的超導(dǎo)電性，在上海交通大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、北京大學(xué)等研究團(tuán)隊(duì)的推動(dòng)下，發(fā)現(xiàn)這類超導(dǎo)現(xiàn)象可能源于界面效應(yīng)，還有可能出現(xiàn)100K（-173攝氏度）以上的高溫超導(dǎo)電性；2014年，吉林大學(xué)的研究人員從理論上預(yù)言一種化合物在高壓下可實(shí)現(xiàn)191K（-82攝氏度）的高溫超導(dǎo)，將突破164K（-109攝氏度）的臨界溫度紀(jì)錄。
利用目前已發(fā)現(xiàn)的高溫超導(dǎo)材料，研制相關(guān)設(shè)備，滿足生產(chǎn)生活需求，讓超導(dǎo)科技盡快造福人類，是我國(guó)科學(xué)家努力的重要方向。2017年3月和5月，國(guó)內(nèi)首臺(tái)基于國(guó)產(chǎn)YBCO超導(dǎo)帶材的高溫超導(dǎo)發(fā)電機(jī)經(jīng)過(guò)了測(cè)試，電機(jī)運(yùn)行良好，各項(xiàng)指標(biāo)依據(jù)國(guó)標(biāo)測(cè)試達(dá)到了預(yù)期值。該發(fā)電機(jī)由中科院電工所協(xié)同上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司共同研制，電機(jī)高溫超導(dǎo)帶材繞制而成的跑道線圈結(jié)構(gòu)運(yùn)行溫區(qū)為77K（-196攝氏度）
為尋找新的、性能更優(yōu)異的超導(dǎo)材料，科技部印發(fā)的《“十三五”材料領(lǐng)域科技創(chuàng)新專項(xiàng)規(guī)劃》，明確把高溫超導(dǎo)材料列為重點(diǎn)內(nèi)容之一。找到室溫超導(dǎo)體即室溫下電阻為零的導(dǎo)電體是包括我國(guó)科學(xué)家在內(nèi)的世界科學(xué)界共同努力的方向。這種超導(dǎo)體將給社會(huì)生產(chǎn)和生活很多領(lǐng)域帶來(lái)根本性變革。多年來(lái)，中國(guó)超導(dǎo)科技工作者勇攀高峰，在世界超導(dǎo)科技競(jìng)爭(zhēng)中表現(xiàn)優(yōu)異。正如《科學(xué)》雜志在一篇題為《新超導(dǎo)體將中國(guó)物理學(xué)家推到最前沿》的文章中所說(shuō)：“如洪流般不斷涌現(xiàn)的研究結(jié)果標(biāo)志著在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域，中國(guó)已經(jīng)成為一個(gè)強(qiáng)國(guó)。”
