中国成功掌握铁基超导技术，打破世界纪录，日本终究成了过去式

当导体的电阻随着温度的下降不断减小，即当温度降到临界温度Tc以下时，直流电阻突然消失至零（电阻突然跌至仪器测量范围地最小值之外，即可认定该电阻降至零），同时出现排斥磁场的反应。

这种现象被称之为超导现象，具有超导性质的金属元素、合金、化合物，则被称之为超导体。

1911年，荷兰物理学家昂内斯发现超导电性，一个多世纪以来，人们发现了铌、铝、铌三锡等低温超导体，作为一种人工电磁材料，其具有抗磁性、可调谐、低损耗、宏观量子反应的特性。

早期，超导体被广泛使用在强磁体、超导量子计算机、高灵敏探测器等诸多重要领域，现如今，在储量、磁悬浮列车、电力输送、核磁共振等领域也表现出了明阔的市场应用前景。

而中国成功掌握了铁基超导技术，打破了世界纪录，日本终究是成为了过去式。

古今中外：铁基超导体的前世今生

2017年1月，赵忠贤院士走上2016年度国家科学技术奖励大会的颁奖台，被授予国家最高科学技术奖，“铁基高温超导体”、“液氮温区”、“55K铁基超导体转变温度”似乎第一次走入寻常大众的视野。

人们望向那位同屠呦呦并齐的老人，很难想象，超导体研究这条冷板凳，他一坐就是五十年。

超导技术是20世纪最伟大的科学发现之一，赵忠贤及其团队所作贡献即独立发现液氮温区高温超导体，同时发现了一系列50K以上的铁基高温超导体，创造了55K的铁基高温超导体转变温度。

这是一个怎样惊人的突破？一切，需要从超导技术在中国的发展，以及对比中国同国内外的超导技术发展进程细细道来。

超导技术起源于荷兰科学家麦林·昂尼斯利用液氮研究金属在低温状态下的电阻状况。

1911年4月的那个下午，昂尼斯惊奇地发现，金属汞温度降至4.2K时——在热力学温标中0K相对于零下273.2摄氏度，4.2K即零下269摄氏度，显示电阻值突然降至仪器测量范围的最小值之外，这种现象即物理学意义上的电阻为零。

电阻降至零？昂尼斯喜不自胜地将这一现象称之为“超级导电现象”。昂尼斯本人获得了1913年的诺贝尔物理学奖，超导材料研究正式进入人们的视野。此后的百余年间，共有5次诺贝尔奖颁发给10位研究超导技术的科学家。

金属汞是第一个被发现的超导体材料，超导材料技术的科学家前仆后继，越来越多的合金和单质金属被发现处于超低温之下会蜕变为超导体。1911年至1932年，Sn、Pb、Nb等金属元素超导材料相继被发现；1932年至1973年，一些合金材料中也被发现存在超导电性。

昂尼斯的后继者，德国物理学家迈斯纳更是指出，超导体除却零电阻，还具备优异的抗磁性，实验报告显示，一旦单质金属和合金进入了超导状态，就会表现出“完全抗磁性”——外界磁场对其完全不起作用，超导体材料内部磁感应强度骤降为零。

发展至今，因为在超导体没有电阻时，电流再次经过超导体将不会发生热损耗现象，可以在导线中形成巨大电流，生成超强磁场的这一工作特性，超导体具备储能环、磁悬浮列车、超导发电机、高分辨率核磁共振成像装置等等应用前景。

赵忠贤在邀请孩子们来到中国科技馆进行超导科普时，常有孩子瞪大双眼，好奇地问道：“爷爷，磁悬浮列车是谁发明的啊？”

赵忠贤总是一本正经地回答：“超导体是一个宏观的量子现象……”。

超导磁悬浮列车通过在轨道上放置线圈的方式，能够使得线圈同车身之间产生巨大排斥力，实现悬浮运行的目标。因列车运行主要是依靠车辆实体在运动时，对线路上导体进行切割产生感应电流进行驱动，依照这一原理，磁悬浮列车产生过曲线横向导向力以及垂直悬浮力。

同时，超导输电技术作为利用高密度载流能力超导材料发展起来的新型输电技术，一条约800kV的超导直流输电线路的输送容量可达1600万kW至8000万Kw,传输电流可达到10kA~50kA，但传输损耗却几乎为零，优势极为显著。

以25K至30K为界，即在这一临界温度界限，将超导体划分为低温超导体和高温超导体。

超导体千好万好，但直至现在，却依旧不如半导体应用广泛。其根本原因在于超导体——现今主要使用的低温超导体需要在非常低的温度环境才能够使用，即上文所述的零下200度以下。

一方面，创造超导条件需要具备复杂的深低温制冷技术，另一方面，在超导运行过程中，超导状态向常导状态转移时，原来无损耗的电流会因为电阻的突然出现而急剧损耗，致使温度在极短的时间内上升，大功率环境下的安全保障将是一个难题。

充足的制冷也绝非轻而易举，这种低温环境的营造和维持有赖于昂贵的液氮，一套低温超导体设备的运行和维护费用，将是一个天价数字。尽管超导体自面世以来，其临界温度一直在逐步提高，但1911年以来，70多年过去了，超导体临界温度依旧卡死在23.2K的门槛。

1968年，物理学家麦克米兰在BCS超导理论的基础上提出，超导体的转变温度一般不可能超过40K，这在物理学界被称之为“麦克米兰极限”。

生命不息，探索不止，多年来，有无数物理学家冲击麦克米兰极限，挑战超导温度超过40K的“高温超导体”？液氮温区以上的超导体真正存在吗？

没错，尽管国际物理学界将超导体划分为高温超导体和低温超导体，但在此之前，突破麦克米兰40K极限的高温超导体，一直是个传说。

“铁马冰河入梦来”：刷新世界纪录！55K铁基超导体转变温度

高温超导体，即超导临界温度突破麦克米兰极限的超导体，这类超导体存在电子配对的相对概念，但其作用绝不仅仅只是因为电子-声子相互作用。

20世纪50年代，超导研究在中国落地生根，这对于一个在国际上站稳脚跟不久的发展中国家来说，不可不谓艰辛远谋。1975年，赵忠贤从剑桥大学第Ⅱ类超导体中磁通流动问题实验组学成归来，1976年决定进行“探索高临界温度超导体”研究。

科研条件艰苦，赵忠贤团队只能到处搜集二手设备，市面上不出手的设备就自己现学现造，现搭的炉子、现扯的实验设备，在这样贫瘠的实验环境下，赵忠贤依旧每年组织参与全国探索高临界温度超导体讨论会。

截至1986年，赵忠贤团队同欧美几个尖端研究小组的研究进度几乎追平——几大团队几乎同时在镧-钡-铜-氧体系中获得了40K以上的高温超导体，成功突破了超导临界温度40K麦克米兰极限，同时发现了70K超导的迹象，这是一场攀登超导巅峰的大战。

可谁能知道，1986年国际商业机器公司苏黎世研究实验室刚刚发表了镧-钡-铜-氧体系中可能存在35K超导电性的报告之时，赵忠贤脑海中浮动已久的探索高温超导的思路顿时灵光一闪。

他连夜组织团队驻扎实验室，困了就在椅子、实验桌上躺着小憩一会，在最紧张的时刻，赵忠贤甚至连续48小时未曾合眼。

1987年2月，赵忠贤团队发现了液氮温区的导电性，转变温度达到了92.8K。赵忠贤及其合作者独立发现了液氮温区高温超导体，同时向国际社会宣布了自己综合考虑之后，在基的多相的体系中，选择用钇取代镧，并首次公布了研究成果元素组成为“钡-钇-铜-氧”。

使用较为廉价的液氮将大大降低超导应用成本，这将使得超导大规模应用和深入科学研究成为一种可能性，赵忠贤研究团队凭借在超导研究领域首次突破液氮温区的卓越成果，获得了1989年国家自然科学一等奖。

随后，赵忠贤团队被邀请至美国物理学会举行演讲，作为北京小组的特邀演讲者，赵忠贤在3000多人的会场侃侃而谈。

在80年代，少有中国科学家能够出席在如此顶级的国际学术舞台，一间只能容纳1100多人的会场被围得水泄不通，该会议被称之为“物理学界的摇滚音乐节”，中国科学家第一次走向了世界高温超导研究舞台。

作为中国高温超导研究的先驱人物之一，赵忠贤带领中国高温超导研究从起步，到迅速发展至世界前列，中国的高温超导探索，无论是理论基础还是技术水准，都有着优秀的科研基础。

2008年，彼时的赵忠贤团队经过二十多年的研究，已经形成了对铜氧化物高温超导体物理机理研究的体系，赵忠贤认为在存有多种合作现象的层状四方体系中，可能实现高温超导。

恰逢此时，日本科学家西野秀雄的研究小组报道了一项研究成果：氟掺杂镧-铁-砷-氧体系中存在26K的超导电性。2001年，日本科学家就发现了二硼化镁在39K附近表现出了超导特性，一时间，日本超导研究声名大噪。

时刻关注着国际超导研究的赵忠贤团队在得知消息之后，更加肯定了“多种合作现象的层状四方体系”的无限可能性。

赵忠贤选择引入中国特有的稀有金属——轻稀土。灵活结合高温高压材料合成技术，首先，最先实现了氟掺杂镨氧铁砷铁基超导体，该铁基超导体的超导转变温度为52K,早已大大突破了麦克米兰极限。

但赵忠贤仍不满足于此，他为了进一步确认铁基超导体就是继铜基超导体之后第二个高温超导家族，再度开启了赛跑模式，新的超导记录以天为单位在不断更新。很快，赵忠贤团队合成了51K以上的氟掺杂钕氧铁砷化合物、55K的氟掺杂钐氧铁砷化合物。

这一块材铁基超导体临界温度的世界记录一直保存至今，无人可出其左右。作为继铜基超导体之后的第二大高温超导家族，铁基超导体较之铜基超导体有着更为丰富的物理性质和应用价值，其配对方式更接近于传统金属超导体。

2014年1月，以中国科学院院士赵忠贤、王楠林、方忠、陈仙辉、闻海虎为代表中国科学院物理研究所团队和中国科技大学的研究团队，凭借“40K以上铁基高温超导体的发现及若干基本物理性质研究”这一方面的突出贡献，获得了2013年度国家自然科学奖一等奖。

然而，在国家自然科学一等奖申报之前，关于铁基超导体的20篇主要论文共SCI他引5145次，8篇代表性论文SCI共他引3801次。

美国佛罗里达大学教授Peter Hirschfeld不无感慨道：“中国确确实实进入了凝聚态物理强国的行列，居然有这么多高质量文章来自北京——或许，这不该让我感到惊讶。”

当赵忠贤团队的铁基超导体工作研究被评为欧洲物理学会“2008年度最佳”、美国物理学会“2008年度物理学重大事件”之后，美国斯坦福大学教授Steven Kivelson自愧不如道：“让人震惊的不是这些有意的科研成果来自中国，重要的是，它们并非出自美国。”

美国高温超导研究以前任龙头老大的暂时低头赞赏，肯定了中国在超导材料研究这一领域的迅猛发展和突出成就。

在创下了55K的铁基超导体转变温度纪录之后，中国超导界不断发现新的铁基超导体系，如FeSe、BaFe2As2等体系中不断发现新的超导电性，现今，铁基超导家族的成员已经超过了3000多种。

同时，比起依靠直觉和经验发现超导材料，近年来，赵忠贤团队的研究更深耕于超导机理这片神秘的领域。

这不免令人回想起赵忠贤在中国科技馆亲自为稚嫩的孩子们科普时，情动于心道：“以后大家还要找到不用液氮降温，在室温就能用使用的超导体，你们愿意去找吗？”尽管懵懵懂懂，但孩子们齐齐答应两鬓斑白的赵忠贤：“我愿意。”

薪火相续，代代传承：超导技术再创纪录

科技的发展，是巨人诞生的过程，更是巨轮驶动的过程。前有赵忠贤在高温超导研究中刷新世界纪录，后有新锐在超导线材领域发光发热。

2016年，中科院电工研究所宣布，通过对长线制备过程中涉及的微结构控制、界面复合体均匀加工等核心技术的研究，该所马衍伟团队成功研制国际首根100米量级超导长线。

此前，无论是致力于铁基超导技术的美国、日本还是欧洲各国，其铁基超导线材都属于米级阶段，怎样突破百米级高性能铁基超导长线制备技术是铁基超导技术规模化应用的重点和难点。

早在2014年，中科院电工所就采用了连续轧制工艺，成功研制出了长度达到11m的Sr0。6K0.4Fe2As2带材，获得了临界点Jc平均值为1.84×104A/cm2(4.2K,10T)。

高性能的超导长线是铁基超导材料得以实际应用的基础，在获得高性能样品的基础之上，实现高性能、低成本的长线制备是新型超导材料走向大规模应用的必经之路。实用化百米级别铁基超导长线的成功研制更加增添了人们对铁基超导材料实现实际应用的信心。

截至2020年11月，超导学界已发现的铁基超导体大致可分为1111型、122型、111型、11型、新型结构超导体型五大类。科学家最新发现，同低温及铜氧化合物超导体相比较铁基超导体更具备各向异性较低、上临界场极高等特点。

为了大规模制造超导电缆、绕制超导磁体，必须研制出高性能的带材或线材，针对铁基超导材料具有脆性且硬度较高的性质，超导线只能采用粉末装管法和涂层导体制备技术两种制备方法。

2021至2022年，1144型铁基超导材料正式走向应用。1144型铁基超导体AeAFe4As4发现于2016年，1144型铁基超导材料的晶体的结构同122型非常相似，但是因为Ae和A层的排列较之122型铁基超导材料更为规则，所以避免了122型中的局部区域偏离化学计量比等突出问题。

1144型铁基超导体被称作除122型之外，最有希望获得实用化的铁基超导材料，1144型铁基超导体较之122型铁基超导体，质量更高，且易于制备。

但1144型铁基超导体现今面临的主要问题是如何在线带材中实现高载流特性，122型超导线材已然进入了百米级长线规模化制备阶段。1144型铁基超导线带材一般需采用粉末装管法，制备这种高性能超导线，少不了寻找合适的加工工艺制备高性能线带材。

在中国超导研究历史上看，中国的确积累了深厚的超导科研成果，但纵观国际，中国的超导研究实际上比国际上晚上50年，现如今，我国以落后50年的时间，跻身国际领先行列。正如赵忠贤所说：“如若哪一天发现了室温超导体，这里面应该有中国人。”

参考文献：

1. 《铁基超导:物理学中的超新星》；《新材料产业》；2017年07期

2. 《铁基超导的前世今生》；《物理》；2014年07期

3. 《世界首根百米级铁基超导长线研制成功》；《电子世界》；2016年17期

标题来源：《我国成为铁基超导产业领跑者》；《人民网》；2017年11月14日