“

范江弟

北京美尔斯通科技发展股份有限公司

佳迪达超导研究院

室温超导探索

第一篇.超导的三大特性及研究现状

第二篇. 超导机理和BCS理论

第三篇. FM理论成果对室温超导探索的作用

第四篇. FM理论的基础和物理模型

第五篇.大气压下室温超导是否可期？

---

在探索前沿科学的道路上，准确理解基础概念是深入研究的基石。对于超导领域而言，相关名词的清晰界定尤为重要。“超导” 是一个多义词，它既可以指 “超导电性”，经常也被称为“超导性”（Superconductivity），也能用来描述具备这种特性的 “超导体” (Superconductor) 或 “超导材料”（Superconducting material）。

超导电性，直观地说，是指某些材料在特定温度下电阻突然消失，电流能够毫无损耗地通过的现象。这里所说的特定温度就称之为超导临界温度。当科学家说发现了一种新的超导材料时，便是在强调这种材料具有超导电性。

在温度的表述上，科学界常用开尔文（K）作为单位。人们常说的 “室温”，在科学语境中对应 300K ，而我们熟悉的摄氏零度，换算成开尔文温度则是 273K。这种温度计量方式在超导研究中意义重大，因为超导现象的发生与温度紧密相关。

基于临界温度的不同，超导材料又分为 “低温超导”或“高温超导”。低温超导，有时也被人称之为常规超导或传统超导，通常是指金属和合金等导体材料，需要在低到摄氏-250℃以下，才能展现出超导电性；而高温超导是指达到 77K（即液氮气化温度）以上，就能实现超导状态。这里的 “高温” 是相对低温超导所需的极低温而言，实际上 77K（约 -196℃）对于日常生活来说，依然是难以想象的低温环境。

至于室温超导，也称之为常温超导正是人们追求的目标。这些年来，时有关于超高压下的室温超导的报道，结果都是昙花一现、不了了之，人们不知何故往往怀疑报道人作弊，这个问题后面再进行阐述。退一步说，即使发现了稳定的超高压下的超导材料只有科学价值，毫无实际用途。

与普通导体相比，超导材料具有三大显著特性：零电阻特性、抗磁性（迈斯纳效应）和约瑟夫森效应。这些独特性质不仅蕴含着深刻的物理内涵，更孕育着巨大的应用潜力。

零电阻特性

零电阻特性是超导材料最直观的特性，也是其产生巨大经济价值的核心所在。目前，中国、美国、德国和日本等国家都已建成超导输电试验线路。然而，受限于高昂的成本，超导输电技术尚未在电力行业大规模推广。尽管如此，凭借其近乎零损耗的电能传输优势，超导输电在未来取代传统高压输电线路的前景依然值得期待。

图：超导电缆终端

抗磁性

抗磁性，即迈斯纳效应，它指的是当超导体处于外磁场中的时候，把磁场排斥在外，因此，超导体内无磁场。

最为人熟知的应用领域当属超导磁悬浮列车。在这一技术领域，中国始终走在世界前列。早在本世纪元年，西南交通大学王家素和王素玉教授团队便成功研制出世界首台高温超导磁悬浮样车 “世纪号”。2023 年，该校联合中车唐山机车车辆有限公司等单位，在校园内建成高温超导磁悬浮工程车线路。2014年，巴西里约热内卢联邦大学斯蒂芬（Richard Stephan）教授团队在校园内建成一段200公尺长的短程超导磁悬浮线路。期间，世界若干国家也相继报道建成超导磁悬浮试验段。

值得一提的是，日本早在 1987 年就已建成低温超导磁悬浮线路。目前，航天科工集团正在山西大同建设高温超导磁悬浮试验段，不过需要注意的是，这两种磁悬浮列车的悬浮原理本质上基于电磁感应，超导材料主要用于制作车载强磁体与轨道线圈相互感应产生向上的浮力，并维持车体稳定运行，这与西南交通大学的高温超导磁悬浮列车悬浮原理有所不同，后者是典型的由抗磁性把车体浮起来，而且由于高温超导块材在外磁场中特有的所谓钉扎力，而使得车体平稳运行无需特殊控制。

未来高温超导高速磁浮列车效果图

约瑟夫森效应

超导材料的第三大特性 —— 约瑟夫森效应。当两块超导材料之间释放一块薄薄的绝缘体，超导中的电子可以穿过绝缘体从一端跑到另一端，这是超导体量子效应的表现。其典型应用是通过约瑟夫森结（Josephson junction）制备超导量子干涉仪（SQUID）。这种精密仪器能够探测极其微弱的磁场变化，在地质勘探、工业检测以及医疗设备等领域均有重要应用。

以北京美尔斯通公司利用SQUID开发出的超导心磁图仪为例，经过多年临床验证，该设备已通过国家鉴定，正式进入量产阶段，为心脏疾病的早期诊断提供了全新的技术手段。

图：超导心磁图仪

除了上述三大特性的应用外，超导在强电和弱电领域同样展现出极为广阔的应用前景。

强电应用领域

在强电应用方面，诸多创新成果不断涌现。高温超导轴承、高温超导飞轮储能装置，以及超导变压器、超导限流器和超导储能等设备，均已成功研制出样品。其中，中科院电工所凭借深厚的技术积累，走在该领域前沿，成功研发出一系列高温超导强磁应用产品。该所王秋良院士领导的团队建成了世界上最强的超导磁体，其强度达到32特斯拉以上。

超导材料零电阻的特性，使其能够承载高达数万安培甚至更高的电流密度，进而产生强大磁场。这一特性在 “人造太阳”所需的托卡马克装置中发挥着关键作用。托卡马克即是磁约束真空环，需要强大电流产生磁约束，将上亿度高温的等离子体限制在有限空间内，以实现可控核聚变反应。中科院等离子研究所（合肥）在该领域的研究成果斐然，已跻身世界领先行列。在中国核能和平利用的布局中，可控核聚变被视为极具潜力的发展方向。我国自 1958 年便开启相关研究，如今西南核物理研究院持续推动可控核聚变研发进程。

在高能物理加速器建设中，超导材料同样不可或缺。无论是高温超导还是低温超导材料制成的强磁体，都是加速器的核心部件。北京高能所朱自安教授在此领域贡献卓越，不仅推动了高能物理研究，还助力山东潍坊开发出中国第一台低温超导强磁分离选矿机。

在军事与通讯领域，超导技术同样扮演着关键角色，从武器装备到通讯系统均有涉及。尽管其军事应用因技术敏感性不便详述，但不可否认的是，超导技术正持续为国防科技发展注入强大动力。

超导材料的研究现状

本文仅对超导的基本特性及应用现状进行了简要概述，不仅对国外相关情况谈及甚少，国内众多重要的开发成果及做出杰出贡献的科技工作者也篇幅有限，未能提及。此外，超导微观机制即室温超导探索这一重大议题，才是本文真正想要深入探讨的核心内容。后续，我们将通过几篇短文逐步展开论述，感兴趣的读者敬请关注后续陆续发布的文章。