既然超導這麼好，為什麼不用起來？

►高溫條件下，超導體在磁鐵上空懸浮。圖片來自Wikipedia。

導語：

從人類發現超導現象開始，人們就意識到，超導各種神奇的性質將為電能以及各種與電磁有關的工藝技術領域帶來新的革命。

但是，由於超導需要的超低溫，以及由此帶來的工藝、成本等原因，一直制約著大規模利用超導的可行性。

撰文 | 林梅

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直到20世紀50-60年代，以NbTi和Nb3Sn為代表的有實用價值的鈮基合金超導體的發現以及Josephson效應的發現，形成了低溫超導技術研發的熱潮。 80年代後期，銅基超導體的發現，因其臨界溫度突破了液氮溫區，不僅帶來了超導基礎研究的熱潮，也導致了更大規模的超導應用領域的進步。

今天，超導的應用涉及能源、資訊、交通、工業、健康、環保等諸多方面。大體來說，分為弱電應用和強電應用。

弱電·精標電壓

在弱電應用方面，超導在微弱電磁信號檢測、微波、電子器件等等方面有著非常出色的表現。

大家現在都用手機。事實上，不管用什麼電器，要想相互之間能夠通用，各個廠家生產的設備之間的電壓必須有一個標準。過去普遍使用化學電池的電壓基準作為比對的標準，現在利用Josephson超導隧道效應[1]——即電壓正比於磁通變化的頻率，就可以精確標定電壓。

這種技術的優點在於，頻率標準是可以像時間標準一樣非常精確的，頻率的標準就決定了電壓的標準，現在電壓標準變得很高，就是因為國際上已經用Josephson超導隧道結電壓基準取代了化學電池電壓基準。

弱電·超導量子干涉儀

超導的另一個應用是精密的電磁測量，其中最搶眼的就是超導量子干涉儀（SQUID），以及以此為基礎生產的電子設備。

超導量子干涉儀同樣是利用Josephson超導隧道效應，

被一薄勢壘層分開的兩塊超導體構成一個約瑟夫森隧道結。當含有約瑟夫森隧道結的超導體閉合環路被適當大小的電流偏置後，隧道結兩端的電壓是該閉合環路環孔中的外磁通量變化頻率的函數。

利用這個規律，我們不僅可以測量磁通量的變化，還可以轉換為其他物理量，如電壓、電流、電阻、電感、磁感應強度、磁場梯度、磁化率等。我們知道，超導是一種宏觀量子現象現象，它所具備的超導隧道效應遵循著量子力學的基本規律。因此，理論上來說，以隧道效應為基礎研發的器件，原則上只受量子力學測不准原理的約束，它的解析度可以達到精確的極限。這個器件能夠檢測出相當於地球磁場的近1000億分之一的變化，

可以用於生物磁場的測量，大地磁場的測量，磁成像，以及其他各種要求精密的電子測量。

弱電·腦磁信號

現在，基於SQUID的心磁圖和腦磁圖研發工作已經展開。利用這種技術，在無創、快速的前提下，有望探測到心電或腦電不能探測的症狀。尤其是它可以測量非常微弱的腦磁信號，所以在説明我們瞭解大腦方面，有著不可替代的應用前景。

弱電·地球資源探測

在地球資源探測方面，超導在探測大地的電阻和磁學情況領域有著很大的應用潛力。對電阻測量來說，超導量子干涉測量的不同頻率對應不同大地深度，測量不同頻率的電阻就反映了大地不同深度的電阻，利用超導量子干涉測量方法廣泛的頻率範圍，

我們可以測量的深度範圍也就可以很廣，進而可以描繪大地很深層的電阻分佈情況，説明我們判斷油氣資源分佈狀況。

對磁測量而言，超導量子干涉測量的優勢是可以放置在飛機上，對礦場進行掃描，就可以觀測到地磁的反常，判斷成礦資訊。

弱電·高溫超導濾波器

在電子學方面，超導的優勢十分明顯。高溫超導濾波器是一個突出的例子。由於高溫超導薄膜表面電阻小，即使在移動通信的高頻頻率範圍內，高溫超導材料的微波表面電阻比正常金屬也要小上千倍。所以，高溫超導濾波器具有插入損耗小、帶邊（矩形度）陡峭、帶外抑制高的特點，如下圖所示，明顯比傳統濾波器具有更優秀的濾波性能。基於高溫超導濾波器的微波器件不僅在衛星和雷達等軍事方面得到了應用，在移動通信這樣的民用方面也開始發揮作用。

高溫超導濾波器與傳統濾波器性能比較，相比普通濾波器，超導濾波器對於不可通過的頻率過濾性更強，對於可通過的頻率能量損耗更低。

說完超導在弱電方面的應用，我們再來說說它在強電方面的應用。超導在強電方面的應用涉及能源、交通、醫學等方方面面，可以說與我們的現在和未來息息相關。

強電·高溫超導電纜

在能源方面，利用超導材料的零電阻特性可以用來輸電和製造大型磁體，超導技術是電力工業的一個革命性的技術儲備。

我們知道，超高壓輸電會有很大的損耗，而利用超導體則可最大限度地降低損耗。對一些不斷擴容的大城市來說，用電負荷不斷增加，而城市空間又相對有限，不太可能不斷挖掘隧道放置電纜。但由於超導電纜量輕，電纜直徑較細，可以使用已有的隧道進行敷設，不需要新的敷設空間，地下高溫超導電纜在不能安裝架空線路環境中可以代替架空線路。

此外，採用超導輸電還可以簡化變壓器、電動機和發電機等熱絕緣並保證輸電的穩定性，提高輸電的安全性。

強電·磁約束受控核聚變

另外，超導技術更是磁約束受控核聚變不可替代的製備強磁體的材料。

大家知道，如果給閉合超導線圈通上電流，就可以維持較強的穩恒磁場，這便是超導磁體。磁約束的核劇變必須要用超導，如果不用超導體而採用常規穩恒磁體，要實現強磁場就必須採用非常粗的銅導線，那麼冷卻過熱電阻所需的裝置會龐大而複雜的不可想像，而且必須持續為線圈通上電流，消耗更多的電能，消耗的能量成本也很可能大於裝置輸出的能量。很明顯，超導磁體具有體積小、穩定度高、耗能少等多種優勢，沒有超導體，人工托克馬克的成功是不可能實現的。

強電·生物醫學

也正是因為上述原因，在生物醫學方面，多數醫用核磁共振成像設備和高解析度的核磁共振成像技術（NMR）用的強場磁體也是超導磁體。

對核磁共振成像系統來說，磁體的磁場強度、穩定度、均勻度對圖像影響很大，超導磁體的強磁場恰恰符合這些要求，未來要想實現高分辨強磁場的核磁共振，不可能離開超導。

強電·船舶推進系統

此外，超導技術是新一代的艦船推動系統的基礎，推進電動機的體積和重量對於船舶設計建造具有十分重要的影響。高溫超導電機體積小，重量輕，極其有利於船舶吊艙推進應用。據說，美國AMSC公司為美國海軍研製的36.5 MW艦船推進實驗電機，四台電機可以驅動一艘航空母艦。

強電·磁懸浮列車

另外超導磁懸浮列車也具有其獨特的速度優勢。

據最新的報導，日本的磁懸浮列車運行試驗已創造了載人行駛時速６０３公里的新世界紀錄。但是很多人不瞭解的是，跟常規磁懸浮技術相比，採用超導磁懸浮技術的磁懸浮列車不但更加快速，也更加穩定和安全。

在以後的文章中我們會介紹，第二類超導體有一個神奇的作用——對進入體內的部分磁通線具有釘紮作用，它能夠約束住懸浮著的磁體，一旦磁體偏離，超導體可以將磁體“拉住”，因此超導磁懸浮物體運動過程是十分穩定的。另外，超導體一旦失去超導電性進入正常態，無摩擦的超導磁懸浮鐵軌將恢復成有摩擦的正常鐵軌，這便於人們在緊急情況下控制列車的制動。

超導的歷史歷經100多年，但仍然是一個年輕的學科，它不斷帶給人類驚喜，也不斷擴充著人類認知的邊界。更新的物理理論等著我們去發現，更多有應用前景的物件等著人們去挖掘。

未來，超導的發展可能聚焦在三個方面：

一是對高溫超導體機理的認識會極大促進凝聚態物理學和量子力學的新發展。

二是探索更適於應用的、臨界溫度更高的超導體，以及更適合大規模應用的新工藝。

三是擴展包括低溫超導體在內的所有超導技術的應用。

[1]JOSEPHONE效應是一種超導隧道效應，它是指，兩個超導體，如果中間被一個正常的絕緣體隔開，兩個超導體之間的波函數仍然可以有交疊，即使絕緣的結兩端不加電壓，結中也可存在超導電流；而在結兩端的直流電壓V≠0的情況下，通過結的電流是一個交變的振盪超導電流，振盪頻率（稱JOSEPHONE頻率）與電壓成正比。

感謝中科院物理所鄭東甯老師對本文成文的幫助。

製版編輯：李赫丨

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基於高溫超導濾波器的微波器件不僅在衛星和雷達等軍事方面得到了應用，在移動通信這樣的民用方面也開始發揮作用。