懸浮的超導體示意圖 視覺中國供圖

      2月26日，安徽省量子信息工程技術研究中心和科大國盾量子技術股份有限公司聯合發布消息説，國産稀釋製冷機ez-Q Fridge完成性能測試，顯示該設備實際運行指標達同類産品國際主流水平，成為國內首款可商用可量産的超導量子計算機用稀釋製冷機。稀釋製冷機是構建超導量子計算機的關鍵核心設備。超導計算機的發展離不開超導材料，通常需要低溫條件下設備才能運行。那麼什麼是超導材料，低溫運行又是怎麼一回事？讓我們一同走近超導材料，了解它的前世今生。

      要了解超導材料，還要從超導現象説起。1911年，荷蘭物理學家昂內斯將金屬汞冷卻到4K（K為開爾文溫度，4K約等於-269.15℃）以下，結果發現電阻幾乎降為零，這就是超導現象的起源。隨後，超導材料的研究成為了一大熱點。1933年，德國物理學家邁斯納發現，當一個磁體與一個超導體彼此靠近時，受磁體磁場影響，超導體表面會形成超導電流。超導電流産生的磁場，在超導體內部與磁體産生的磁場大小相等、方向相反。二者抵消後，超導體內部的磁感應強度變為0，也就是説超導體具有了抗磁性。這一現象被稱為邁斯納效應。1962年，約瑟夫遜研究了兩塊超導體被一層薄絕緣介質分開後，在材料兩端施加電壓，電子會從一端穿過絕緣體到達另一塊超導體，就好像超導體與絕緣體之間存在隧道一般。這種現象叫作隧道效應。而當去除電壓，神奇的事情再次發生，兩塊超導體之間仍會存在微弱的電流，這就是超導體的約瑟夫遜效應。簡單來講，超導體具有零電阻特性、邁斯納效應、約瑟夫遜效應三種特性。顧名思義，超導代表着超導電性，是指一種金屬、合金或者化合物材料在一定的溫度下，電子在其體內可以自由流動，即電阻為0。

      那麼，一定的溫度條件是多少呢？超導材料分為低溫超導材料和高溫超導材料。但這裡的高溫和低溫並不是我們平常生活中理解的高溫和低溫。低溫超導體的臨界溫度低於25~30K，高溫超導體臨界溫度高於25~30K。低溫超導體的冷卻劑為液氦，溫度為4.2K以下，高溫超導體的冷卻劑為液氫和液氮。可是，為何會産生超導現象呢？1957年，巴丁（Bardeen）、庫珀（Cooper）、施裏弗（Schrieffer）三人提出的理論率先向世人揭示了超導現象的原因。這一理論將超導現象理解為一種宏觀量子效應。該理論指出，超導材料中自旋和動量相反的兩個電子可以配對形成“庫珀對”，超低溫環境中“庫珀對”與電子晶格不發生能量交換，在晶格中可以無損耗地運動，即電阻消失，産生超導電流。低溫超導材料的主要代表有鈮鈦合金（NbTi）、鈮錫合金（Nb3Sn）、鈮鋁合金（Nb3Al）等合金，但由於低溫超導材料需要昂貴的液氦環境，使它的應用受到了限制。高溫超導材料可在廉價的液氮製冷環境中使用，主要代表有釔鋇銅氧（YBCO）、鉍鍶鈣銅氧（BSCCO）等化合物。

      科學家認為基於超導的技術，可以改變世界。那麼，超導材料具體有哪些應用呢？

      超導磁體是超導材料應用最多的一個領域，它在醫療領域有很多用處。在醫學檢測的核磁共振成像技術中，病人檢測時需要一個強磁場環境，由超導材料製備的超導線圈由於0電阻特性，電流可産生強大的磁場滿足該需求。

      大型科研設備，比如高能粒子對撞機、粒子加速器等都離不開超導磁體，通過傳統導線運輸的電能無法避免電阻耗能的問題，約10%的電能會以熱量的方式被浪費。而超導電纜的零電阻特性可有效避免能源損耗，比普通電纜能節省40%~80%的能量。

      超導計算機是21世紀計算機領域重要的研究方向，僅基於簡易超導器件的超導計算機，就可以每秒執行500億次指令，比目前最快的硅基材料還要快100倍。

      利用超導技術，在武器裝備方面可以製造超導量子干涉儀，展現出對周圍環境磁場及其靈敏度的識別能力，還可用於製造超導紅外探測器，以及超導電磁推進系統、超導坦克、超導飛機、超導太空發射器等。

      超導材料的應用絕非只有這些，人類對於超導材料的探索從未停止，超導體展現出欣欣向榮的發展態勢。縱觀百年發展，超導技術已在影響世界，且還有廣闊的研究空間造福人類生活的方方面面。