镍基高温超导新突破！我国超导技术是如何领先世界的？

　　12月3日凌晨，《自然》杂志在线发表了我国在镍基高温超导上的一个新成果，山东大学首创了“常压助熔剂法”，在常压下成功生长了系列双层镍氧化物单晶。并发现在21.6GPa压力下，该双层镍氧化物单晶临界转换温度可达到92K，打破了之前的镍基超导温度纪录。中国超导技术现在有多强？为什么这么强？今天我们就一起回顾下中国超导的发展史。

　　1908年，荷兰物理学家昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）成功实现了氦气液化。掌握这一技术后，他便在低温环境下做了各种实验。1911年，他的团队将水银放入液氦，意外发现了超导现象。1913年，昂内斯因在氦气液化和超导上的贡献，获得了诺贝尔奖。正所谓夏虫不可语冰，对于夏虫来说，谁先看到冰，谁就能掌握新的自然规律。登月、登火星、探测木星，都是“夏虫语冰”级科技，“先登者”必然收获丰厚。

　　昂内斯靠着低温技术发现了超导，但液氦低温成本太高，商业化十分不易，于是大家都在寻找液氮温区的超导体。氮气在空气中含量占比78%，获取十分容易；但液氮沸点77K，比液氦高很多。1911~1986的70多年间，超导临界温度长期没迈过23.2K门槛。1957年，三位科学家提出了解释超导现象的BCS理论。基于该理论，麦克米兰(William L. McMillan)认为，超导转变温度可能存在上限。这个上限是40K，被称为麦克米兰极限，离液氮沸点还有37K。

　　麦克米兰极限被提出后，它便成了全球攻关的重点。1986年1月，瑞士物理学家缪勒（K.Alexander Müller）和学生柏诺兹（J.Georg Bednorz）合作，发现了一种转变温度在30K的新型铜氧化物超导体。他们虽然没突破40K的麦克米兰极限，但也创造了新记录；之后两人将论文发在联邦德国《物理学报》上。当时南京大学有位蔡建华教授正在澳大利亚访学，他看到这篇文章后立即给国内同行——中科大的管惟炎和张其瑞写信，告知了相关情况，并请张其瑞将此消息转告物理所的赵忠贤。

　　赵忠贤1941年出生，1955年上高中。1956年，国家制定“十二年科技规划”，赵忠贤受“向科学进军”的号召影响，萌生了科技报国的理想。在萌生科技报国理想后，赵忠贤想报考地质专业为国家找矿，但体检时被误诊为扁平足，失去了报考资格。后来它对半导体感兴趣，1959年考入了中国科技大学技术物理系。半导体是“十二年科技规划”中“四大紧急措施”之一，赵忠贤这个选择也是在科技报国。但到分专业时，他看到低温物理也觉得很有意思，就选了这个“冷门”。

　　1964年，赵忠贤学成后进入中科院物理所工作，被安排到低温室洪朝生研究组。洪朝生也是50年代归国留学生，我国第一个低温物理实验室、第一个超导研究组都是他组建的。此后的二十年，赵忠贤从事了很多国防相关的研究。

　　1972年，中英建立大使级外交关系，两国恢复了科技交流。1974年2月，赵忠贤被派往英国剑桥大学进修，从事超导相关研究。1年零7个月后——1975年9月，赵忠贤回到祖国，开始把目标瞄准高温超导材料。但当时国内条件还很困难，经费短缺项目经常批不下来，赵忠贤等人只能将研究重点放在高温超导经验规律总结方面。这一时期他发表了一些理论猜想，甚至启发了美国相关实验室的研究。他很遗憾自己不能做这些实验，因为有些材料当时还搞不来。

　　在这种情况下，赵忠贤等人只能一边搞理论工作，一边加强业内同行间的联系，相互分享超导前沿信息。从1976年开始，赵忠贤等人开始组织全国性质的高温超导讨论会；到1986年一共举办了6次，每两年一次。在物质条件极端匮乏情况下，我国超导科研人员精诚团结、时时磨刀，就等一朝出鞘。

　　在只有800元资助的“第一届全国探索高临界温度超导体讨论会”上，参会人员确定了超导研究的十年目标，要将临界温度提升到30K。当时国际上的最高记录是23.2K。十年后——1986年，人类确实将超导临界温度提升到了30K，只不过这一成果是由瑞士物理学家缪勒和德国物理学家柏诺兹做出的。蔡建华在国外看到缪勒和柏诺兹论文时，第一时间想到要写信回国告诉同行，正是因为过去的十年中国超导领域的科研人员一直联系密切。

　　赵忠贤大约在1986年10月初看到了缪勒和柏诺兹的论文，他凭经验意识到这个成果的重要性。赵忠贤很快组织起4人研究小组，到12月底他们就合成出一系列镧锶铜氧(LaSrCuO)和镧钡铜氧（LaBaCuO）材料样品，其中有两个样品临界温度超过40K，突破了麦克米兰极限，也打破了世界纪录。同时在镧钡铜氧（LaBaCuO）系列样品中，赵忠贤小组甚至观察到了70K以上的超导迹象，这离液氮温区已经非常近了。

　　1986年12月27日，《人民日报》对此做了头版报道，引起国内外广泛关注。《纽约时报》评论道：“如果确实的话，这个成果可列为现代中国在实验物理学方面的第一个重要成果。”但因为这一成果是通过媒体向外公布的，一些国际同行对此表示质疑。

　　在外界压力下，赵忠贤等人不断尝试重复实验结果；但一直到1987年1月，得到的样品临界温度都只有40K，没再观察到70K超导迹象。到了1月底，他们突然想到，先前做出70K超导样品的原料是20世纪50年代生产的，杂质可能比较多，会不会是杂质因素导致的高温超导。后来经成分分析，先前的原料中确实有镧以外的稀土杂质，于是从2月6日开始，他们开展了一系列稀土元素掺杂和替代工作。

　　10天之后，1987年2月16日，赵忠贤等人从广播中得知，美国朱经武团队发现了临界温度高达98K的超导材料，但没有公布具体成分。这一消息稍微缓解了赵忠贤的压力，因为至少有国际同行，证明70K以上的超导是有可能了。

　　在美国这个报道3天后——1987年2月19日，赵忠贤团队注意到钇钡铜氧（YBaCuO）的异常现象，之后在2月20日，确认该样品的超导临界温度是78.5K。之后中科院物理所召开新闻发布会，对外宣布了成果，并公布了超导材料的成分。这是世界第一个公布成分的液氮温区超导体。

　　之前2月16日，美国朱经武团队宣布那个98K超导体，一直没公开成分。没公开成分，别人就无法复现，成果就无法验证。如果单纯宣布成果就算数，那1986年12月27日，《人民日报》宣布的70K成果，应该才是第一个。所以不管怎么算，中国绝对是世界第一个搞出液氮温区超导材料的国家。然而赵忠贤并没获诺贝尔奖，尽管历史上因超导获奖的多达10位。不过赵忠贤院士获得了2016年度国家科学技术最高奖，同一年获奖的还有屠呦呦。我们中国的奖，也一样有含金量！

　　值得一提的是，在赵忠贤团队公布高温超导成分后不久——1987年3月17日和3月27日，日本和美国科学家分别宣称发现了室温超导现象。室温超导临界温度需要在300K左右，但这些报道后来都没有下文。最近一次关于室温超导的轰动性事件是韩国的“LK-99”，但后来也被证伪。室温超导，成了人类追求的新目标。

　　虽然室温超导离我们还有距离，但77K以上的液氮温区超导已经有商业价值。美国早在1999年就推出了全球最大规模的超导合作计划（SPI：Superconductivity Partnership Initiative），批准了为期3年的1200万美元超导限流器开发项目和2600万美元的高温超导电缆项目。另外美国能源部还提出了“美国电网2030计划”，打算用超导技术建设骨干电网。2008年，纽约长岛在商业电网中安装了第一条第二代高温超导带材输电电缆，长度600米，能为30万户家庭提供电力。

　　日本也是从20世纪90年代开始实施SuperGM等超导电力技术研究计划，从2003年开始又连续设立两个5年计划。2008年，日本计划在横滨建设一条250米的超导线路。原计划2012年完成，但受2011年大地震影响，项目出现延期。不过据超导电缆供应商住友电工公布的信息，这个线路最后应该还是建成了，只不过长度缩到了240米。

　　韩国在2001年设立了应用超导技术发展先进能源系统的10年计划（DAPAS：Development of Advanced Power System by Applied Superconductivity Technologies），并在仁川济州岛投建了一条500米超导输电示范项目。欧盟1997年，开展了超导电网10年计划（1997~2006），然后德国在鲁尔区埃森市投建了1公里的超导电缆输电项目。

　　上面说的那些项目，截至2023年底很多已经停运，国外仍在运营的超导线路只剩3条，分别位于美国、德国和韩国。其中美国那条线路，已经不是前文提到的纽约长岛600米项目，而是芝加哥一条只有200米的线路。德国埃森市的1公里项目还在运营，而日本已经没有在役线路。韩国停运了济州岛500米线路，但2019年又投运了一条1公里项目，算是有进步。

　　说了半天国外，咱们中国又如何呢？早在2004年7月10日，我国第一组由国产线材制造的超导电缆已经在昆明正式并网运行，使我国成为继美国、丹麦后第三个将超导电缆投入电网运行的国家。这条线路2012年还在安全运行，创造了世界记录。而在2021年12月22日，我国在上海投运了全球首条35千伏公里级超导电缆。这条线路全长1.2公里，是当时全球输送容量最大、线路最长，并且全商业化运营的35千伏高温超导电缆。

　　最后，咱在回到文章开头山东大学的贡献，说说镍基超导。镍基超导其实是美国人2019年发现的，但临界温度很低。后来2023年，中国科学家用了十万个大气压，终于把镍基超导临界温度提升到了液氮温区。但十万个大气压很不优雅，后来薛其坤院士团队自主研发了“强氧化原子逐层外延”技术，可以在纳米尺度上“搭原子积木”，构建趋于完美的氧化物薄膜。然后又用“原子铆钉术”，固定住了原本需要极高压环境才能稳定住的原子结构。

　　但该技术所能达到的镍基超导临界温度，一直没见到详细报道，可能成果并不理想。而这次山东大学另辟蹊径，利用“常压助熔剂法”制备出双层镍氧化物单晶，在临界温度上又实现了新的突破。虽然仍需要高压环境，但毕竟是一个进步。量变引起质变，相信通过这些微小进步的积累，人类最终一定能发现室温超导。希望这一发现，最终能由中国科学家做出！