中国在高温超导领域取得突破：量子材料的重大变革
超导革命：中国迈向未来的一大步
中国的科学家们在超导领域取得了重大进展。由南方科技大学校长徐科领导的研究团队，与粤港澳大湾区量子科学中心和清华大学合作，在高温超导体方面取得了突破性进展。他们的研究结果于2月17日发表在《自然》杂志上，证实镍基材料可以在常压下实现超导，使其成为继铜基和铁基超导体之后，第三类突破40K麦克米兰极限的材料。
这项发现为解决凝聚态物理学中最重要的问题之一——高温超导背后的机制，提供了一条新途径。其意义不仅限于学术研究，这一进展还可能带来能源传输、医学成像和量子计算等领域的革命性应用。
中国如何克服超导的压力壁垒
超导体通常被比作电流的“零损耗高速公路”，自1911年被发现以来，一直是广泛研究的主题。传统的超导体仅限于超低温环境，其最高转变温度被限制在40K，这是一个被称为麦克米兰极限的理论边界。几十年来，研究人员一直在寻找能够在更高温度下实现超导的材料，其中铜基和铁基化合物处于领先地位。
镍基超导体在2019年成为一个有希望的竞争者，当时美国科学家首次在镍基薄膜中观察到超导现象。然而，它们的转变温度太低，不具备实际应用价值。2023年，中山大学的研究人员在液氮温度下，在超过大气压10万倍的极端压力下，在镍基材料中实现了超导。虽然令人印象深刻，但这种对高压条件的依赖限制了其商业可行性。
现在，由徐科领导的中国研究团队已经克服了这一挑战，成功地在常压下诱导镍氧化物薄膜实现超导，其转变温度超过40K。这得益于一种名为“高氧化原子层外延”的新型合成技术，该技术能够对材料结构进行精确的原子控制。通过构建原子级薄膜并通过界面工程稳定它，研究人员设法复制了超导所需的高压条件，而无需外部高压环境。
该团队进行了广泛的电磁传输测量，以确认超导状态，识别出零电阻和迈斯纳效应——超导的关键标志。他们的研究结果表明，通过进一步优化，镍基超导体可以实现更高的转变温度，有可能达到液氮范围（77K），这将大大提高它们的实际应用。
全球超导竞赛：谁将主导下一个技术前沿？
理解和利用高温超导体的竞赛长期以来一直是国际竞争的热点。值得注意的是，美国斯坦福大学的研究人员在同一时间独立报告了类似的研究结果。美国和中国团队的同时发现，突显了全球在解锁镍基超导体潜力方面的努力强度。
中国团队研究的与众不同之处在于，他们完全依赖国内开发的实验仪器。通过推进自己的高氧化外延技术，他们不仅生产出了更高质量的薄膜，而且为中国在超导材料研究方面的长期独立奠定了基础。这是一个至关重要的战略优势，因为超导体是下一代电网、超高速计算和量子技术进步的关键。
超越实验室：这项突破如何重塑产业
1. 电网革命：零能量损耗指日可待
超导体具有通过消除电阻来彻底改变能量传输的潜力。目前，很大一部分电力在传输过程中以热的形式损失掉。如果可以将具有更高转变温度的超导体集成到电网中，它们就可以实现远距离的无损能量传输，从而显着提高效率。智能电网技术、高压直流（HVDC）系统和能源基础设施的投资者应注意这一发展。
2. 量子计算的下一个飞跃：降低成本并提高可扩展性
超导材料是量子计算的基础，它们可以用来制造高度敏感的量子比特。IBM、谷歌以及中国的阿里巴巴和百度都在积极投资超导量子计算机。稳定、高温超导材料可以降低冷却成本并扩大量子处理器的可扩展性，从而使量子计算在商业上更可行。
3. 使先进的医学成像更实惠
磁共振成像（MRI）机器依靠超导磁体来产生强大的磁场。目前，这些机器需要昂贵的液氦冷却系统来维持超导性。如果镍基超导体可以实现更高的转变温度，MRI系统可能会变得更加实惠，从而使小型医院甚至农村医疗中心可以使用先进的医疗诊断技术。
4. 超导体与半导体行业的未来
中国的突破可能对半导体行业产生深远的影响。超导材料可用于超高速逻辑电路和下一代半导体器件。在全球半导体供应链紧张的情况下，中国在该领域的成功增强了其在先进材料科学领域的地位，并可能推动对国内芯片制造能力的进一步投资。
下一步是什么？超导技术的挑战与未来
虽然这项突破是向前迈出的重要一步，但在实际应用成为现实之前，仍然存在一些挑战。首先，40K的转变温度虽然令人印象深刻，但仍低于广泛工业应用所需的液氮阈值（77K）。需要进一步的研究来提高这个极限。此外，扩大高质量镍基超导体的生产规模将需要新的制造技术和具有成本效益的合成方法。
尽管如此，潜在的回报是巨大的。在常压下制造超导体的能力为以前由于高压合成的限制而被认为不可行的新应用打开了大门。这项工作还为研究高温超导背后的基本机制提供了一个新的实验平台，这是凝聚态物理学中一个尚未解决的问题。
这是超导未来的曙光吗？
中国成功合成常压镍基超导体不仅仅是一个科学里程碑，它标志着超导研究新篇章的开始。无损能量传输、增强的量子计算和经济高效的医学成像的潜力，突显了这一发现的深远影响。随着全球舞台上竞争的加剧，高温超导体的竞赛将塑造能源、计算和材料科学的未来。
对于研究人员来说，这是凝聚态物理学中的一个关键时刻。对于投资者来说，这是一个难得的机会，可以利用一项可能重塑整个行业的技术前沿。未来几年对于确定这一突破是否会带来实际的、商业上可行的应用至关重要，或者它是否仍然是一种学术上的好奇心，等待着它的下一个飞跃。