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走向“高温超导”新境界(砥砺奋进的5年·中国温度)

http://www.btobcn.net  发布时间:2017-9-6 17:20:42
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  每小时4000公里,中国航天科工集团近日向外界透露的“高速飞行列车”快得着实让人瞠目结舌。大家在惊叹的同时,对其中应用到的技术非常感兴趣。“高速飞行列车”技术总负责人毛凯通过媒体,介绍了相关技术。他指出,高温超导磁悬浮技术是列车飞行的核心秘诀。实际上,应用这种技术,西南交通大学国家重点实验室已经建立了一条环形的高铁磁浮试验线,高温超导磁悬浮车在上面运行速度最高可达每小时1000公里。
  与我们所熟知的上海磁悬浮列车和长沙磁悬浮列车通过电实现车体悬浮运行不同,航天科工正在研制的“高速飞行列车”和西南交大的“高温超导磁悬浮列车”是采用高温超导技术实现悬浮的,这为其最大限度减轻摩擦力,实现高速运行奠定了前提。因此,高温超导技术的发展水平制约着“高速飞行列车”和“高温超导磁悬浮列车”研制和应用。
  高温超导中的“高温”是相对于零下270摄氏度的低温超导而言的,这里的“高温”其实是我们通常意义上的超低温,甚至达到-196摄氏度液氮的温度。
  超导全称超导电性,是20世纪最伟大的科学发现之一,指的是某些材料在温度降低到某一临界温度,或超导转变温度以下时,电阻突然消失的现象。具备这种特性的材料称为超导体。超导体得天独厚的特性,使它可能在各种领域得到广泛的应用。但由于早期的超导体存在于液氦极低温度条件下,极大地限制了超导材料的应用。人们一直在探索高温超导体。上世纪80年代中后期,以赵忠贤为代表的中国科学家加入到国际高温超导竞争,他带领实验团队在钇钡铜氧中发现了临界转变温度93K(-180摄氏度)的液氮温区超导体,实现了一个世界级突破,从-268.8摄氏度的液氦温区提高到-196摄氏度的液氮温区,意味着制冷难度和成本的大幅度降低。该成就为赵忠贤赢得了1989年国家自然科学一等奖。
  在日本科学家发现铁基超导体后,赵忠贤带领团队将超导临界温度先是提高到显著超过40K(-233摄氏度)的麦克米兰极限,之后创造了大块铁基超导体55K(-218摄氏度)的最高临界温度纪录。2013年,赵忠贤因“40K以上铁基高温超导体的发现及若干基本物理性质研究”再捧得国家自然科学奖一等奖。 2015年,赵忠贤荣获国际超导领域重要奖项马赛厄斯奖。2017年1月,他因在超导领域杰出的贡献,获得2016年度国家最高科学技术奖。
  近年来,中国科学家在高温超导领域又陆续取得一系列突破。清华大学和中科院物理所的团队在仅有一个原子层的FeSe薄膜上发现了65K(-208摄氏度)以上的超导电性,在上海交通大学、复旦大学、北京大学等研究团队的推动下,发现这类超导现象可能源于界面效应,还有可能出现100K(-173摄氏度)以上的高温超导电性;2014年,吉林大学的研究人员从理论上预言一种化合物在高压下可实现191K(-82摄氏度)的高温超导,将突破164K(-109摄氏度)的临界温度纪录。
  利用目前已发现的高温超导材料,研制相关设备,满足生产生活需求,让超导科技尽快造福人类,是我国科学家努力的重要方向。2017年3月和5月,国内首台基于国产YBCO超导带材的高温超导发电机经过了测试,电机运行良好,各项指标依据国标测试达到了预期值。该发电机由中科院电工所协同上海电气集团上海电机厂有限公司共同研制,电机高温超导带材绕制而成的跑道线圈结构运行温区为77K(-196摄氏度)
  为寻找新的、性能更优异的超导材料,科技部印发的《“十三五”材料领域科技创新专项规划》,明确把高温超导材料列为重点内容之一。找到室温超导体即室温下电阻为零的导电体是包括我国科学家在内的世界科学界共同努力的方向。这种超导体将给社会生产和生活很多领域带来根本性变革。多年来,中国超导科技工作者勇攀高峰,在世界超导科技竞争中表现优异。正如《科学》杂志在一篇题为《新超导体将中国物理学家推到最前沿》的文章中所说:“如洪流般不断涌现的研究结果标志着在凝聚态物理领域,中国已经成为一个强国。”


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