【导语】在科技创新日新月异的今天，超导技术作为实现高效能源利用和技术革新的关键，正吸引着全球科研人员的目光。习近平总书记强调，科学普及是实现创新发展的重要基础性工作。为此，中国科协科普部联合光明网推出“院士高端科普”栏目，邀请中国科学院院士、上海交通大学李政道研究所副所长丁洪，就超导这一前沿科技话题进行权威解读。从超导的基本原理到其重要特性，再到当前面临的挑战与未来应用前景，丁洪院士的讲解将带领我们深入了解超导技术，展望一个能量高效利用、技术全面革新的新时代。

编者按：习近平总书记指出，“科学普及是实现创新发展的重要基础性工作。”为助力高水平科技自立自强，中国科协科普部联合光明网推出“院士高端科普”栏目，邀请各领域院士就我国当下热点科技问题给予权威解答，服务引导更多科技工作者提升科研科普能力，促进全民科学素质提升，为科技强国建设贡献科普力量。#千万IP创科普

很多人第一次听到“超导”，可能会觉得陌生。简单说，超导就是某些材料在特定条件下电阻突然消失的现象。1911年，荷兰物理学家昂内斯发现水银在极低温下电阻为零，揭开了超导研究的序幕。这可不是小发现——没有电阻，电流就能毫无损耗地传输，能量效率会达到前所未有的高度。

超导材料的(de)另(lìng)一(yī)重要特性是“完全抗磁性”。处于超导状态的材料会将内部磁场完全排斥在外，这种“迈斯纳效应”让磁悬浮成为可能。医院里的核磁共振仪之所以能产生强大(dà)且(qiě)稳定的磁场，正是得益于超导磁体的应用——利用超导材料制造的线圈可以产生常规材料无法比拟的强磁场，同时避免了能量损耗带来的发热问题。

中国科学院院士、上海交通大学李政道研究所副所长丁洪

超导研究史上的里程碑之一出现在1986年。这一年，科学家发现了在液氮温度（-196℃）下就能实现超导的铜氧化物材料，这一突破被称为“高温超导”。这里的“高温”是相对概念——相比此前需要接近绝对零度（-273℃）的低温超导材料，液氮温度已属于易于实现的条件，但距离日常应用仍有差距。

高温超导面临两大核心挑战。首先是机理之谜。1957年的BCS理论完美解释了低温超导现象，其核心是电子通过晶格振动形成库珀对。但高温超导材料中电子间的相互作用远比低温超导复杂，呈现出强烈的“强关联”特性，几百种理论假说至今没有一种能完全解释其超导机制。这种理论困境如同隔着迷雾观察舞蹈——我们能看到电子的集体运动，却无法破译其背后的指挥逻辑。

其次是应用瓶颈。高温超导材料多为陶瓷性质，缺乏金属的延展性，难以加工成实用的线材或线圈。在核聚变等领域，虽然高温超导带材已开始应用（如上海超导生产的带材供不应求），但如何让材料在保持超导特性的同时具备良好的机械性能，仍是工程师们需要攻克的难题。

尽管存在挑战，超导的应用已在多个领域崭露头角。医疗领域，核磁共振成像（MRI）依靠超导磁体提(tí)供(gōng)的(de)稳(wěn)定(dìng)强(qiáng)磁(cí)场(chǎng)，实(shí)现(xiàn)了(le)对(duì)人(rén)体(tǐ)内(nèi)部(bù)结(jié)构(gòu)的(de)高(gāo)精(jīng)度(dù)成(chéng)像(xiàng)；能(néng)源(yuán)领(lǐng)域，超(chāo)导(dǎo)电(diàn)缆(lǎn)能(néng)大(dà)幅(fú)降(jiàng)低(dī)输(shū)电(diàn)损(sǔn)耗(hào)，在(zài)远(yuǎn)距(jù)离(lí)大(dà)容(róng)量(liàng)电(diàn)力(lì)传(chuán)输(shū)中(zhōng)具(jù)有(yǒu)不(bù)可(kě)替(tì)代(dài)的(de)优(yōu)势(shì)；交(jiāo)通(tōng)领(lǐng)域，超(chāo)导(dǎo)磁(cí)悬(xuán)浮(fú)列(liè)车(chē)利(lì)用(yòng)完(wán)全抗(kàng)磁(cí)性(xìng)实(shí)现(xiàn)无(wú)接(jiē)触(chù)运(yùn)行(xíng)，理(lǐ)论(lùn)时(shí)速(sù)可(kě)达(dá)600公(gōng)里(lǐ)以(yǐ)上(shàng)。

超(chāo)导(dǎo)电(diàn)动(dòng)高(gāo)速(sù)磁(cí)浮(fú)列(liè)车(chē)在(zài)国(guó)家(jiā)铁(tiě)道(dào)实(shí)验(yàn)中(zhōng)心(xīn)现(xiàn)场(chǎng)展(zhǎn)示(shì)

最(zuì)令(lìng)人(rén)期(qī)待(dài)的(de)应(yīng)用(yòng)当(dāng)属(shǔ)核(hé)聚(jù)变(biàn)。可(kě)控(kòng)核(hé)聚(jù)变(biàn)被(bèi)视(shì)为(wèi)“终(zhōng)极(jí)能(néng)源(yuán)”，而(ér)其(qí)实(shí)现(xiàn)很(hěn)可(kě)能(néng)离(lí)不(bù)开(kāi)强(qiáng)磁(cí)场(chǎng)约(yuē)束(shù)高(gāo)温(wēn)等(děng)离(lí)子(zi)体(tǐ)。高(gāo)温(wēn)超(chāo)导(dǎo)材(cái)料(liào)制(zhì)造(zào)的(de)磁(cí)体(tǐ)系(xì)统(tǒng)，能(néng)在(zài)更(gèng)小(xiǎo)的(de)体(tǐ)积(jī)内(nèi)产(chǎn)生(shēng)更(gèng)强(qiáng)的(de)磁(cí)场(chǎng)，是(shì)未(wèi)来(lái)聚(jù)变(biàn)反(fǎn)应(yīng)堆(duī)的(de)核(hé)心(xīn)部(bù)件(jiàn)。目(mù)前(qián)，全球(qiú)多(duō)个(gè)核(hé)聚(jù)变(biàn)项(xiàng)目(mù)已(yǐ)明(míng)确(què)采用(yòng)高(gāo)温(wēn)超(chāo)导(dǎo)技(jì)术(shù)，这(zhè)一(yī)应(yīng)用(yòng)或(huò)将(jiāng)在(zài)未(wèi)来(lái)20年(nián)内(nèi)走(zǒu)向(xiàng)商(shāng)业(yè)化(huà)。

展(zhǎn)望(wàng)未(wèi)来(lái)5-10年(nián)，超(chāo)导(dǎo)领(lǐng)域有(yǒu)望(wàng)迎(yíng)来(lái)两(liǎng)大(dà)突(tū)破(pò)。一(yī)是(shì)更(gèng)高(gāo)温(wēn)度(dù)超(chāo)导(dǎo)材(cái)料(liào)的(de)发(fā)现(xiàn)。目(mù)前(qián)已(yǐ)知(zhī)的(de)最(zuì)高(gāo)温(wēn)超(chāo)导(dǎo)材(cái)料(liào)在(zài)高(gāo)压(yā)下(xià)可达到-13℃，虽仍需高压条件，但已接近室温。科学家正通过设计新型晶体结构、探索多元化合物等方式，寻找能在常压下实现高温超导的材料，一旦成功，将彻底改变能源、交通等行业的格局。

二是拓扑超导的实用化。拓扑超导材料具有独特的“拓扑保护”特性，其表面的准粒子（如马约拉纳零能模）可用于构建容错量子比特。与传统量子比特相比，拓扑量子比特对环境干扰的抵抗力极强，出错率大幅降低，被视为实(shí)现(xiàn)通(tōng)用(yòng)量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)机(jī)的(de)关键。目(mù)前(qián)，全球(qiú)多(duō)个(gè)团(tuán)队(duì)正(zhèng)全力(lì)攻(gōng)关，目(mù)标(biāo)是(shì)在(zài)5年(nián)内(nèi)造(zào)出(chū)首(shǒu)个(gè)拓(tà)扑(pū)量(liàng)子(zi)比(bǐ)特(tè)，为(wèi)量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)奠(diàn)定(dìng)坚(jiān)实(shí)基础。

基础研究的每一步突破，都可能在未来绽放出改变世界的力量。当更高温度、更易加工的超导材料走进日常生活，人类或许将迎来一个能量高效利用、技术全面革新的新时代。

（文章系未来科学大奖十周年庆典期间光明网采访丁洪院士的内容，记者宋雅娟、蔡琳采访整理）