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演绎inSite 第十二期节目

超导:改变未来世界


罗会仟,中国科学院物理研究所副研究员、科普作家、中国科学院青年创新促进会数理分会会长。获首届全国青年科学博客大赛 “最佳科学博客奖”、中国科普作家协会优秀科普作品金奖、上海市科技进步二等奖。创作《水煮物理》、《超导 “小时代”》等系列,参与撰写《十万个为什么(第六版 物理卷)》、《物理学的足迹》、《新科技知识干部读本》等。


罗会仟 @演绎inSite 演讲视频链接:

以下为罗会仟老师演讲文字稿:

(根据演讲现场整理,基于原意有所删减,完整版请看视频)


大家好,我是来自中国科学院物理研究所的副研究员罗会仟,今天跟大家分享的是未来世界中非常重要的材料——超导材料,这也是我的科研的主要方向。


超导到底是什么样的材料?


首先从电开始说起,现在的社会实际已经离不开电了,电在未来是不可或缺的资源,但我们在用电的过程中会产生电的损耗。比如用高压输电的方式把发电厂的电输送到家里,长距离输送后电损耗了 15% 以上。大家不要小看这 15%,如果把这 15% 节约下来,现在的能源也许可以多用 50 年、上百年,我们的子孙后代也许能够更好地利用资源,也许我们可以度过地球的能源危机。


所以如何善用电呢?这就要借用超导材料。超导就是超级导电,这种材料的导电性非常好,以至于它的电阻是零,也就是说电流在流动的过程中是是零损耗的,所以说超导材料是让电流更加有效的一种方式。


第一个发现的超导材料是金属汞,就是常说的水银,它的超导温度很低,大概在 4.2K,零下 269 度。很多金属材料都是超导材料,现在用的电线中作为导线的铝就是超导体,但它在室温下不超导所以存在一定的损耗。如果把电线换成超导材料,就可以让电跑得更快跑得更好。


图 | 电影《阿凡达》中的室温超导体 “Unobtanium”(来源:《阿凡达》)


超导材料对科学非常重要。


比如大家总觉得粒子物理学家跟我们做凝聚态物理的好像没什么关系,但实际有很大关系。因为粒子物理学家或者高能物理学家,能帮助我们认识人类的未知极限和从来没有达到的能量尺度,帮助我们看有没有新的世界出现。


这需要造大型的粒子加速器、对撞机,要把基本粒子撞碎找更基本的粒子,甚至找更复杂的物理的机制。造大型的对撞机把粒子加速到人类前所未到的能量尺度就需要借助超导材料,因为超导材料是零电阻的并能提供非常强大的磁场,这种非常强大的磁场是加速粒子的重要的工具。


在欧洲的大型强子对撞机叫 LHC,希格斯粒子就是在那里发现的,上面有多少个超导磁体呢?一共有 9300 个超导磁体,如果没有超导磁体粒子物理学家基本上什么活也干不了,所以超导对基础科研非常重要。


图 | 一块磁铁漂浮在超导体之上(来源:Wikimedia Commons)


超导对未来的能源也非常重要。


地球上所有的能源都来自太阳,太阳是一个巨大的核聚变的气球,它的温度特别高,表面的温度有几十万摄氏度,内部的温度几千万甚至上亿摄氏度。 如果在地球上造一个所谓的人造太阳,也许地球上的人就不用再依赖化石燃料能源了,想象很美好当然实践起来非常困难。


但是太阳这么高的温度拿到地球上怎么办?我们没有任何容器能装这么高温度的东西,因为一碰它都会气化,那怎么实现呢?


借助超导体提供的强大的磁场约束太阳里主要的高温等离子体,不让它跟任何东西接触使它周围都是真空,热量传不出来我们就比较安全,就可能实现人工的可控的热核聚变,学名叫做托卡马克,又叫人造小太阳。


在中国我们就有好几个人造小太阳,其中在合肥的科学岛上我们有个全超导的托卡马克。在欧洲我们正计划着要建造一个非常大的,叫做国际热核聚变装置,也叫做 ITER,据说这个装置完全运行就可以实现把一个国家的电全部解决,而人造太阳需要超导。


“我们每一位都有可能见证量子时代的到来!”


说到超导非常容易想到的是科幻,在科幻电影《阿凡达》里有座悬浮的大山,悬浮是因为山里藏着神奇的矿石,这个矿石在那个星球的环境下就是室温超导材料。

 

图 | 《阿凡达》中的哈利路亚山(来源:《阿凡达》)


大家不要觉得那只是科幻,其实在现实中完全可以实现。如果把一块超导磁放到一个大概 0.5 特斯拉的磁场里,就可以完全悬浮起来。这就利用了超导材料非常重要的磁性质,又叫完全抗磁性。一方面超导体一旦变成超导态,这个材料就像有金钟罩铁布衫一样,磁场进不去而磁中心会绕着它走。另一方面非常重要的是超导体还能锁住一部分磁场,磁力线能进去一部分,意味着磁场对超导材料有一定的约束力。


磁悬浮可以干嘛?


最直接的就是磁悬浮列车,我们现在坐的高铁最快的速度是 450 公里每小时,如果换成全部是超导的磁悬浮在实验上已经能够达到 600 公里每小时。


假想我们把磁悬浮列车放在一个真空的管道里,把它空气抽掉后空气阻力也没了可以跑得更快,快到什么程度?快到比飞机还快,理论上真空中的超导磁悬浮列车可以跑到 3000 公里每小时以上,以后北京到上海只需要半个小时!


那跑这么快安全吗?


超导磁悬浮列车比常规磁悬浮列车更加安全,因为常规磁悬浮列车靠的是磁极的相吸或者相斥,一旦偏离平衡点很容易脱轨。但超导磁悬浮磁通线实际上进去了一部分,磁场跟超导材料有一定的相互作用,一旦偏离轨道会把它拉回来。如果想制动,就把这个材料升温变得不超导,它就马上落到轨道上产生摩擦制动。所以超导磁悬浮列车比传统的磁悬浮列车更安全也更快捷。


图 | 上海磁悬浮列车(来源:Pixabay)


这是对我们生活的改变,再想远一点就是通讯。


十年前用非智能手机打电话时,经常发生串号的情况,是因为别人打电话频率跟你的重叠,以前的滤波效果非常差。而利用阻抗很强的超导材料就可以造一个超导滤波器,它可以抗干扰,其实我们已经把这个超导滤波器放到天上去了,在天宫二号上就放了一个超导滤波器。当然超导滤波器不是用来跟外星人通讯,而是我们自己有一些比较秘密的通讯,不能让大家知道的,可以说超导让通讯更加安全。


另一方面超导还会让量子应用变得更加日常。


量子是一切微观粒子的总称,超导材料的第三个性质就是超导现象,一种宏观量子效应,本质是因为低温时电子发生了量子效应,然后电子配对、凝聚,再形成超导。


现在用的手机、电脑芯片都是半导体芯片,如果把半导体芯片换成超导材料,利用超导材料量子相干的性质制作量子芯片,那这种芯片控制的就不是电子通过不通过了,而是某一个特殊的量子通过不通过。比如最近中国科学家发现的马约拉纳费米子,是一个很神奇的量子态,我们可以控制它实现量子芯片。

 

图 | 半导体芯片(来源:Pixabay)


如果能够非常方便地用到超导材料,到底会对我们的生活、社会、科学带来什么样的变化?


首先最直接的就是,所有用到电的地方都可以换成超导材料。把整个电网全部换成超导体就不用担心输电会损耗了,很远的地方甚至整个地球都可以组成一个电网。我们可以在海上造很多发电机,把这些电全部用起来,未来可以做超级省电的超级电网,这是可以实现的其实并不遥远。


第二是把电脑芯片换成量子芯片,可以构造量子计算机。量子计算机可以实现的方法有很多,那么我们把芯片简单地换成超导的芯片,是最快捷最有可能实现的一个途径。量子计算机听起来很悬,好像离我们特别遥远,实际量子计算机已经悄悄地在我们生活里出现了。


在几年前,Google 买了一台叫做 D-wave 的量子退火机,它是量子计算的原型机,现在 IBM 公司自己造了一台叫 IBM Q,最近还刚刚升级变成 Q2 代,这就是严格意义上的量子计算机了。


虽说现在量子计算机还在蹒跚学步,性能也没有那么好,但第一台电脑诞生的时候,要堆三层楼那么高,而我们现在用的任何一台手机都能超过第一台电脑的运算能量,所以科技的发展是不可想象的。


图 | 量子计算机处理器(来源:Pixabay)


中国在量子通讯中是走在世界前列的,我们发射了世界上第一颗量子卫星叫做墨子号,可以利用量子卫星发射的光传输量子信号,这两束光是有纠缠的,可以配一个保密的钥匙,中间截获信息是没用的只有知道钥匙密码的人才知道传递什么信息,所以它是一种非常保密的通讯手段。

 

但要实现这种量子通讯,其实有个非常关键的地方,就是接收天上的卫星发出的光,而且要非常精确地把每一个光子都收到,也就是地上的探测器是单光子探测器。


现在用的单光子探测器,主要用的是半导体硅,硅的效率相对值比较低,如果用超导材料做单光子探测器,探测效率至少可以达到 90% 以上,虽然成本要高一点但可以大大提高探测效率,提高量子通讯的快捷方便和安全性。


在生活中,我们可以在家里造一个磁悬浮沙发,躺在一个云朵的沙发上惬意地看电视;出门可以开磁悬浮汽车,速度可以非常快;天上甚至可以造一个磁悬浮的飞碟一样的环,可以把楼造到天上去,不需要盖地基了。未来的家居、出行都可能会带来很深切的改变。


另外超导还可以造一个非常轻便的发动机,这种发动机不仅轻便,而且非常节约能源。我们可以造一个超级续航的核潜艇,潜到以前从来没有到过的深海里去,去看一看海沟里究竟有没有住着美人鱼。



除了下海我们还可以上天,上天不只是在地球上的航天,甚至可以走的更远。电影《太空旅客》讲的就是地球已经不适于生存,人类必须去寻找未来家园。如果能实现超导的人工可控核聚变,飞船装一个核聚变的发动机,所需要的燃料实际非常少,只要极其少量的氘和氚元素就可以飞 100 年,飞到人类从未到达的宇宙深处,去看看那里有没有适合我们生存的家园。


实际超导的未来已经到来了。量子计算这几年非常火,中国也有雄心勃勃的量子计算的计划,据说我们计划要十年内拥有真正意义上的量子计算机,这十年已经悄悄地过了两三年,所以我们每一位都有可能见证量子时代的到来,把我们的电脑换成量子计算机,把我们的手机换成量子手机,把我们生活里所有用到电的地方都变成超导材料!


谢谢!


来源:未来产业促进会

 

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原文始发于微信公众号(工程客)

分类: 工程客

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