超导

超导是人类首个发现的宏观量子现象。

超导是凝聚态物质中首个发现的宏观量子现象，对基础科学和应用研究都有巨大的意义。

超导是首个发现的宏观量子现象，此外，玻色-爱因斯坦凝聚、量子霍尔效应、液氦超流态等也属于宏观量子现象，是连接宏观与微观的重要桥梁。

(4959)次阅读|(0)个评论超导的典型应用2024-12-05超导的典型应用罗会仟【注】本文刊载于《现代物理知识》2024,36(5):

(6657)次阅读|(4)个评论超导材料简介2024-11-24超导材料简介罗会仟【注】本文刊载于《现代物理知识》2024年4期“超导材料及其应用专栏”。

进一步的研究发现，将半导体过渡金属硫族化合物二硒化钨（WSe2）与Bernal堆垛双层石墨烯结合形成异质结构，由于近邻效应增强了自旋轨道相互作用，使得双层石墨烯的超导态能在零磁场下显现，并且超导转变温度可显著提升至约300mK。

令人惊讶的是，在选定的超导转变温度和临界垂直磁场下，尽管超导性质相似，空穴掺杂超导和电子掺杂超导在平行磁场依赖性上表现出截然不同的行为。

先前的研究认为，二硒化钨对石墨烯系统超导性的增强可通过近邻效应引入的Ising自旋轨道耦合相互作用来解释，而超过泡利顺磁极限的空穴掺杂超导则是Ising自旋轨道耦合相互作用的直接结果。

具体来说，空穴掺杂的超导态违反了泡利顺磁极限，而电子掺杂的超导性则始终遵循该极限。

尽管本研究通过费米面分析在导带中观测到明显的Ising自旋-轨道耦合相互作用，但电子掺杂的超导电性却未违反泡利顺磁极限。

这一发现表明，二硒化钨对双层石墨烯中超导性的增强效果可能不仅仅来自于Ising自旋轨道耦合相互作用引入的近邻效应。

实验结果显示，空穴和电子掺杂的超导正常态对应于部分极化的费米面情况。

研究还对比了双层石墨烯中电子掺杂超导和空穴掺杂超导的性质。

研究不仅为理解单晶石墨烯甚至魔角石墨烯的超导机制提供了重要的实验数据和限制条件，同时为基于稳定结构的单晶石墨烯设计和制造新型超导量子器件奠定了坚实的基础。

更为重要的是，他们在实验中首次观察到了在电子掺杂条件下的超导现象，这在单晶石墨烯中尚属首次。

研究揭示了在这种系统中，空穴掺杂的超导性能如何随着电场和载流子浓度的变化而变化，呈现出完整的相图。

2021年，研究者在菱方堆垛的三层石墨烯中，通过栅极静电调控，观察到了空穴掺杂的超导现象，其超导转变温度约为100mK，引起了广泛关注。

超导应用领域尚待解决的关键技术问题有：如何找到综合性能优越且适合规模化应用的超导材料？

超导的典型应用超导的典型应用精选

超导材料和超导机理的研究是近代物理学的重要研究课题，而石墨烯超导是近年发现的新颖的超导体系，但是有关晶体石墨烯超导的观测和理解还处于初步阶段。

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在镍基超导材料探索和机理研究的征途上，中国科学家团队几乎取得了全面领先的态势。

科学家们发现了一系列铜氧化物高温超导材料，它们都属于铜酸盐类，具有典型的准二维层状结构，其中Cu-O面作为导电层，其他氧化物层作为载流子库层。

从理论上来看，超导态下的准粒子激发——波戈留波夫粒子就由一对马约拉纳费米子组成，因此在超导材料中寻找马约拉纳零能模，是拓扑量子计算的基础[35]。

如何借助超导材料推进新一代量子革命？

如何大幅度提高现有超导材料的性价比？

随着能源消耗的与日俱增、AI技术的迅猛发展、量子革命的加速到来，未来的超导应用需求是海量的，人类的发展定然离不开超导材料。

[38]马廷灿,万勇,姜山．铁基超导材料制备研究进展[J]．科学通报,2009,54(5)：557-568.

富氢高温超导材料[J].

2015年，赵忠贤和陈仙辉获得超导材料领域的最高奖项——马蒂亚斯奖；

纵观超导研究的百余年历史，我们会发现关于超导材料的探索和机理的研究始终位于凝聚态物理学的最前沿。

能否实现新超导材料的准确预测和量子构筑？

超导基础研究领域尚待解决的重大科学问题有：常压室温超导材料能否实现？

超导材料是否可以进一步发掘出更具有实用化价值的新量子物态？

超导材料普遍存在于各种化合物之中，超导电性的探索带动了材料科学的发展，刷新了我们对自然界的许多认知；

近年来，新超导材料的涌现是不断加速的，对超导材料物性和机理的研究的周期在不断缩短。

在众多的超导材料里，适用于超导量子比特的寥寥无几，因为需要能做到极高纯度、优异微纳加工特性、极强稳定性等特殊要求，目前主流的量子比特都采用高纯铝。

基于超导材料的微波器件还有：超导低噪放、超导振荡器、超导固定延时线、超导混频器和超导相变边沿探测器等等[21][22]，这些设备可以满足许多精密探测的高标准要求；

由于超导弱电应用所需的超导材料体量要小得多，且器件可以做到类似半导体的封装和集成，因此对材料的毒性、机械加工性能、化学稳定性等没有太苛刻的要求，但对微纳加工特性提出了新的要求。

我国自主研制的高温超导微波接收机前端已在天宫二号进行了空间实验验证，未来超导微波器件还将在宇宙深空探测中发挥关键作用。

所以，超导的强电应用的关键，就是在相同温度下尽可能提升材料在强磁场下的工程临界电流密度，使其能在强电强磁下保持优异的性能（图6）[4]。

二是将高温超导带材制成特殊的超导磁体，在列车逐渐提速运行下，借助切割磁力线产生的斥力实现电动悬浮（图1）。

图5典型超导应用材料的临界曲面超导强电应用场景下对超导体的临界参数有很高的要求，主要涉及：临界温度Tc，临界磁场Hc（或Hc2），临界电流密度Jc。

超导强电应用场景下对超导体的临界参数有很高的要求，主要涉及：临界温度Tc，临界磁场Hc（或Hc2），临界电流密度Jc。

一、超导的强电应用。

遗憾的是，受到实际应用条件和环境的制约，以及化学稳定性、加工难度、机械强度、原料成本等方面的影响，已有的上万种超导材料里适合应用的体系却极其有限。

二、超导的弱电应用。

基于约瑟夫森效应的超导弱电应用也有很多，例如：我们现在各种电器的电压基准就是根据交流约瑟夫森效应来定义的，通过测量交流电的频率就能以极高精度确定电压大小，而且与材料性质和环境条件无关[24]；

相比于强电应用，超导的弱电应用往往在零磁场或极低磁场环境下，其关键并不强烈依赖于三个临界参数，而依赖于超导态下的相干长度、穿透深度、表面阻抗等参数。

超导单光子探测器在量子通信领域有关键作用，如将光纤双场量子密钥分发的安全传输距离推进到833公里[18]。

超导材料具有非常优异的表面阻抗，其微波表面电阻比正常金属材料还要低2-3个数量级，所以超导在微波领域有着不可替代的应用。

四、超导应用的展望

四、超导应用的展望超导研究已有113年的漫长历史，前后有10位科学家直接因超导研究获得了诺贝尔物理学奖[40]。

在过去的15年时间里，科学们一直在努力尝试应用铌基量子比特，因为它的临界温度是单质金属中最高的（9K），工作频率范围是铝基量子比特的8倍，工作磁场范围是铝基量子比特的18000倍，但其相干时间要短得多。

如今，超导大规模应用的序幕正在展开，未来，科学家们还将发掘出更多的超导应用环境和途径。

如何实现更大电流、更强磁场、更高精度的超导应用场景？

超导量子计算的核心在于超导量子芯片，由多个超导量子比特和纠错单元耦合而成，其加工工艺同样与半导体工艺基本兼容。

图5典型超导应用材料的临界曲面

图8超导量子干涉仪与超导二极管[25]虽然低温环境是制约超导应用的瓶颈，但也意味着功耗将大幅降低，这促使人们思考超导在低温电子学领域的应用。

虽然低温环境是制约超导应用的瓶颈，但也意味着功耗将大幅降低，这促使人们思考超导在低温电子学领域的应用。

图1超导材料的典型应用[1]

常见的超导应用材料体系有Nb、Nb-Ti合金、Nb3Sn、Nb3Al、MgB2、ReBa2Cu3O7-δ、Bi2Sr2CaCu2O8+δ、Bi2Sr2Ca2Cu3O10+δ、Ba1-xKxFe2As2等[3-5]。

漫谈第二代高温超导带材.

图2铜氧化物高温超导带材及电缆的内部结构[9]

至此，镍基超导电性已经成为板上钉钉的事实，镍基超导家族成员也在不断壮大。

2008年发现的铁基超导家族，虽然部分体系的临界温度可以突破40K，但块体材料的最高临界温度也不过55K，而且因为对空气敏感或有毒等问题制约了应用的发展[2]。

一方面，人们迫切期待寻找到更多的高温超导家族能够更好用；

镍基超导体在高压下的临界温度突破了液氮沸点，而且具备和铜氧化物高温超导体以及铁基超导体类似又有所不同的机制，可以说是新一代的高温超导家族。

人们初步认为镍基超导存在与铜氧化物超导类似的配对机制，但在多轨道物理方面又与铁基超导类似，所以镍基超导很可能是揭示高温超导微观机理的重要桥梁。

未来，常压室温超导的发现和高温超导微观机理的解决都有可能让超导领域再次获得诺贝尔奖殊荣，而首个非常规超导体——重费米子的发现、第二个高温超导家族——铁基超导体的发现和逼近室温超导的高压氢化物超导体的发现，亦有角逐诺贝尔奖的实力，超导的研究之路上还会不断焕发惊喜。

超导现象于1911年被荷兰莱顿大学的海克·卡末林·昂尼斯团队发现，他们测量金属汞在低温下的电阻，发现到4.2K时突然降低到了10-5Ω（仪器测量最小精度）以下，昂尼斯认为此时汞的电阻彻底消失，实现了“超级导电”的零电阻状态（图1）[3]。

图7基于超导单光子探测器的激光测距技术[17]

基于超导单光子探测器的激光测距技术，精度非常之高，在38万公里的月地距离尺度上可实现厘米量级的分辨（图7）[17]。

超导单光子探测器是最灵敏的光电探测装置，探测效率可达98%以上，远远大于半导体光子探测器的30%左右的效率[15][16]。

部分有机导体在高压下也能呈现超导电性，一些处于特殊结构（如无定形、非晶、二维）下的材料也可能超导[2]。