能源信息等领域的战略级科技（开卷知新）

　　今年以来，我国自主设计建造的“人造太阳”全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）取得重大成果，“祖冲之号”超导量子计算机也不断取得新的突破，标志着我国在能源、信息相关前沿研究领域中占据了制高点。在这些重大科技突破的背后，都离不开超导材料与超导技术的发展。

　　超导是人类发现的第一种宏观量子现象，具有丰富科学内涵和广阔应用前景。超导表现出的零电阻和完全抗磁性等奇特性质，目前已在近万种材料中被发现。超导的研究历程已经跨越了一个多世纪，但人们的研究兴趣依然未减。超导研究一次次打破人们对微观物质世界的认知，推动了新物理概念的产生、新物理规律的发现和新方法的建立；超导材料也被广泛地应用于能源、信息、医疗、国防、交通等领域，在许多方面发挥着不可替代的作用。

　　零电阻和完全抗磁性是超导体的基本物理特征

　　对超导态的认识可以追溯到1911年，当荷兰物理学家卡末林·昂内斯把金属汞冷却到液氦温度4.2开尔文（约为零下269摄氏度）时，意外发现其电阻跳跃式地下降到了设备检测不到的数值。卡末林·昂内斯将这一当时物理学界无法理解的全新物态命名为“超导态”，进入超导态的物体被称为超导体。随后20多年时间里，物理学家又发现超导态的完全抗磁性：小磁场无法穿透到超导体的内部。换言之，磁场被超导体排斥，只能从超导体的表面附近“绕过去”。这些独特的电磁学性质与人们所熟知的金属特性完全不同，需要一套全新的物理理论进行描述。

　　对超导态的解释是20世纪前半叶物理学最重要的问题之一。许多顶尖物理学家提出过自己的见解，但都不能完全解释实验现象。上世纪50年代末，这个方向出现了重大突破——在理论和实验物理工作者的共同努力下，人们确认超导态的出现是由于固体中电子受到原子振动影响，两个电子之间产生相互吸引作用，形成特殊的“电子对”。配成对的两个电子可以当作一个基本的单元来考虑，它们的行为与单个电子截然不同，能够相干在一起发生宏观凝聚现象，形成具有零电阻和完全抗磁性的超导态。这一超导微观理论是量子力学建立之后最重要的理论进展之一，其建立的概念也推动了宇宙学、粒子物理学、核物理学等学科的发展。

　　持续探索超导材料，高温超导家族不断壮大

　　建立超导态形成的微观理论的同时，人们也在寻找具有更高超导转变温度（即临界温度）的材料。遗憾的是，几十年时间里超导临界温度的提升并不明显，最高只能到20多开尔文，离最常用的制冷剂——液氮的沸点温度（77开尔文）还很遥远。1986年，超导材料探索终于实现巨大突破：瑞士科学家在一类铜氧化物体系中发现了超过30开尔文的超导电性。这是20世纪科学史上的标志性事件之一。很快，一系列突破液氮温度的高温铜氧化物超导体被发现，我国科学家和华人科学家在其中作出了重要贡献。目前铜氧化物高温超导体已经成为一个庞大的超导家族，一些材料也开始规模化应用。

　　2008年，超导材料的探索又迎来了重大进展：第二个高温超导家族——铁基超导体被发现。这些材料是含有铁元素的磁性金属，其超导态在元素替换或高压合成下演化出丰富的行为。我国科学家在发现铁基超导材料以及对其超导机理的研究中，处于国际领先的位置。高温超导的发现向理论研究提出新的挑战，其具体机制的探索仍在进行当中。高温超导微观理论的构建是当代物理学界急需解决的重要科学问题，对这个问题的解答将标志着人类对物质世界认知水平的一次重大突破。

　　在能源、信息等领域带来深刻变革的战略级科技