能源信息等领域的战略级科技（开卷知新）(2)

　　超导体由于其独特的物理性质，在很多领域发挥着不可替代的作用。超导体的零电阻特性使其成为一种理想的低能耗材料，在能源领域有广泛应用前景。它可以帮助我们显著降低电力工业中的传输损耗和能源、冶金工业中的碳排放，为实现“双碳”目标作出贡献。超导线缆的实用化是实现大功率、低损耗、高稳定性输电的重要方案之一。目前我国在这一技术领域已经有了明显进展：国内首个千米级超导电缆在上海投入使用，并取代了部分传统变电站的作用；深圳为满足平安大厦较大的供电需求，建设了一支长度为400米的超导电缆。这些是超导电缆应用方面里程碑式的成果。此外，能够保护电路免受大电流冲击的超导限流器也已经在南方电网进入应用阶段。

　　随着我国基础设施建设和制造业的高速发展，对有色金属及其合金的需求与日俱增。有色金属的传统加工手段是使用常规感应加热，即利用高频交流电场在金属表面的趋肤效应加热，以高热导特性实现整体熔融并进行加工。这种感应加热长期存在能耗高、效率低的问题。我国最新开发的超导电磁感应加热技术，兆瓦级的装置每年可以节省800万千瓦时电，加热效率从原来的40%—45%提高到80%—85%。

　　基于超导体的强载流特性，可以制造无损耗的超导磁体线圈，实现传统磁体不能提供的磁场强度和稳定性。超导磁体所提供的超强磁场将有助于实现可控核聚变——在聚变堆内部，温度高达上亿摄氏度，超过任何材料的熔点，因此热核反应工作物质只能通过强磁场约束在反应区内；巨型强磁场超导磁体线圈的应用将有力推动可控核聚变技术的实用化，为能源产业带来颠覆性变革。超导磁体的另一个重要应用场景是生物医学：多数医用核磁共振成像设备都要用到超导磁体，通过不断提升超导线圈提供的磁场，可以显著提高核磁共振成像的分辨率，实现更快速、更准确的临床医学诊断。

　　作为人类利用电磁相互作用的极限手段之一，超导体在电子学器件领域也具有显著优势。超导电子对穿过两个超导体之间的绝缘夹层时会发生强烈的干涉效应，即约瑟夫森效应。这种隧穿对外磁场的响应极为灵敏。基于约瑟夫森效应设计的超导量子干涉器件，能够探测地球磁场几十亿分之一的微弱磁场变化，被广泛应用于材料科学、地质勘探中的磁性测量以及临床医学中的生物磁成像。超导薄膜和约瑟夫森结组成器件单元和电路，可以形成传感器、探测器、数字电路、量子比特等多种超导电子有源器件和滤波器、电磁超材料等无源器件，在灵敏度、噪声、速度、功耗、带宽等方面具有传统半导体器件无可比拟的优势。约瑟夫森效应也被用于设计超导量子比特，成为量子计算机的基本单元；超导量子计算在过去20多年发展迅速，已经从最初的展示宏观电路量子特性的基础研究，发展成一个有可能孕育出变革性新技术的方向。

　　超导体在微电子技术中的应用会成为解决目前半导体集成电路功耗问题的关键。传统半导体晶体管器件随着集成度的不断提高，正面临功耗瓶颈、发热严重、能耗过高等挑战。由于未来制造业以数字化和智能化为主，需要处理的数据量随着产业升级而急剧增加，超级计算机所需的大空间、高功耗和高散热正制约着算力的进一步提升。相比于传统半导体，使用超导电子学元件的超级计算机能耗降低五个量级，速度可以提升两个量级，且工艺和设计上与半导体技术相互兼容。因此，超导计算机的开发将为应对能耗问题提供一个可行的出路。