超导的应用
拿已然成熟的半导体工业来对比，超导的应用，特别高温超导体的应用，好多还处在才刚起步的时期，然而其所含的巨额潜力依旧期望人们去开拓与发掘。超导体能够用于信息通信领域，能用于强稳恒磁场领域，能用于工业加工领域，能用于无损耗输电领域，能用于生物医学领域，能用于磁悬浮运输领域，还能用于航空航天领域等。当前超导应用主要划分为强电应用以及弱电应用这两个方面。
强电应用方面，超导体于低温状况下能够达成稳定的零电阻超导态，这表明超导线圈能够通过较大电流且不会产生焦耳热。一方面，我们能够运用超导输电线来进行远距离输电，进而大幅降低输电过程中的损耗。当前采用铜或铝导线时输电损耗约为15%，我国每年输电损耗达一千亿度左右，要是采用超导输电线能够节省相当于数十个发电厂的电力。采用超导输电也能够简化变压器、电动机以及发电机等热绝缘并保障输电稳定性，提升输电安全性。由于超导体具备零电阻以及高电流传输密度这些特性，美国打算运用超导电缆，达成三大电网，也就是东部电网、西部电网以及德克萨斯电网之间的有效互联。另外一方面，要是给闭合超导线圈通入电流，那便能维持较强的稳恒磁场，这就是超导磁体。常规稳恒磁体想要实现强磁场，就不得不采用特别粗的铜导线，并且把它泡在水中冷却，这致使磁体体积格外庞大，而且还得持续不断地通入电流，从而消耗更多的电能。相比之下，超导磁体具有体积小、稳定度高、耗能少等多种优势。正因这样，在生物学研究里所运用的高分辨核磁共振成像技术大多是采用超导磁体焦耳物理学家贡献，在临床医学方面采用的高分辨核磁共振成像技术同样大都采用超导磁体；在科学研究当中，一些物性测量系统的稳恒磁体是采用超导材料制作而成的，一些大型粒子加速器所使用的加速线圈也常常采用超导磁体，比如欧洲大型强子加速器LHC的加速磁体以及探测器都采用了超导磁体；作为未来能源问题重要突破口之一的磁约束受控核聚变，也就是人工托克马克，超导技术会更发挥不可替代的作用；跟常导磁悬浮技术相比较而言，采用超导磁悬浮技术的磁悬浮列车会更为高速、稳定以及安全。这是由于超导体内杂质以及缺陷，对进入其中的部分磁通线有着钉扎作用，所以它在因抗磁性产生磁悬浮效应之际，还能够磁约束住悬浮着的磁体，一旦磁体远离超导体，超导体还会把磁体“拉住”，故而超导磁悬浮物体运动过程是相当稳定的，一些用于演示的超导磁悬浮小车甚至能够侧贴乃至倒挂在超导导轨上运动。另外，超导体一旦丧失超导电性而进入正常态，完全抗磁性便会即刻消失，无摩擦的超导磁悬浮铁轨会恢复为有摩擦的正常铁轨，这对紧急状况下列车制动颇为有效。除了超导输电与超导磁体这两种强电应用之外，借助超导转变时的电阻变化，还能够研制超导限流器，以此维护电网的安全 。
图12. 超导体的各种应用
当下所运用的超导线材主要存在NbTi和Nb3Sn合金焦耳物理学家贡献，此项需要借助液氦来予以冷却，然而其加工工艺相对来讲较为成熟，金属具备的良好延展性致使其有能力被制备成各种各样形状的线材，中国已然有不少公司是能够生产合金超导线的。铜氧化合物高温超导输电线以及磁体同样处于试用阶段，采用液氮冷却能够大幅度地降低成本。不过铜氧化合物属于陶瓷材料，脆性很强、可塑性欠佳、可承载的电流密度同样比较低，大规模地应用推广尚且需要去解决技术以及成本的问题。直径相同的电缆当中，高温超导体电缆在电能传输能力这方面，比一般铜芯电缆要高出5倍还多，具备一定优势。从2012年1月起头，德国人有了铺设一条长达一千米的高温超导输电试验线路的打算，这个项目会维持四年时间。除此之外，MgB2材料由于有着较大的临界电流密度，造价方面并不算高，它的超导临界温度进入了液氢温区，大约是39K，所以是未来超导强电应用里重要材料当中的一个。倘若能够把以MgB2材料作为基础的超导磁体予以商业化，那么核磁共振成像仪当中的超导磁体体积将会大幅度减小，而且价格也会变得更为低廉 。到了那个时候，医学核磁共振检查将会跟当下X射线胸透一样便利快捷，开一辆普通的体检车便能够前往农村去做核磁共振体检 。人们甚至还十分大胆地进行设想，借助太阳能以及风能来发电，采用超导电缆再连上液氢一同输入到千家万户，运用清洁能源，这样既节约了电能，又提供了清洁的燃料，是未来能源危机的解决办法当中的一个 。
1962年，那位当时身为研究生的约瑟夫森（B. D. ），在安德森（P. W. ）所作的鼓励之下，于理论层面证实了超导隧道结当中存在着约瑟夫森效应，可以这么说，也就是超导电子对能够隧穿处于两个超导体之间极为薄的绝缘层，并且其隧穿电压对于外加磁场有着敏感的依赖关系，借助约瑟夫森效应去制备的超导量子干涉仪（SQUID），是最为精确的微弱磁场探测器当中的一个，其最高精度达到5×10−18 T 。利用SQUID可开展高精度磁测量，它能检测出地球磁场几亿分之一的变化，它还能探测到10−9T至10−6T之间的生物磁场，心磁图和脑磁图是未来医学诊断中，在心电图和脑电图之外的有效补充检查手段之一 。小小的磁探测器，能极大地推动生物磁的研究，像“飞鸽传书”，依靠的是鸽子头部以及啄部对地磁场的灵敏感应，以此精准判断飞行方向，在海豚、金枪鱼、海龟、候鸟、蝴蝶乃至某些微生物内，都存在微小磁体，它们到底是怎样影响生物功能的，到现在都不明白。基于SQUID技术贝语网校，人们能够设计超导量子比特器件，它是量子计算机的基本元件之一，而量子计算机的多通道快速并行计算会给未来的人类生产和生活带来革命性的改变。2012年3月，有科学家，是属于IBM研究院的，正式宣布，研制成功了量子计算机，该量子计算机一次能够进行的计算达百万项。或许在并不遥远的将来，传统计算机一整天的运算量，在量子计算机上，只要一秒，最终量子计算机将会成为信息时代的主角。另外，世界上制作最精密的模数转换器，以及世界上制作最精密的陀螺仪，同样是采用超导材料来制备的。高温超导微波器件，是借助高温超导薄膜作为波导材料来制备的，比如说微波滤波器、超导天线以及微波子系统等等。高温超导滤波器有着很高的信噪比，其性能相较于传统滤波器，有极大的提升。于军事和国防领域而言，超导滤波器能够用于卫星与雷达通讯，在民用领域，它可服务移动通信。当下，我国部分移动通信基站已开始采用铜氧化合物高温超导滤波器，高温超导滤波器已然悄然开启了产业化以及规模化生产与应用。或许在您运用 3G 手机上网冲浪之际，超导技术已暗暗在为您提供服务，。
超导体具备诸多神奇性质，当前超导应用仅运用了零电阻、完全抗磁性以及超导相位相干等几个最为主要的物理特性，因我们对非常规超导体所呈现出的新奇量子现象仍欠缺理解，在微观量子态的应用方面更是极为稀少，伴随超导研究的深入，新的超导材料必定会被发现并得以应用，恰似半导体的发现与应用使人类社会产生翻天覆地的变化那般，超导的应用前景也将会极为乐观，且给人类带来无穷的福祉 。
超导研究的未来
自1911年超导被发现以来，在超导研究长达百年的历史期间里，有十个人获得了五次诺贝尔物理学奖 ，分别来看：1913年的时候，昂内斯被授予奖项 ，原因在于氦气的成功液化以及超导现象的发现 ；1972年，巴丁、库珀、施里弗凭借常规金属的超导微观理论也就是BCS理论 ，获得了该奖 ；1973年，约瑟夫森和贾埃弗因超导隧道结中的约瑟夫森效应理论预言及实验这一研究成果 ，与江崎（L. Esaki）共同分享了诺贝尔奖 ；1987年，柏诺兹和缪勒由于铜氧化合物高温超导材料的发现 ，从而荣获该奖 ；2003年，阿布里科索夫和金茨堡关于超导唯象理论以及预言量子磁通涡旋的学术成果 ，与莱格特（A. J. ）一起分享了诺贝尔奖（图12） 。这里面，巴丁为世上仅有的两度斩获诺贝尔物理学奖的科学家（除他之外，仅居里夫人分别拥有一次诺贝尔物理学奖以及一次诺贝尔化学奖），头一回是由于半导体晶体管有所发明。对于未来而言，进行乐观预见是完全可行的，超导研究将会有更多诺贝尔奖产生，这恰好表明超导研究这一领域在凝聚态物理里是长久热门且持续兴盛的。
未来超导研究主要聚焦于三个方面，其一，持续提升现有的实用超导材料制备工艺，改进超导器件的性能指标来提高制冷系统性能，进而推动超导产业迈向市场化与规模化；其二，不断探寻更适宜应用的超导材料，像具备较高的Tc的，拥有较大临界电流密度的 。
图13.超导研究史上获得诺贝尔奖的十位物理学家
具有良好的韧性以及塑性、廉价的原料并有简易的合成方法等；三是将现有超导体的微观机理研究明白，从而为寻找新的超导体给予必要的理论指导。三个方面是相互辅助、彼此成就的。
超导研究的重要目标当中，有一个是寻求更高Tc的超导体。铜氧化物超导体在高压之下，其Tc已然达到了160 K，我们是有十足理由去相信，在不久的未来，更高Tc的超导体会被发现的。室温在300 K时的超导体并非仅仅只是个梦想：当下没有理论去证明其能够实现，同时也没有理论证明其不能够实现。理论家已然做出预言，在足够强的压力之下（压力大于400 GPa），氢有成为金属态进而形成金属氢的可能，其有可能是一种室温超导体。碱金属或者碱土金属掺杂的单层石墨烯，是另一个被预言的可能室温超导体，这会在超导器件应用方面有很大用途。超导发现的历史表明，超导材料探索之路要打破常规，有诸多意外与惊喜，我们根本没法预测下一个超导体会是何种类型的材料，这正是超导研究一直充满魅力的秘密所在。
建立完备的超导微观理论以求取对超导特性的周全掌握，同样是超导研究至关重要的任务之一 。当下 ，人们将能用BCS理论阐述的超导体称作常规超导体 ，而其余超导体像铜氧化物超导体 、铁基超导体 、有机超导体以及重费米子超导体等等则统统被叫做非常规超导体 。在非常规超导体里 ，库珀对的概念依旧适用 ，只是能隙结构也就是配对对称性开始走向多元化 ；配对的媒介也从声子延伸到其他能够的机制方面 ；电子配对和相位相干也不再要求同时出现 。总之，好像BCS理论所描述的仅仅是特定的常规金属超导体，然而对于具有普遍性的其他非常规超导体而言，说不定更为需要一个更具普适性的理论去予以描述。
超导研究所在的领域那可是充满着挑战以及机遇，这激起了世界上好多优秀的实验物理学家，还有聪明的理论物理学家的浓厚兴趣呢，它挑战着人们对于现有的物理框架以及物理概念的理解，同时也丰富了我们对于大自然的认识 。虽说超导的发现已经历经了百余年的时间，然而对于超导材料以及超导物理的研究 ，仍旧是凝聚态物理里最活跃且最重要的领域之一 。我们还得注意到 ，越来越多的中国人以及华人的身影持续加入到超导研究的队伍当中来了 。科学界愈发重视他们的研究成果，且确确实实推进了对超导本质的理解，他们不断发现新的超导材料，超导应用在中国也开始蓬勃兴起，中国理应在超导研究及应用方面做出更大贡献，我们一同对中国超导研究的美好未来满怀期待！
【致谢】作者感谢于渌院士对本文提出的宝贵意见和修改。
【作者注】，这篇文章发表在《现代物理知识》那里，是（24卷第2期，总共140期）的状况，处于P33到P39的 page范围。这是这文章的原稿，要是需要去阅读出版之后的稿件，那得查找《现代物理知识》哟。