今天跟大家分享的是未來世界中非常重要的材料——超導(dǎo)材料。

超導(dǎo)到底是什么樣的材料？

首先從電開始說起，現(xiàn)在的社會實際已經(jīng)離不開電了，電在未來是不可或缺的資源，但我們在用電的過程中會產(chǎn)生電的損耗。比如用高壓輸電的方式把發(fā)電廠的電輸送到家里，長距離輸送后電損耗了 15% 以上。大家不要小看這 15%，如果把這 15% 節(jié)約下來，現(xiàn)在的能源也許可以多用 50 年、上百年，我們的子孫后代也許能夠更好地利用資源，也許我們可以度過地球的能源危機。

所以如何善用電呢？這就要借用超導(dǎo)材料。超導(dǎo)就是超級導(dǎo)電，這種材料的導(dǎo)電性非常好，以至于它的電阻是零，也就是說電流在流動的過程中是是零損耗的，所以說超導(dǎo)材料是讓電流更加有效的一種方式。

第一個發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)材料是金屬汞，就是常說的水銀，它的超導(dǎo)溫度很低，大概在 4.2K，零下 269 度。很多金屬材料都是超導(dǎo)材料，現(xiàn)在用的電線中作為導(dǎo)線的鋁就是超導(dǎo)體，但它在室溫下不超導(dǎo)所以存在一定的損耗。如果把電線換成超導(dǎo)材料，就可以讓電跑得更快跑得更好。

圖 | 電影《阿凡達》中的室溫超導(dǎo)體 “Unobtanium”

超導(dǎo)材料對科學(xué)非常重要。

比如大家總覺得粒子物理學(xué)家跟我們做凝聚態(tài)物理的好像沒什么關(guān)系，但實際有很大關(guān)系。因為粒子物理學(xué)家或者高能物理學(xué)家，能幫助我們認(rèn)識人類的未知極限和從來沒有達到的能量尺度，幫助我們看有沒有新的世界出現(xiàn)。

這需要造大型的粒子加速器、對撞機，要把基本粒子撞碎找更基本的粒子，甚至找更復(fù)雜的物理的機制。造大型的對撞機把粒子加速到人類前所未到的能量尺度就需要借助超導(dǎo)材料，因為超導(dǎo)材料是零電阻的并能提供非常強大的磁場，這種非常強大的磁場是加速粒子的重要的工具。

在歐洲的大型強子對撞機叫 LHC，希格斯粒子就是在那里發(fā)現(xiàn)的，上面有多少個超導(dǎo)磁體呢？一共有 9300 個超導(dǎo)磁體，如果沒有超導(dǎo)磁體粒子物理學(xué)家基本上什么活也干不了，所以超導(dǎo)對基礎(chǔ)科研非常重要。

圖 | 一塊磁鐵漂浮在超導(dǎo)體之上

超導(dǎo)對未來的能源也非常重要。

地球上所有的能源都來自太陽，太陽是一個巨大的核聚變的氣球，它的溫度特別高，表面的溫度有幾十萬攝氏度，內(nèi)部的溫度幾千萬甚至上億攝氏度。如果在地球上造一個所謂的人造太陽，也許地球上的人就不用再依賴化石燃料能源了，想象很美好當(dāng)然實踐起來非常困難。

但是太陽這么高的溫度拿到地球上怎么辦？我們沒有任何容器能裝這么高溫度的東西，因為一碰它都會氣化，那怎么實現(xiàn)呢？

借助超導(dǎo)體提供的強大的磁場約束太陽里主要的高溫等離子體，不讓它跟任何東西接觸使它周圍都是真空，熱量傳不出來我們就比較安全，就可能實現(xiàn)人工的可控的熱核聚變，學(xué)名叫做托卡馬克，又叫人造小太陽。

在中國我們就有好幾個人造小太陽，其中在合肥的科學(xué)島上我們有個全超導(dǎo)的托卡馬克。在歐洲我們正計劃著要建造一個非常大的，叫做國際熱核聚變裝置，也叫做 ITER，據(jù)說這個裝置完全運行就可以實現(xiàn)把一個國家的電全部解決，而人造太陽需要超導(dǎo)。

“我們每一位都有可能見證量子時代的到來！”

說到超導(dǎo)非常容易想到的是科幻，在科幻電影《阿凡達》里有座懸浮的大山，懸浮是因為山里藏著神奇的礦石，這個礦石在那個星球的環(huán)境下就是室溫超導(dǎo)材料。

圖 | 《阿凡達》中的哈利路亞山

大家不要覺得那只是科幻，其實在現(xiàn)實中完全可以實現(xiàn)。如果把一塊超導(dǎo)磁放到一個大概 0.5 特斯拉的磁場里，就可以完全懸浮起來。這就利用了超導(dǎo)材料非常重要的磁性質(zhì)，又叫完全抗磁性。一方面超導(dǎo)體一旦變成超導(dǎo)態(tài)，這個材料就像有金鐘罩鐵布衫一樣，磁場進不去而磁中心會繞著它走。另一方面非常重要的是超導(dǎo)體還能鎖住一部分磁場，磁力線能進去一部分，意味著磁場對超導(dǎo)材料有一定的約束力。

磁懸浮可以干嘛？

最直接的就是磁懸浮列車，我們現(xiàn)在坐的高鐵最快的速度是 450 公里每小時，如果換成全部是超導(dǎo)的磁懸浮在實驗上已經(jīng)能夠達到 600 公里每小時。

假想我們把磁懸浮列車放在一個真空的管道里，把它空氣抽掉后空氣阻力也沒了可以跑得更快，快到什么程度？快到比飛機還快，理論上真空中的超導(dǎo)磁懸浮列車可以跑到 3000 公里每小時以上，以后北京到上海只需要半個小時！

那跑這么快安全嗎？

超導(dǎo)磁懸浮列車比常規(guī)磁懸浮列車更加安全，因為常規(guī)磁懸浮列車靠的是磁極的相吸或者相斥，一旦偏離平衡點很容易脫軌。但超導(dǎo)磁懸浮磁通線實際上進去了一部分，磁場跟超導(dǎo)材料有一定的相互作用，一旦偏離軌道會把它拉回來。如果想制動，就把這個材料升溫變得不超導(dǎo)，它就馬上落到軌道上產(chǎn)生摩擦制動。所以超導(dǎo)磁懸浮列車比傳統(tǒng)的磁懸浮列車更安全也更快捷。

圖 | 上海磁懸浮列車

這是對我們生活的改變，再想遠(yuǎn)一點就是通訊。

十年前用非智能手機打電話時，經(jīng)常發(fā)生串號的情況，是因為別人打電話頻率跟你的重疊，以前的濾波效果非常差。而利用阻抗很強的超導(dǎo)材料就可以造一個超導(dǎo)濾波器，它可以抗干擾，其實我們已經(jīng)把這個超導(dǎo)濾波器放到天上去了，在天宮二號上就放了一個超導(dǎo)濾波器。當(dāng)然超導(dǎo)濾波器不是用來跟外星人通訊，而是我們自己有一些比較秘密的通訊，不能讓大家知道的，可以說超導(dǎo)讓通訊更加安全。

另一方面超導(dǎo)還會讓量子應(yīng)用變得更加日常。

量子是一切微觀粒子的總稱，超導(dǎo)材料的第三個性質(zhì)就是超導(dǎo)現(xiàn)象，一種宏觀量子效應(yīng)，本質(zhì)是因為低溫時電子發(fā)生了量子效應(yīng)，然后電子配對、凝聚，再形成超導(dǎo)。

現(xiàn)在用的手機、電腦芯片都是半導(dǎo)體芯片，如果把半導(dǎo)體芯片換成超導(dǎo)材料，利用超導(dǎo)材料量子相干的性質(zhì)制作量子芯片，那這種芯片控制的就不是電子通過不通過了，而是某一個特殊的量子通過不通過。比如最近中國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的馬約拉納費米子，是一個很神奇的量子態(tài)，我們可以控制它實現(xiàn)量子芯片。

圖 | 半導(dǎo)體芯片

如果能夠非常方便地用到超導(dǎo)材料，到底會對我們的生活、社會、科學(xué)帶來什么樣的變化？

首先最直接的就是，所有用到電的地方都可以換成超導(dǎo)材料。把整個電網(wǎng)全部換成超導(dǎo)體就不用擔(dān)心輸電會損耗了，很遠(yuǎn)的地方甚至整個地球都可以組成一個電網(wǎng)。我們可以在海上造很多發(fā)電機，把這些電全部用起來，未來可以做超級省電的超級電網(wǎng)，這是可以實現(xiàn)的其實并不遙遠(yuǎn)。

第二是把電腦芯片換成量子芯片，可以構(gòu)造量子計算機。量子計算機可以實現(xiàn)的方法有很多，那么我們把芯片簡單地?fù)Q成超導(dǎo)的芯片，是最快捷最有可能實現(xiàn)的一個途徑。量子計算機聽起來很懸，好像離我們特別遙遠(yuǎn)，實際量子計算機已經(jīng)悄悄地在我們生活里出現(xiàn)了。

在幾年前，Google 買了一臺叫做 D-wave 的量子退火機，它是量子計算的原型機，現(xiàn)在 IBM 公司自己造了一臺叫 IBM Q，最近還剛剛升級變成 Q2 代，這就是嚴(yán)格意義上的量子計算機了。

雖說現(xiàn)在量子計算機還在蹣跚學(xué)步，性能也沒有那么好，但第一臺電腦誕生的時候，要堆三層樓那么高，而我們現(xiàn)在用的任何一臺手機都能超過第一臺電腦的運算能量，所以科技的發(fā)展是不可想象的。

圖 | 量子計算機處理器

中國在量子通訊中是走在世界前列的，我們發(fā)射了世界上第一顆量子衛(wèi)星叫做墨子號，可以利用量子衛(wèi)星發(fā)射的光傳輸量子信號，這兩束光是有糾纏的，可以配一個保密的鑰匙，中間截獲信息是沒用的只有知道鑰匙密碼的人才知道傳遞什么信息，所以它是一種非常保密的通訊手段。

但要實現(xiàn)這種量子通訊，其實有個非常關(guān)鍵的地方，就是接收天上的衛(wèi)星發(fā)出的光，而且要非常精確地把每一個光子都收到，也就是地上的探測器是單光子探測器。

現(xiàn)在用的單光子探測器，主要用的是半導(dǎo)體硅，硅的效率相對值比較低，如果用超導(dǎo)材料做單光子探測器，探測效率至少可以達到 90% 以上，雖然成本要高一點但可以大大提高探測效率，提高量子通訊的快捷方便和安全性。

在生活中，我們可以在家里造一個磁懸浮沙發(fā)，躺在一個云朵的沙發(fā)上愜意地看電視；出門可以開磁懸浮汽車，速度可以非常快；天上甚至可以造一個磁懸浮的飛碟一樣的環(huán)，可以把樓造到天上去，不需要蓋地基了。未來的家居、出行都可能會帶來很深切的改變。

另外超導(dǎo)還可以造一個非常輕便的發(fā)動機，這種發(fā)動機不僅輕便，而且非常節(jié)約能源。我們可以造一個超級續(xù)航的核潛艇，潛到以前從來沒有到過的深海里去，去看一看海溝里究竟有沒有住著美人魚。

除了下海我們還可以上天，上天不只是在地球上的航天，甚至可以走的更遠(yuǎn)。電影《太空旅客》講的就是地球已經(jīng)不適于生存，人類必須去尋找未來家園。如果能實現(xiàn)超導(dǎo)的人工可控核聚變，飛船裝一個核聚變的發(fā)動機，所需要的燃料實際非常少，只要極其少量的氘和氚元素就可以飛 100 年，飛到人類從未到達的宇宙深處，去看看那里有沒有適合我們生存的家園。

實際超導(dǎo)的未來已經(jīng)到來了。量子計算這幾年非常火，中國也有雄心勃勃的量子計算的計劃，據(jù)說我們計劃要十年內(nèi)擁有真正意義上的量子計算機，這十年已經(jīng)悄悄地過了兩三年，所以我們每一位都有可能見證量子時代的到來，把我們的電腦換成量子計算機，把我們的手機換成量子手機，把我們生活里所有用到電的地方都變成超導(dǎo)材料！