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6月24日，在北京舉辦的國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)上，江蘇“群星閃耀”，斬獲39項(xiàng)通用項(xiàng)目獎(jiǎng)項(xiàng)，其中主持完成14項(xiàng)。在這14個(gè)獲獎(jiǎng)團(tuán)隊(duì)中，來(lái)自南京大學(xué)的聞海虎教授團(tuán)隊(duì)不止一次登上國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)的領(lǐng)獎(jiǎng)臺(tái)。

2004年，他所主持的高溫超導(dǎo)體磁通動(dòng)力學(xué)研究獲得國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)；2013年他因?yàn)閷?duì)鐵基高溫超導(dǎo)材料的研究，獲得國(guó)家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)（第四完成人）。今年是他第三次獲得國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)。三次獲獎(jiǎng)內(nèi)容不同，但都與“高溫超導(dǎo)”研究緊緊相連。

多次獲獎(jiǎng)的榮譽(yù)光環(huán)背后，有著長(zhǎng)達(dá)10年甚至20年在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的默默耕耘，也有著讓科研成果轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力的創(chuàng)新動(dòng)力。

探索面向未來(lái)的低能耗材料

聞海虎教授長(zhǎng)期從事超導(dǎo)材料和物理問(wèn)題研究，從研究生開(kāi)始就投入超導(dǎo)物理研究，30多年來(lái)一直在超導(dǎo)這一領(lǐng)域默默耕耘。

早在1911年，科學(xué)家就發(fā)現(xiàn)了這一神奇的物理現(xiàn)象：普通導(dǎo)體可以導(dǎo)電，但導(dǎo)線一般有電阻，一通電就會(huì)發(fā)熱，就會(huì)產(chǎn)生電能損耗；而一些導(dǎo)體在一定的低溫下其電阻降為零，通電以后并不發(fā)生熱損耗，因此可以在導(dǎo)線中通過(guò)強(qiáng)大的電流，產(chǎn)生極高的磁場(chǎng)。根據(jù)這些性質(zhì)，可以開(kāi)發(fā)出很多重要應(yīng)用。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，這一現(xiàn)象背后在于其內(nèi)部的電子行為進(jìn)入了一個(gè)新的量子狀態(tài)，自由電子兩兩配對(duì)（庫(kù)珀對(duì)）以后，它們的行為與單個(gè)電子截然不同，能夠相干在一起發(fā)生宏觀凝聚現(xiàn)象，從而實(shí)現(xiàn)電流在超導(dǎo)體中的無(wú)阻流動(dòng)。

超導(dǎo)研究已經(jīng)有100多年歷史

超導(dǎo)現(xiàn)象自1911 年被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，就以其獨(dú)特的魅力持續(xù)不斷地吸引著廣大科學(xué)家的關(guān)注，這不僅因?yàn)樗苷故玖孔恿W(xué)在凝聚態(tài)物質(zhì)中的一些美妙而重要的規(guī)律，同時(shí)又具有很多潛在的應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)室溫超導(dǎo)和實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)體的大規(guī)模應(yīng)用是人們夢(mèng)寐以求的事情，而且并不是不可能的。因此，超導(dǎo)學(xué)科在未來(lái)幾十年還會(huì)呈現(xiàn)出長(zhǎng)盛不衰的景象，這是其學(xué)科發(fā)展內(nèi)在規(guī)律所決定的。

超導(dǎo)研究之所以持續(xù)不斷地引起眾多科學(xué)家的關(guān)注，是因?yàn)樗偸前殡S一些新材料的發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)了很多嶄新的研究?jī)?nèi)容，如此逐層逐級(jí)地把超導(dǎo)研究引向深層次。超導(dǎo)中的載流子是兩個(gè)電子形成的庫(kù)玻對(duì)，其統(tǒng)計(jì)和熱力學(xué)規(guī)律完全不同于金屬中的電子。超導(dǎo)體中的電子對(duì)能夠發(fā)生宏觀量子相干效應(yīng)，因此出現(xiàn)零電阻和完全抗磁性。

因此，超導(dǎo)研究不僅具有重要基礎(chǔ)物理意義，也具有廣闊應(yīng)用前景，它成為世界各發(fā)達(dá)國(guó)家競(jìng)相角逐的領(lǐng)域。上世紀(jì)80年代末開(kāi)始，高溫超導(dǎo)體被陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，對(duì)高溫超導(dǎo)機(jī)理的研究，還處于探索階段，也是Science雜志評(píng)選出來(lái)的人類目前面臨的125個(gè)重大科學(xué)問(wèn)題之一。

聞海虎團(tuán)隊(duì)此次獲獎(jiǎng)項(xiàng)目，正是針對(duì)高溫超導(dǎo)體中的鐵基超導(dǎo)和鎳基超導(dǎo)開(kāi)展機(jī)理研究并取得重要進(jìn)展，在10余年間圍繞該項(xiàng)研究已經(jīng)發(fā)表了百余篇相關(guān)科學(xué)論文，此次報(bào)獎(jiǎng)的有5篇代表性工作，其中多個(gè)創(chuàng)新亮點(diǎn)被學(xué)術(shù)界所關(guān)注。比如，團(tuán)隊(duì)針對(duì)超導(dǎo)態(tài)下電子配對(duì)的機(jī)理，從多角度論證了鐵基電子配對(duì)的本質(zhì)特性；在鎳基無(wú)限層超導(dǎo)薄膜中，團(tuán)隊(duì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其主要的配對(duì)形式是d波超導(dǎo)能隙。

超導(dǎo)體的零電阻特性使其成為一種理想的低能耗材料，將在能源領(lǐng)域、信息領(lǐng)域帶來(lái)深刻的變革。在聞海虎看來(lái)，超導(dǎo)研究領(lǐng)域正蓬勃發(fā)展，基礎(chǔ)研究和應(yīng)用也正逢其時(shí)。“目前產(chǎn)業(yè)界已有一些應(yīng)用，比如核聚變研究的磁體、醫(yī)院內(nèi)核磁成像的磁體、高頻濾波器、量子計(jì)算等。現(xiàn)在高溫超導(dǎo)材料還不是太多，挑戰(zhàn)和機(jī)遇并存，我們將再接再厲，發(fā)現(xiàn)并合成更多好用的高溫超導(dǎo)體，爭(zhēng)取更大的科學(xué)突破。”聞海虎說(shuō)。

室溫超導(dǎo)仍是人類的一個(gè)夢(mèng)想

“一個(gè)創(chuàng)新工作很難預(yù)計(jì)其結(jié)果和投入時(shí)間，我們一般是產(chǎn)生某個(gè)思想，或從一種新樣品開(kāi)始，然后組織實(shí)驗(yàn)和研究，但思路是否正確，難度究竟有多大，這無(wú)法從工作開(kāi)始的時(shí)候就可以預(yù)測(cè)，這就跟打一場(chǎng)戰(zhàn)役一樣，你無(wú)法完全把握戰(zhàn)役演變的情況。”聞海虎說(shuō)，做科研也需要恒心和耐性，無(wú)論順利與否都需要認(rèn)真去做，“我們的一些課題方向，即便是最快的，周期也要兩年左右，比較困難的，需要四五年后工作才能開(kāi)花結(jié)果。”

超導(dǎo)體的零電阻特性使其成為一種理想的低能耗材料，將在能源領(lǐng)域、信息領(lǐng)域帶來(lái)深刻的變革。去年“室溫超導(dǎo)”引爆全球科技界，一段時(shí)間內(nèi)成為科學(xué)熱點(diǎn)和社會(huì)普遍關(guān)心的問(wèn)題，超導(dǎo)的應(yīng)用備受全球矚目。室溫超導(dǎo)仍是人類的一個(gè)夢(mèng)想，科學(xué)家的探尋腳步一直沒(méi)有停歇。

在聞海虎看來(lái)，超導(dǎo)研究領(lǐng)域正蓬勃發(fā)展，基礎(chǔ)研究和應(yīng)用也正逢其時(shí)。“目前產(chǎn)業(yè)界已有一些應(yīng)用，比如核聚變研究的磁體、醫(yī)院內(nèi)核磁成像的磁體、高頻濾波器、超導(dǎo)低功耗計(jì)算和量子計(jì)算等等。目前大量的超導(dǎo)應(yīng)用都還要處于需要液氦溫度才能實(shí)現(xiàn)，這需要非常龐雜的技術(shù)。”聞海虎說(shuō)，中國(guó)科學(xué)家也開(kāi)展了一些高溫超導(dǎo)應(yīng)用的研究，在超導(dǎo)應(yīng)用研究領(lǐng)域也處于先進(jìn)水平，各方都在扎實(shí)推進(jìn)，“目前高溫超導(dǎo)材料還不是太多，銅基超導(dǎo)的應(yīng)用正慢慢鋪開(kāi)，鐵基超導(dǎo)、鎳基超導(dǎo)正在研究當(dāng)中，挑戰(zhàn)和機(jī)遇并存，作為超導(dǎo)科研工作者，我們將再接再厲，發(fā)現(xiàn)并合成更多好用的高溫超導(dǎo)體，爭(zhēng)取更大的科學(xué)突破。”

更多超導(dǎo)材料應(yīng)用于生活

中國(guó)超導(dǎo)的領(lǐng)先，離不開(kāi)國(guó)家大力支持，并實(shí)現(xiàn)在多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

上世紀(jì)六七十年代，中國(guó)就開(kāi)始超導(dǎo)研究。“863計(jì)劃”誕生不久，超導(dǎo)就作為專項(xiàng)列入。“十五”期間，國(guó)家對(duì)“863”超導(dǎo)專項(xiàng)給予大力支持，當(dāng)時(shí)的科技部投入經(jīng)費(fèi)約1億元，加上社會(huì)各界的投入，課題總經(jīng)費(fèi)約4億元左右。該專項(xiàng)取得了豐碩成果，其中一部分完全達(dá)到世界先進(jìn)水平。

近年來(lái)，國(guó)家層面有關(guān)超導(dǎo)的頂層設(shè)計(jì)、政策也是密集出臺(tái)。2021年12月，工信部聯(lián)合科技部、自然資源部發(fā)布的《“十四五”原材料工業(yè)發(fā)展規(guī)劃》提出，實(shí)施前沿材料前瞻布局行動(dòng)，支持科研單位聯(lián)合企業(yè)，把握新材料技術(shù)與信息技術(shù)、納米技術(shù)、智能技術(shù)等融合發(fā)展趨勢(shì)，發(fā)展超導(dǎo)材料、智能仿生、增材制造材料等，推動(dòng)新的主干材料體系化發(fā)展，強(qiáng)化應(yīng)用領(lǐng)域的支持和引導(dǎo)。這被業(yè)界視為明確了超導(dǎo)材料在現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)中的定位。

超導(dǎo)的重視，離不開(kāi)其巨大的應(yīng)用價(jià)值。例如在超導(dǎo)電纜領(lǐng)域，我國(guó)已實(shí)現(xiàn)落地應(yīng)用。

超導(dǎo)材料可使電力傳輸介質(zhì)接近于零電阻，電能傳輸損耗趨近于零。一條35千伏超導(dǎo)電纜相當(dāng)于傳統(tǒng)220千伏電纜的輸送容量，可以替代4至6條相同電壓等級(jí)傳統(tǒng)電纜，較以往可節(jié)省70%的地下管廊空間。在我國(guó)，據(jù)悉每年電力傳輸上的損失就高達(dá)上千億度，若換成超導(dǎo)材料，節(jié)省的電能相當(dāng)于新建數(shù)十個(gè)大型發(fā)電廠。

2004年，中國(guó)第一組超導(dǎo)電纜系統(tǒng)正式并網(wǎng)。我國(guó)成為繼美國(guó)、丹麥之后，全球第三個(gè)將超導(dǎo)電纜投入電網(wǎng)運(yùn)行的國(guó)家。2013年，國(guó)內(nèi)首套30米、35千伏低溫絕緣高溫超導(dǎo)電纜掛網(wǎng)運(yùn)行，標(biāo)志著中國(guó)在實(shí)用低溫絕緣高溫超導(dǎo)電纜技術(shù)中獲得突破。2021年12月，全球首條超公里級(jí)高溫超導(dǎo)電纜商業(yè)化示范段在上海正式投運(yùn)，標(biāo)志著中國(guó)超導(dǎo)輸電應(yīng)用邁入全球領(lǐng)先行列……

南京大學(xué)教授、長(zhǎng)江學(xué)者特聘教授、美國(guó)物理學(xué)會(huì)會(huì)士聞海虎最近在接受媒體采訪時(shí)介紹，目前超導(dǎo)材料實(shí)際上已經(jīng)應(yīng)用在很多產(chǎn)業(yè)了，比如核聚變研究的磁體、醫(yī)院內(nèi)核磁成像的磁體、高頻濾波器、量子計(jì)算等方面，都有應(yīng)用。

2016年9月，在美、日、歐等國(guó)家的鐵基超導(dǎo)線制備還處于米級(jí)水平之際，中科院電工研究所研究員馬衍偉團(tuán)隊(duì)成功研制國(guó)際首根100米量級(jí)鐵基超導(dǎo)長(zhǎng)線。這是鐵基超導(dǎo)材料從實(shí)驗(yàn)室研究走向產(chǎn)業(yè)化的新的里程碑。

在中國(guó)，超導(dǎo)為大眾所熟知的要數(shù)磁懸浮列車。2002年12月31日，由中國(guó)鐵建承建的世界首條磁浮運(yùn)營(yíng)線——上海磁浮列車示范運(yùn)營(yíng)線通車運(yùn)營(yíng)。2016年5月6日，中國(guó)首條自主設(shè)計(jì)、自主施工、自主制造的具備完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的中低速磁浮商業(yè)運(yùn)營(yíng)示范線——長(zhǎng)沙磁浮快線開(kāi)通。目前，國(guó)內(nèi)還有北京地鐵S1線、廣東清遠(yuǎn)磁浮旅游專線、鳳凰磁浮觀光快線等多條已投運(yùn)或在建的磁懸浮線。

2021年1月，世界首臺(tái)高溫超導(dǎo)高速磁浮工程化樣車在成都下線，設(shè)計(jì)時(shí)速620千米。

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三次登頂科學(xué)高峰，聞海虎教授在超導(dǎo)研究領(lǐng)域長(zhǎng)盛不衰