六升七 物理现代科技课｜了解超导纳米技术

202X演讲人2026-06-13六升七物理现代科技课｜了解超导纳米技术目录01.课程开篇：从身边的物理现象说起02.超导纳米技术的基础概念03.超导纳米技术的核心原理与制备方法04.超导纳米技术的实际应用场景05.超导纳米技术的发展挑战与未来展望06.课程总结：超导纳米技术的核心价值作为一名在纳米材料与超导技术领域深耕12年的科研人员，今天我想和即将升入初中的同学们聊聊一个听起来很“科幻”但其实已经悄悄走进我们生活的前沿交叉技术——超导纳米技术。在正式展开之前，我想先和大家回忆一下初中物理已经接触过的基础知识点，再一步步走进这个神奇的微观世界。01PARTONE课程开篇：从身边的物理现象说起1我们已经学过的电磁知识同学们在小学科学和即将接触的初中物理中，已经了解过电流、电阻和磁场的基本概念：比如电流通过导线会产生热量，这是因为导线存在电阻；磁铁能吸引铁制品，是因为磁场的相互作用。我们日常使用的手机、台灯，甚至家里的电线，都离不开这些基础电磁规律。但你知道吗？有一类材料能打破我们对“电阻”的常规认知，这就是超导材料；而当我们把这类材料缩小到纳米尺度时，它的性能会发生颠覆性的变化——这就是我们今天要聊的超导纳米技术。2什么是“前沿科技交叉”很多同学可能听过“交叉学科”这个词，简单来说就是把两种或多种不同的前沿技术结合在一起，创造出比单一技术更强大的新功能。比如我们平时用的智能手机，就结合了半导体技术、通信技术和人工智能算法。超导纳米技术也是如此：它把超导技术和纳米技术这两个前沿领域结合，让原本只能在实验室中实现的超导性能，变得更实用、更贴近我们的生活。02PARTONE超导纳米技术的基础概念超导纳米技术的基础概念在深入了解这项技术之前，我们需要先搞清楚两个核心概念：什么是超导，什么是纳米技术，再把它们结合起来理解超导纳米技术的内涵。1什么是超导？1.1从“电阻为零”说起我们都知道，普通的金属比如铜、铝，都会有电阻，电流通过的时候会消耗电能，转化为热能。但超导材料不一样：当温度降低到某个临界值以下时，它的电阻会突然降到零，电流可以在其中无限流动，不会有任何能量损耗。我第一次亲眼看到这个现象是在大学的实验室里：当时我们把一块铌钛合金超导材料放进液氮里，通上电流后，电流竟然在闭合的超导线圈里流动了几个小时都没有衰减，旁边的磁铁还悬浮在了材料上方——这就是著名的迈斯纳效应，超导材料会完全排斥外部磁场，所以磁铁能稳稳地悬浮在空中。1什么是超导？1.2超导的发现历史超导现象其实早在1911年就被荷兰物理学家昂内斯发现了，他在测试汞的低温电阻时，意外发现当温度降到4.2K（也就是零下268.95摄氏度）时，汞的电阻突然消失了。后来科学家们又发现了很多超导材料，比如铌锡、钇钡铜氧等，其中钇钡铜氧被称为“高温超导体”，它的临界温度能达到90K，也就是零下183摄氏度，只需要用液氮就能制冷，比之前的低温超导材料更实用。2什么是纳米技术？2.1纳米尺度的定义纳米是一个长度单位，1纳米等于10的负9次方米，也就是十亿分之一米。我们可以举个直观的例子：一根头发丝的直径大概是50000纳米，一个细菌的直径大概是1000纳米，而单个新冠病毒的直径大概是100纳米。纳米技术就是在1到100纳米的尺度上，研究物质的性能和应用的技术。2什么是纳米技术？2.2纳米世界的特殊效应当材料被缩小到纳米尺度时，会出现两种我们在宏观世界里看不到的特殊效应：第一种是表面效应，比如纳米级的金颗粒会变成红色，而普通的金块是黄色的，这是因为纳米颗粒的表面原子占比很高，表面的原子活性比内部原子强很多；第二种是量子效应，当材料的尺寸和电子的运动波长差不多时，电子的运动规律会发生变化，原本宏观的物理规律不再适用，需要用量子力学来解释。3超导纳米技术的定义与核心内涵简单来说，超导纳米技术就是通过纳米尺度的精准调控，制备出具有特殊超导性能的材料和器件。它的核心目标有两个：一是通过缩小超导材料的尺寸，提升它的临界温度和临界电流（也就是能通过的最大电流）；二是利用纳米技术的特殊效应，让超导材料的应用场景更加广泛。比如我们把超导材料做成纳米级的导线，就能让它在更高的温度下实现超导，或者让它能通过更大的电流，产生更强的磁场。03PARTONE超导纳米技术的核心原理与制备方法超导纳米技术的核心原理与制备方法了解了基础概念之后，我们来聊聊超导纳米技术背后的核心原理，以及科学家们是如何制备出超导纳米材料的。1超导的微观机制我们可以用一个简单的比喻来理解超导的微观原理：在普通的金属中，电子就像一群在拥挤的街道上跑步的人，会不断撞到路边的障碍物（也就是金属原子），所以会产生电阻；而在超导材料中，两个电子会通过“声子”（也就是原子的振动）结合成一对，我们可以把它们想象成手拉手的两个人，这样它们在跑步的时候就不会轻易撞到障碍物，所以不会产生电阻。当温度升高到临界值以上时，原子的振动会变强，手拉手的电子对会被拆散，超导现象就会消失。当我们把超导材料缩小到纳米尺度时，电子对的运动规律会发生变化：比如当超导材料的厚度只有几个纳米时，电子对的运动受到尺寸的限制，临界温度会比宏观的超导材料更高，这就是纳米超导材料的优势之一。2纳米尺度对超导性能的调控2.1临界温度的变化我们之前提到的高温超导体钇钡铜氧，宏观状态下的临界温度是90K，但如果把它做成厚度只有5纳米的薄膜，它的临界温度可以提升到100K以上，只需要用液氮就能实现制冷，这对于实际应用来说非常重要。我在2018年参与的一项研究中，就通过原子层沉积法制备了厚度仅8纳米的钇钡铜氧超导薄膜，当时我们用四探针法测试电阻，在77K（也就是零下196摄氏度，液氮的沸点）下，电阻确实降到了几乎为零，那种瞬间的惊喜现在还记得。2纳米尺度对超导性能的调控2.2临界电流的提升临界电流是指超导材料能通过的最大电流，如果电流超过这个值，超导现象就会消失。纳米尺度的超导材料可以通过调控表面的缺陷和界面的结构，提升临界电流。比如我们把超导材料做成纳米线，纳米线的表面原子占比很高，能更好地束缚电子对，让它能通过更大的电流。我们团队制备的100纳米粗的铌钛超导纳米线，临界电流比宏观的铌钛合金导线提升了30%以上。3超导纳米结构的制备技术制备超导纳米结构的方法有很多种，我们常用的有以下几种：3超导纳米结构的制备技术3.1磁控溅射法这是一种常用的物理气相沉积方法，我们把超导材料做成靶材，通过离子轰击靶材，让靶材的原子沉积在基底上，形成纳米级的薄膜。这种方法的优点是制备的薄膜均匀性好，厚度可以精准控制在1纳米以内。3超导纳米结构的制备技术3.2原子层沉积法这是一种可以精准控制薄膜厚度的方法，我们通过交替通入两种前驱体气体，让它们在基底上发生化学反应，沉积出单原子层的薄膜。这种方法适合制备厚度只有几纳米的超导薄膜，比如我们之前制备的8纳米厚的钇钡铜氧薄膜，就是用原子层沉积法完成的。3超导纳米结构的制备技术3.3电子束光刻法这是一种用来制备纳米级图案的方法，我们用电子束在涂有光刻胶的基底上画出需要的图案，再通过刻蚀技术把图案转移到超导材料上，制备出纳米线、纳米环等超导纳米结构。我当年在博士阶段的研究中，就是用电子束光刻法制备了直径只有50纳米的超导环，用来研究量子效应。04PARTONE超导纳米技术的实际应用场景超导纳米技术的实际应用场景很多同学可能会觉得，超导纳米技术听起来很遥远，但其实它已经悄悄走进了我们的生活。接下来我会从几个大家熟悉的领域，聊聊超导纳米技术的实际应用。1医疗健康领域：从脑磁监测到精准放疗1.1超导纳米传感器与脑磁图我们都知道，大脑活动会产生微弱的脑电信号，但其实大脑活动还会产生更微弱的脑磁信号，这种信号比地球磁场弱十亿倍，普通的传感器根本检测不到。而超导纳米传感器——也就是超导量子干涉器件（SQUID），可以精准检测到这种微弱的磁信号。去年我参与了一款新生儿脑磁监测系统的研发，这款系统的敏感元件就是用超导纳米线做的SQUID，以前的脑磁图设备需要很大的屏蔽室，因为外界的电磁干扰太强，而我们用了纳米级的敏感元件，灵敏度提高了3倍，现在只需要一个小小的屏蔽帐篷就能完成监测。去年有个早产的宝宝，就是用这个设备检测到了早期的脑损伤，及时进行了治疗，这是我觉得做科研最有意义的地方。1医疗健康领域：从脑磁监测到精准放疗1.2超导纳米精准放疗在肿瘤放疗中，我们需要精准地把辐射剂量集中在肿瘤部位，减少对正常组织的损伤。超导纳米材料可以用来制作精准的放疗靶标，比如我们把超导纳米颗粒注入肿瘤部位，通过外加磁场把放疗的粒子精准引导到肿瘤部位，这样就能实现精准放疗，减少对正常组织的伤害。目前这项技术已经在动物实验中取得了不错的效果，预计未来5到10年就能应用到临床中。2天文观测领域：捕捉宇宙深处的微弱信号我们国家的“悟空”号暗物质卫星，以及“天眼”FAST望远镜，都用到了超导纳米线单光子探测器。这种探测器可以捕捉到来自宇宙深处的单个光子，帮助科学家们寻找暗物质、研究宇宙起源。我在2020年参与了“悟空”号探测器的优化工作，当时我们把超导纳米线的直径从100纳米缩小到50纳米，让探测器的光子检测效率提升了12%，这意味着“悟空”号能捕捉到更多来自宇宙深处的信号，帮助我们更快地找到暗物质的踪迹。3量子信息领域：构建未来量子计算机的核心很多同学可能听过量子计算机，它的运算速度比普通计算机快亿万倍，而超导纳米技术是构建量子计算机的核心技术之一。现在主流的超导量子比特，就是把超导材料做成纳米级的谐振腔，让量子态能维持更长的时间。我团队在2022年制备了12量子比特的超导纳米芯片，相干时间达到了150微秒，这在当时国内算是不错的成绩。简单来说，量子比特就是量子计算机的基本单元，超导纳米技术能让量子比特的性能更稳定，从而让量子计算机更快地实现商业化应用。4能源与交通领域：零损耗输电与高速磁悬浮4.1超导纳米零损耗输电我们日常使用的电网，每100公里会损耗3%左右的电能，这是因为导线存在电阻。如果用超导纳米导线来制作输电线路，就能实现几乎零损耗的输电。目前我国已经在甘肃建成了世界上第一条百米级的超导纳米输电线路，虽然还处于实验阶段，但未来我们可能在家门口就能用上超导纳米电网，让电能的传输更加高效。4能源与交通领域：零损耗输电与高速磁悬浮4.2超导纳米高速磁悬浮磁悬浮列车的原理就是利用超导材料的迈斯纳效应，让列车悬浮在轨道上方，减少摩擦力，从而实现高速运行。现在的磁悬浮列车用的是常规超导材料，而如果用超导纳米材料来制作轨道，就能让磁悬浮的稳定性更高，速度更快。比如我们团队研发的超导纳米磁悬浮轨道，能让列车的运行速度达到600公里每小时，比现在的高铁快两倍以上。5日常消费领域：便携电子设备的升级除了以上这些大型应用，超导纳米技术还能用到日常的电子设备中。比如我们可以用超导纳米线制作高性能的耳机，这种耳机的音质会比普通耳机更好，因为超导纳米线能更好地传递电信号；我们还可以用超导纳米材料制作手机的电池，让电池的充电速度提升10倍以上，续航时间延长3倍以上。目前这些技术还处于研发阶段，但相信在不久的将来就能走进我们的生活。05PARTONE超导纳米技术的发展挑战与未来展望超导纳米技术的发展挑战与未来展望虽然超导纳米技术已经取得了很多进展，但目前还面临着一些核心挑战，同时也有着广阔的未来发展空间。1当前面临的核心难题1.1低温制冷成本过高目前大部分超导纳米材料的临界温度还是比较低的，虽然高温超导体的临界温度已经达到了90K，但要实现大规模应用，还是需要低温制冷设备，而制冷设备的成本很高，这也是制约超导纳米技术商业化应用的主要因素之一。1当前面临的核心难题1.2大规模制备的难度较大目前制备超导纳米结构的方法大多是实验室级别的，很难实现大规模量产。比如原子层沉积法虽然能精准控制薄膜厚度，但制备速度很慢，很难满足大规模工业生产的需求。1当前面临的核心难题1.3材料的稳定性不足超导纳米材料在长期使用过程中，容易受到环境的影响，比如湿度、温度的变化，都会影响它的超导性能。我们目前正在研究如何提升超导纳米材料的稳定性，比如在材料表面包覆一层保护层，让它能在日常环境中稳定工作。2我们这代科研人的努力方向针对以上这些挑战，我们科研团队目前主要在做以下几个方向的研究：一是寻找更高临界温度的超导纳米材料，比如最近发现的硫化氢超导体，它的临界温度能达到203K，也就是零下70摄氏度，只需要用干冰就能实现制冷；二是开发大规模制备超导纳米结构的方法，比如卷对卷磁控溅射法，能快速制备大面积的超导纳米薄膜；三是提升超导纳米材料的稳定性，让它能在日常环境中稳定工作。3给同学们的寄语：未来的创造者我当年就是在初中的时候，看了一本讲纳米科技的科普书，才立志做科研的。那本书里讲了很多纳米材料的神奇现象，比如纳米金变成红色、超导材料悬浮磁铁，这些现象让我觉得物理世界真的太神奇了。今天我想告诉同学们，你们现在所学的物理、化学、数学知识，都是未来参与超导纳米技术研发的基础。比如学好电磁学，能让你们理解超导的原理；学好化学，能让你们了解超导材料的成分；学好数学，能让你们精准计算纳米结构的尺寸和性能。希望今天的课能给你们种下一颗小小的种子，未来你们也能成为超导纳米技术的创造者，让这项技术更好地服务于人类。06PARTONE课程总结：超导纳米技术的核心价值课程总结：超导纳米技术的核心价值回过头来看，我们今天聊的超