前不久，由英國導演克里斯多福·諾蘭（Christopher Nolan）執導的電影《奧本海默》甫一上映，便在全球範圍內引發廣泛關注和熱議。該片的主要故事情節和看點，是美國「原子彈之父」羅伯特·奧本海默（Robert Oppenheimer）率領一眾美國科學家，在第二次世界大戰期間研製原子彈的經過。
原子彈的發明，既是人類進入核能時代的標誌，也是科學技術不斷發展進步的重要一環。事實上，只要我們對人類科技史做一個整體回顧，便可以毫不費力地發現，未來的重要技術一定與今天的前沿科學研究密不可分。而在當下，超導則是科學界重點關注的領域。
在西湖大學，有一位致力於超導研究的老師，他便是吳頡。目前，其擔任西湖大學理學院特聘研究員、西湖大學量子材料生長和表徵實驗室負責人。
圖丨吳頡（來源：資料圖）
百年超導史：峰迴路轉
據介紹，在 2004 年獲得復旦大學理學碩士學位之後，吳頡選擇赴美留學，並於 2010 年獲得美國加州大學伯克利分校凝聚態物理博士學位。博士畢業後，他先在美國強磁場國家實驗室從事博士後研究，後供職於美國布魯克海文國家實驗室，從助理研究員一路晉升為正研究員。
後來，他選擇回國發展，加入西湖大學理學院。日前，他以《超導新世界》為題，發表了一場演講。
牛頓和蘋果的故事，相信很多人在啟蒙階段就已經非常熟悉。正是在這個契機下，經典力學和熱力學得以確立。後來，第一次科技革命發生，人類進入「蒸汽時代」。100 多年後，在電磁學被確立的基礎上，人類進入「電氣時代」，電燈和電話逐漸進入千家萬戶。
20 世紀初，愛因斯坦創立相對論，隨後促進了原子能技術的發展，電影《奧本海默》中講述的故事，就涉及到這一時期的歷史。此外，量子力學的突破，則是 20 世紀另外一個重要科學進展，其推動 1958 年大規模集成電路的出現，將人類帶入信息時代。
吳頡表示：「從歷史的角度可以看到，基礎科學是技術進步的源頭，它同時也推進了時代的演進。而且，科學技術的發展進步也是一直在加速的。這也讓我們發現，未來的技術一定來自於今天的前沿科學研究，而這正體現出基礎科學的基礎性。」
如今，量子多體效應，是基礎科學的研究前沿。其主要研究電子的集體行為，包含非常豐富的量子多體效應。超導，就是量子多體效應的一種。
1911 年，荷蘭物理學家海克·卡末林·昂內斯（Heike Kamerlingh Onnes）率先發現超導現象。也就是說，當汞的溫度被降低至 4.2K 時，其電阻會突然消失，進而產生零電阻效應。
後來，隨著該領域研究的不斷深入，科學家們又先後發現超導體的邁斯納效應和磁懸浮效應，前者是指超導體從一般狀態相變至超導態的過程中對磁場的排斥現象，後者則是利用超導態對於磁力線的釘扎作用，讓上方的磁體能夠在空中懸浮。
「關於超導的理解，經過這麼多年的研究，科學家發現裡面最核心本質的是一個電子配對的圖像。」吳頡表示。形象通俗地來說，假設材料中有很多電子，為了使其達到超導的狀態，必須滿足以下兩個方面。
首先，電子必須兩兩配對，一般是自旋向上的電子和自旋向下的電子進行配對。其次，所有的電子對都要遵從統一指揮。在這種情況下，材料才能克服運動時遇到的阻力，產生零電阻和抗磁效應。
經過 100 多年的研究，科學家們對超導的了解一直在不斷深入，並發現了與此相關的一系列豐富行為，也因此在此領域先後頒發了八個諾貝爾物理學獎。
但是新的發現和驚喜也一再推翻舊有的觀念，向我們揭示超導的領域遠比所有人想的更為廣袤，我們對超導的理解仍然未達本質。
比如，剛開始科學家們發現超導大部分存在於一些金屬中，後來逐漸發現一些合金和有機物也可以實現超導，銅氧化物中出現的高溫超導則達到了液氮溫區，突破舊有 BCS 理論所設定的理論上限，時至今日，越來越多意想不到的材料都可以實現超導。
「經過這一百多年，科學家們當初在金屬超導體上總結出的經驗規律和理論，紛紛被新的發現所推翻，問題似乎又回到了當初的起點，這在物理學史上也幾乎是非常獨特的。」吳頡說。
一個材料只有在某一臨界溫度下才能表現出超導特性，而在此溫度之上的材料與一般物體無異。從這個角度來講，材料的超導臨界溫度，應該是超導領域中最為科學家所關注的指標。
因而，如今該領域科研人員的研究目標聚焦於兩個方面，其一是找到能夠解釋非常規超導體的機理，其二是發現新的高溫超導材料。
「這兩件事情相輔相成，一旦你知道了機理，就能夠指引你找到新的材料；一旦找到新的材料，對於機理就有非常大的揭示作用。」吳頡說。
推動超導在更多領域實現廣泛和規模化應用
那麼，多年來，科學家又為何要孜孜不倦地對超導進行探索呢？超導體既可以作為能源材料，又可以作為信息材料，由此顯而易見，人類希望能夠通過不斷的研究突破，推動超導在電力、醫療、交通、量子計算等更多領域實現廣泛和規模化應用。
具體來說，首先，基於超導的零電阻特性，可以用於遠距離電能傳輸。當下，利用清潔能源發電代替傳統能源發電，能夠減少能源消耗和碳排放。
但清潔能源豐富的地區和用電量較大的地區之間，往往存在著很遠的距離。在遠距離電能傳輸的過程中，電力會遭到大量損耗。如果能將傳輸電力的媒介換成超導體，就能在實現電力零損耗的同時，降低輸電電壓從而提升安全性。
其次，地球的磁場強度約 0.5 高斯，而一個超導磁鐵就能產生 32 萬高斯的磁場強度。藉助超導體具有的強磁場特性，可以在醫療領域獲得應用，比如核磁共振成像，提高醫學診斷的成像速度和精確度。
同時，還能用超導磁鐵產生的強磁場，約束托卡馬克裝置中的高能粒子，從而實現可控熱核聚變，來獲得源源不斷的清潔能源。
再次，超導體所具備的磁懸浮效應，能夠用於建設超導磁懸浮高鐵，從而提升交通的速度。比如，從杭州到北京的高鐵時速峰值約為 360 公里/小時，但由日本研發的超導體磁懸浮列車，在 2015 年時已經實現 600 公里/小時的時速。
此外，基於超導的約瑟夫森效應，還能推動量子計算的發展，並助力量子計算機的研發。
「我所從事的超導研究，它的土壤和根基就是量子多體效應和演生現象，各種應用就是其結出的果子。這些應用有的已經在用了，但有的還處於不斷成熟的過程中，需要我們找到更多的超導材料，更好的性質，使得這些新的應用成為可能。」吳頡表示。
吳頡的發言，來自於 10 月 22 日舉辦的首屆光子未來論壇。這是一場適逢西湖大學創辦五周年之際所舉辦活動上的演講。
在本次論壇上，除了吳頡，西湖大學工學院特聘研究員、西湖大學生物製造和新材料實驗室負責人張科春，進行了《合成生物與可持續未來》的主題分享；西湖大學工學院特聘研究員、先進光電子材料與器件實驗室負責人柳佃義，進行了《打開窗戶看未來: 透明光伏技術的革命性發展》的主題分享；西湖大學生命科學學院特聘研究員、蛋白質組大數據實驗室負責人郭天南，則以《AI 賦能蛋白質組學: 疾病診治新範式》為題進行了分享。
圖 | 西湖大學雲谷校區（來源：西湖大學）
據悉，本次論壇由西湖大學未來產業研究中心、西湖教育基金會、西湖大學科技合作部聯合舉辦。
另據了解，2022 年 1 月經國家批准，西湖大學未來產業研究中心正式成立，中心重點聚焦生命原理及未來醫藥、分子製造與功能、未來材料設計及創造三大領域，集科學研究、成果轉化、產業培育、人才培養、戰略規劃於一體，探索如何以基礎研究和前沿技術突破催生未來產業。