前言

　　2023年7月22日，韓國科研團(tuán)隊(duì)“量子能源研究中心”在預(yù)印本arXiv上發(fā)布了一篇關(guān)于首個(gè)室溫常壓超導(dǎo)體的論文。文章宣稱，他們首次成功合成了常壓下的室溫超導(dǎo)體（≥400K，127℃），其結(jié)構(gòu)為改性鉛磷灰石（LK-99）。盡管隨后該“成果”被各國的科學(xué)家所證偽，但其引起的現(xiàn)象級(jí)輿論風(fēng)波再一次將超導(dǎo)這個(gè)科研領(lǐng)域推到大眾視野的面前。

　　那么，什么是“超導(dǎo)”，超導(dǎo)領(lǐng)域經(jīng)歷了怎樣的發(fā)展歷程，聚焦于教育軟件開發(fā)領(lǐng)域的宙思科技將如何闡釋這個(gè)學(xué)科的基礎(chǔ)原理。我們將通過這篇文章向讀者詳細(xì)講述。

　　什么是超導(dǎo)現(xiàn)象？

　　“超導(dǎo)”是指某些物質(zhì)在一定溫度和磁場(chǎng)條件下（一般為較低溫度和較小磁場(chǎng)）電阻降為零，同時(shí)表現(xiàn)出完全抗磁性的狀態(tài)。超導(dǎo)態(tài)具有一系列臨界參量，如臨界溫度、臨界磁場(chǎng)、臨界電流密度等。必須同時(shí)低于三個(gè)臨界參量，超導(dǎo)態(tài)才能維持住，一旦材料的物理量超越臨界參量，超導(dǎo)態(tài)將被破壞，變回非超導(dǎo)的正常態(tài)，此時(shí)恢復(fù)為有電阻態(tài)，磁通線也可以進(jìn)入超導(dǎo)體內(nèi)部。

物體超導(dǎo)狀態(tài)下電阻為零

　　作為物理學(xué)的重要分支領(lǐng)域，超導(dǎo)現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)以來，因其深遠(yuǎn)和誘人的應(yīng)用前景，引起了廣泛的討論和研究。

　　超導(dǎo)研究的歷程

　　1911年，荷蘭物理學(xué)家H·卡末林·昂內(nèi)斯發(fā)現(xiàn)汞在溫度降至4.2K附近時(shí)突然進(jìn)入一種新狀態(tài)，其電阻小到超出了儀器測(cè)量的量程（Ω），他把汞的這種狀態(tài)稱為“超導(dǎo)態(tài)”，意即實(shí)現(xiàn)了超級(jí)導(dǎo)電性。

汞的零電阻態(tài)

　　1933年，德國物理學(xué)家邁斯納和奧森菲爾德共同發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)體的另一個(gè)極為重要的性質(zhì)——當(dāng)金屬處在超導(dǎo)狀態(tài)時(shí)，超導(dǎo)體會(huì)把原來存在于體內(nèi)的磁場(chǎng)排擠出去，超導(dǎo)體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零。

　　對(duì)錫塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：錫塊降溫到1.6K變成超導(dǎo)態(tài)時(shí)，錫塊周圍的磁場(chǎng)會(huì)發(fā)生變化，磁力線似乎一下子被排斥到超導(dǎo)體之外去了，人們將這種完全抗磁現(xiàn)象稱之為“邁斯納效應(yīng)”。邁斯納效應(yīng)有著重要的意義，它意味著超導(dǎo)體具有其他材料無法達(dá)到的100%抗磁體積。

“邁斯納效應(yīng)”圖解

　　此后半個(gè)世紀(jì)的時(shí)間，全球科學(xué)家一直在孜孜不倦地探索和發(fā)掘新型超導(dǎo)材料。1986年，在瑞士IBM實(shí)驗(yàn)室工作的科學(xué)家柏諾茲和繆勒，首次發(fā)現(xiàn)鋇鑭銅氧化物是高溫超導(dǎo)體，成功將超導(dǎo)溫度提高到35K，正式拉開了新一類銅氧化物高溫超導(dǎo)體的研究和應(yīng)用序幕。

部分超導(dǎo)體材料及其結(jié)構(gòu)

　　而在我國，關(guān)于超導(dǎo)領(lǐng)域的研究也受到高度重視。1987年，由中國科學(xué)院物理研究所趙忠賢、陳立泉領(lǐng)導(dǎo)的研究組，獲得了48.6K的鍶鑭銅氧系超導(dǎo)體，并看到這類物質(zhì)有在70K發(fā)生轉(zhuǎn)變的跡象。經(jīng)過對(duì)鋇釔銅氧體系的進(jìn)一步探索，他們最終發(fā)現(xiàn)了93K的超導(dǎo)電性，實(shí)現(xiàn)了液氮溫區(qū)超導(dǎo)臨界溫度的首次突破。

　　2023年7月，中山大學(xué)物理學(xué)院王猛團(tuán)隊(duì)宣布在單晶樣品中發(fā)現(xiàn)高壓誘導(dǎo)的約80K超導(dǎo)電性（壓力為14GPa），鎳基超導(dǎo)體臨界溫度正式突破了液氮溫區(qū)。

中國高溫超導(dǎo)研究奠基人：趙忠賢（左三）

　　宙思產(chǎn)品介紹：超導(dǎo)科技體驗(yàn)館

　　為了提升學(xué)生和大眾對(duì)超導(dǎo)領(lǐng)域的了解，宙思科技自主開發(fā)、打造了一個(gè)旨在科普超導(dǎo)技術(shù)及其發(fā)展歷程的虛擬科技館，力圖使用戶快速了解超導(dǎo)的基本概念以及未來的應(yīng)用前景。通過創(chuàng)設(shè)虛擬的科技體驗(yàn)館、仿真的三維實(shí)驗(yàn)室，讓相關(guān)專業(yè)的學(xué)生或是對(duì)超導(dǎo)領(lǐng)域感興趣的用戶，模擬高溫超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，觀看超導(dǎo)磁懸浮列車、超導(dǎo)核電站等應(yīng)用案例動(dòng)畫，從而深刻地把握超導(dǎo)的優(yōu)勢(shì)和發(fā)展方向。

軟件封面圖呈現(xiàn)出三維立體的效果

　　作為一項(xiàng)前沿的科技教育工具，該軟件采用了先進(jìn)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，具備沉浸式學(xué)習(xí)體驗(yàn)、交互式實(shí)驗(yàn)操作、直觀式動(dòng)畫演示等多種特色，能有效激發(fā)用戶的學(xué)習(xí)興趣，提升用戶學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性。同時(shí)，該軟件也是國內(nèi)較為少見的專門講述超導(dǎo)學(xué)科知識(shí)的虛擬仿真教育軟件，對(duì)于提升公眾對(duì)該學(xué)科的認(rèn)知度具有可觀的效用。具體而言，超導(dǎo)科技體驗(yàn)館包含了以下的體驗(yàn)內(nèi)容。

任務(wù)的推進(jìn)全程具有清晰引導(dǎo)

　　一、電阻效應(yīng)試驗(yàn)操作。用戶在這個(gè)環(huán)節(jié)當(dāng)中，將會(huì)模擬閉合電路的物理實(shí)驗(yàn)，通過將導(dǎo)線與單刀雙擲開關(guān)、電流表、電壓表、滑動(dòng)變阻器等實(shí)驗(yàn)儀器正確連接，直觀感受電阻對(duì)電流強(qiáng)度的影響。

導(dǎo)線連接交互操作

　　二、電腦分析回路功率。在成功連接閉合電路后，用戶來到實(shí)驗(yàn)室電腦面前，可以觀看到電子移動(dòng)的二維動(dòng)畫演示，在生動(dòng)有趣的語音講解當(dāng)中，進(jìn)一步了解電阻對(duì)電流大小的削弱作用。

電子移動(dòng)的二維動(dòng)畫

　　隨后根據(jù)計(jì)算機(jī)分析出來的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，用戶需要填寫一份簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表，對(duì)輸出功率和功率損耗等數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)的跟蹤和記錄。

填寫實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表

　　三、高溫超導(dǎo)模擬實(shí)驗(yàn)。正式開始任務(wù)前，用戶需要在實(shí)驗(yàn)室的文件柜里取出知識(shí)檔案，閱讀關(guān)于高溫超導(dǎo)體YBCO（釔鋇銅氧）的介紹內(nèi)容，以更好地理解超導(dǎo)體的應(yīng)用原理。

閱讀文件柜里的知識(shí)檔案

　　隨后，通過組裝真空泵儀器，進(jìn)行空氣抽取、添加液氮等一系列的操作，最終讓儀器內(nèi)的釔鋇銅氧超導(dǎo)體懸浮起來。伴隨著任務(wù)流程的順利開展，系統(tǒng)會(huì)彈出相應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)對(duì)話框和科普動(dòng)畫，讓用戶更加全面地了解超導(dǎo)現(xiàn)象發(fā)生的必要條件。

加入液氮后超導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)懸浮狀態(tài)

　　四、超導(dǎo)磁懸浮列車運(yùn)行演示。作為超導(dǎo)原理的重要應(yīng)用案例，超導(dǎo)磁懸浮列車在上個(gè)世紀(jì)70年代便成功進(jìn)行了載人可行性試驗(yàn)。在該軟件當(dāng)中，用戶能看到超導(dǎo)磁懸浮列車的逼真三維模型，并觀看列車模型在軌道上運(yùn)行的動(dòng)畫。第三人稱俯瞰視角和第一人稱駕駛室視角，為用戶提供了兩種不同的視覺體驗(yàn)；可調(diào)節(jié)的速率（分為一檔、二檔和三檔）也加強(qiáng)了用戶對(duì)列車的操控感，更加強(qiáng)烈地呈現(xiàn)出超導(dǎo)磁懸浮列車的“速度與激情”。

超導(dǎo)磁懸浮列車模型運(yùn)行動(dòng)畫

　　當(dāng)然，為了讓用戶更好地把握超導(dǎo)磁懸浮列車的運(yùn)作機(jī)制，系統(tǒng)也嵌入了介紹超導(dǎo)電機(jī)原理的科普動(dòng)畫，詳細(xì)講述這類交通工具借助“完全抗磁性”所實(shí)現(xiàn)的速度飛躍。

超導(dǎo)電機(jī)原理動(dòng)畫

　　五、參觀超導(dǎo)核聚變發(fā)電站沙盤。該沙盤以法國ITER核聚變實(shí)驗(yàn)中心為原型進(jìn)行搭建，提供三種不同的外部視角讓用戶進(jìn)行俯瞰觀察，同時(shí)配備了“自動(dòng)巡檢”模式讓用戶跟隨系統(tǒng)的視角自動(dòng)察看沙盤的全貌。

超導(dǎo)核聚變發(fā)電站沙盤

　　此外，發(fā)電站的內(nèi)部核心裝置——托卡馬克，可提供拆解、安裝等交互操作，讓用戶全方位、多角度地理解其物理構(gòu)成；而它的發(fā)電原理，也將通過動(dòng)畫播放的形式，為觀眾講述超導(dǎo)技術(shù)是如何應(yīng)用于產(chǎn)生托卡馬克強(qiáng)磁場(chǎng)的線圈上，保障熱核聚變能受控、連續(xù)產(chǎn)出。

托卡馬克所應(yīng)用的超導(dǎo)技術(shù)

　　除了上述核心功能以外，科技館內(nèi)部以及走廊的墻上，也專門設(shè)置了豐富的展板，為觀眾提供極其詳細(xì)的知識(shí)點(diǎn)信息。漫游其中，用戶不僅能對(duì)超導(dǎo)的含義、高溫超導(dǎo)的定義、高溫超導(dǎo)的發(fā)展歷程等基本的學(xué)科概念建立起基本的認(rèn)知，也能按照時(shí)間脈絡(luò)了解超導(dǎo)這個(gè)領(lǐng)域的代表性科學(xué)家。

展板呈現(xiàn)的科普內(nèi)容

　　結(jié)語

　　超導(dǎo)技術(shù)不僅是物理學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重大突破，它也正在逐步成為推動(dòng)未來科技革新的關(guān)鍵因素。從超導(dǎo)磁懸浮列車到核聚變發(fā)電，超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用前景無限廣闊。宙思科技的超導(dǎo)科技體驗(yàn)館不僅提供了一個(gè)交互式的學(xué)習(xí)平臺(tái)，更是為大眾理解和探索這一前沿技術(shù)開辟了新的路徑。我們衷心地希望用戶能夠通過這款軟件，更深入地了解超導(dǎo)技術(shù)，從而對(duì)人類的未來產(chǎn)生更多的期待和想象。只有充滿期盼和希望，科技的變革才有可能真正地到來。

真誠、開放、創(chuàng)新、求精