作者 | 沈玮、刘仪

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1.超导的定义和特性

超导材料可以看作是一种"特殊"的导电材料。在通常情况下，电流通过任何材料时，都会遇到一些阻力，这就是我们通常说的电阻。电阻会使得电能转化为热能，这就是为什么电线会发热。然而，超导材料在达到一定的低温后，就会发生一个奇妙的现象——它的电阻突然变为零。这意味着电流可以在其中无阻力地流动，不会损失任何能量。换句话说，如果你在这种条件下启动一个电路，理论上它可以无限期地运行，而不需要额外的电力输入。另一个特性是，超导材料对磁场有完全的抵抗性。也就是说，磁场无法穿透超导材料。

超导现象的实现通常依赖于两个主要条件：低温和合适的材料。

低温：超导是一个低温现象。为了让某些材料成为超导体，我们需要将它们冷却到足够低的温度。这个临界温度（Tc）取决于具体的材料。早期的超导体，比如铅和汞，需要被冷却到接近绝对零度才会变得超导。后来的发现，如高温超导体（尽管它们的临界温度相对仍然很低），使得我们可以在相对较高的温度（但仍然在冷冻条件下）实现超导。

合适的材料：并非所有的材料都能成为超导体。超导性是材料的一种固有性质。有些材料在足够低的温度下就可以变为超导体，比如铝和铅。另外一些材料，尽管被冷却到接近绝对零度，仍然不能变为超导体，比如铁和金。另外，一些复合材料和陶瓷材料在特定的温度和压力条件下也可以表现出超导性。

2.超导材料的历史

超导可以说是二十世纪以来最重要的科学发现之一，百余年来已有 13 人在该领域获得诺贝尔奖。

正如前文所述，超导的发现和发展与低温的获得密切相关。1908 年，荷兰莱顿实验室的昂内斯将最难液化的气体——氦气成功液化，并获得液氦的沸点为 4.2 K（K 即开氏温度，,开氏温度与摄氏温度的换算标准为 K=273.15+℃）。随后在 1911 年 4 月 8 日，昂内斯等人在测量金属汞在低温下的电阻时，惊讶地发现当温度降至 4.2 K 以下时，汞的电阻突然下降到仪器测量不到的最小值，基本可认为是零电阻。第一个超导体——金属汞就此被发现。昂内斯因此于 1913 年获得诺贝尔，在领奖演说中他指出：“低温下金属电阻的消失不是逐渐的，而是突然的，水银在 4.2K 进入了一种新状态，由于它的特殊导电性能，可以称为超导态。”

1933 年，德国物理学家迈斯纳（W. Meissner）和奥森菲尔德（R. Ochsenfeld）发现超导体内部磁感应强度为零，即具有完全抗磁性，超导态下磁化率为－1，这成为判断超导体的另一个重要特征指标。（磁性是物质的基本属性之一，所有物质都是磁介质。当物质在外加磁场 H 中，会额外生成一个新磁场，定义为磁化强度 M，其中磁化强度 M 与外加磁场 H 的比值即为磁化率，它是衡量物质在外加磁场中被磁化强弱的物理量）

超导现象发现之后，人们又陆续研究了其他金属和合金是否在低温下具有超导电性。人们发现原来超导现象在大部分金属中都存在，一些材料在常压和低温下即可超导，还有的需要在高压和低温下才有超导电性。在元素周期表中，除了一些磁性金属如 Mn、Co、Ni，碱金属如 Na、K、Rb，部分磁性稀土元素，惰性气体和重元素等尚未观测到超导电性外，其他常见金属甚至非金属元素都可以实现超导。

1950 年，美国伊利诺斯大学的巴丁、库柏和斯里弗基于数位超导领域科学家的研究基础，提出了超导电量子理论。他们认为在超导态金属中电子以晶格波为媒介相互吸引而形成电子对，无数电子对相互重叠又常常互换搭配对象形成一个整体，电子对作为一个整体的流动产生了超导电流。由于拆开电子对需要一定能量，因此超导体中基态和激发态之间存在能量差，即能隙。这一重要的理论预言了电子对能隙的存在，成功地解释了超导现象，被科学家界称作“巴库斯理论”。这一理论的提出标志着超导理论的正式建立，使超导研究进入了一个新的阶段。

1986 年，IBM 的柏诺兹和缪勒在一种氧化铜材料中发现了高温超导性，临界温度为 35K（临界温度即超导体材料的电阻转变为零的温度。临界温度作为低温超导体和高温超导体的分类标准，临界温度>20K 的称为高温超导，<20K 的称为低温超导）。铜氧化物高温超导的发现，将临界温度大幅提高，使材料在低价的液氮降温环境下达到零电阻，极大地拓展了超导应用场景。这种新型材料，给超导研究注入了全新的活力，二人也在次年荣获诺贝尔物理学奖，比发现超导的“开山鼻祖”昂尼斯的获奖速度还快。至此开始，高温超导材料持续获得突破，临界温度不断提升，相关的研究成果不完全列举如下：

• 1986 年美国国际商用机器公司首先发现钡镧铜氧化物是高温超导体，将超导温度提高到 30K；
• 同年，日本综合电子研究所又将超导温度提高到 46K 和 53K；
• 1987 年，中国科学院物理研究所由赵忠贤、陈立泉领导的研究组，获得了 48.6K 的锶镧铜氧系超导体，并看到这类物质有在 70K 发生转变的迹象；
• 1987 年 2 月 16 日美国国家科学基金会宣布，朱经武与吴茂昆获得转变温度为 98K 的超导体；
• 1987 年 2 月 20 日中国也宣布发现 100K 以上超导体；
• 1987 年 3 月 3 日，日本宣布发现 123K 超导体；
• ……
• 2001 年 7 月，香港科技大学宣布成功开发出全球最细的纳米超导线。中国超导临界温度已提高到零下 120 摄氏度即 153K 左右。
• 2015 年，物理学者发现，硫化氢在极度高压的环境下 ( 至少 150GPa，也就是约 150 万标准大气压)，约于温度 203K 时会发生超导相变。
• 2018 年，德国化学家发现十氢化镧在压力 170GPa，温度 250K（-23℃） 下有超导性出现。
• 2020 年，罗切斯特大学的朗加·迪亚斯团队合成了含碳硫化氢系统，在 267±10GPa的压力下，最大临界温度达到 287.7±1.2K（约 15℃），使得超导临界温度首次达到室温，但 2022 年遭遇期刊撤稿。
• 2023 年，朗加·迪亚斯团队又宣称在一种由氢、氮、镥组成的材料中实现了室温超导，且压力相对较低，约 10kbar（约大气压力的 10000 倍），远低于在室温工作的超导通常所需要的数百万个大气压。

但总体来说，非常规高温超导的研究已经达到瓶颈，过去几十年内几乎没有实质性的提高。

由此可见，超导材料的实现很不容易，需要超高压或者极低温度的环境——有科普作家打过一个比方，有一种超导材料所需的超高压，近似于一只大象背起三四百只大象，再穿一只细高跟鞋，然后用细高跟鞋跺一下那种大小的力。中国科学院物理研究所研究院罗会仟曾在一篇文章中说到，从事超导研究的科学家们，同样怀有一个终极的梦想，那就是寻找到可实用化的室温超导材料，因此不难理解为何韩国科学家关于室温超导的研究成果会引发全球轰动。

3.目前已经实现量产应用的超导材料

1) 传统低温超导体（第一代超导体）：这类材料在超低温下能展现超导性。

a) 镍钛（Niobium-Titanium，NbTi）：NbTi 是最常见的超导材料，主要用于制造超导磁体，如在粒子加速器和医疗设备（如 MRI）中。

b) 镍锡（Niobium-Tin，Nb3Sn）：Nb3Sn 的临界温度和临界磁场都比 NbTi 高，使其成为大型科学实验和工程应用（例如在大型强子对撞机）的理想选择。

c) 镍铝（Niobium-Aluminium，NbAl）：尽管不如 NbTi 和 Nb3Sn 常用，但 NbAl 也在某些超导应用中找到了位置。

d) 纯铌（Niobium，Nb）：在所有纯金属中，纯铌的临界温度最高，为 9.2K。铌腔是粒子加速器中的关键组件，如用于光子源的电子直线加速器。

e) 铅（Lead，Pb）：铅是最早被发现的超导材料，但由于其低的临界温度和临界磁场，其应用相对有限。

2) 高温超导体（第二代超导体）：这类材料的超导临界温度高于传统低温超导体。

a) 镓钡铜氧（YBa2Cu3O7，也被称为 YBCO 或 1-2-3）：YBCO 是最早被发现的高温超导体之一，临界温度为 93K。

b) 铋锶钡铜氧（BSCCO，又名 Bi-2212 或 Bi-2223）：BSCCO 的临界温度在 85K 到 110K 之间，取决于特定的化合物。

c) 镍氧化物（Nickelates）：最近的研究发现，镍基氧化物在压力和掺杂适当的条件下，也可以表现出高温超导性。

d) 铁基超导体（Iron-based superconductors）：这是一类新的高温超导材料，临界温度可以达到 56K。

e) 镓钡铜氧（GdBa2Cu3O7，也被称为 GBCO 或 Gd-123）：与 YBCO 相似，其临界温度也为 93K。

a) 铈系金属：如铈铜二硅物（CeCu2Si2）、铈铝三（CeAl3）和铈铁二硅物（CeFe2Si2）等。它们的电子 - 电子相互作用强，是最早被认定为重费米子金属的材料。

b) 镧系金属：如镧铝二（YbAl2）、镧铜二锡物（YbCu2Si2）等。镧系金属中的镧元素在某些化合物中的电子态具有重费米子性质。

c) 釙铈铜氧（Pr2CeCuO4）：是一种具有重费米子行为的铜氧化物。

d) 铀系金属：例如铀砷化物（UAs3）、铀钌化物（URu2Si2）等，这些铀化合物展现出强烈的电子关联效应和重费米子行为。

e) 钍系金属：如钍铝三（ThAl3）等，钍在某些化合物中也会显示出重费米子行为。

4) 金属氢和氢化物：近年来，一些在极高压力下的氢化物被发现有超导性，如硫化氢（H3S）和镧氢化物，这些材料的临界温度已经超过了室温。

1.超导材料市场规模

根据欧洲超导行业协会（Conectus）数据，全球超导材料市场规模持续增长，全球市场规模已从 2012 年的 51.9 亿欧元增长至 2022 年的 68 亿欧元。从细分品类来看，高温超导仍受限于技术，国际超导材料市场 90% 左右是低温超导材料。预计随着超导线缆、可控核聚变等领域的持续发展，高温超导材料的市场规模将逐步扩大，预计至 2025 年高温超导市场占比将达 25%。

另外，从技术和生产端看，全球目前仅有少数几家企业掌握低温超导线生产技术，主要分布在美国、英国、德国、日本和中国。

Source：Conectus，北拓资本整理

Source：GMI，北拓资本整理

2.超导材料的应用场景

• 医疗成像：医疗成像设备如磁共振成像（MRI）和核磁共振成像（NMR）使用超导磁体产生强大的稳定磁场，这对于获取高分辨率的内部身体图像至关重要。
• 粒子加速器：大型粒子加速器，如欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC），使用超导磁体来加速并引导粒子飞行。
• 电力系统：超导材料用于电力传输线，由于其零电阻特性，可以大大减少能量损失。此外，超导也被用于电力设备如超导变压器、超导断路器和超导电能储存等。
• 磁悬浮列车（Maglev）：一些磁悬浮列车使用超导磁体创建强大的磁场，使列车能在轨道上悬浮，以减少摩擦并实现高速运行。
• 量子计算：超导材料在量子计算机中有着重要应用，其中的量子比特（qubit）经常使用超导电路来实现。
• 天文望远镜：一些大型天文望远镜使用超导探测器来接收和放大微弱的天文信号。

3.商业化企业

1) 境外企业

b)Bruker（IPO）：

布鲁克自动化是一家全球领先的科学仪器制造商和研究服务提供商，总部位于美国马萨诸塞州比勒里卡。公司主要为科学研究、应用科学、工业和相关领域提供高性能科学仪器以及相关服务。

布鲁克自动化的产品涵盖了众多的科学分析领域，包括质谱、磁共振、显微镜、红外、拉曼、X 射线以及许多其他的技术。其中在磁共振领域，其产品包括用于研究和教学的核磁共振（NMR）设备，以及磁共振成像（MRI）设备，在医疗、药物开发和生物医学研究等领域有广泛应用。

布鲁克自动化也是一家在超导磁体制造方面有重要影响力的公司。其超导磁体被广泛用于 NMR 和 MRI 设备中，产生高强度且稳定的磁场。

主要投资人：Thomas Weisel Partners、Essex Investment Management、Burril & Company、T. Rowe Price、FMR LLC、BlackRock、The Vanguard

c)SuperOx：

SuperOx 是一家专注于高温超导（HTS）技术的公司，总部位于俄罗斯，主要业务包括 HTS 材料的研发，以及相关设备的生产。

SuperOx 的产品主要包括超导磁体、超导线材和超导电缆等，并在一系列领域有着广泛的应用，包括电力系统、医疗设备、科研仪器以及交通等。

SuperOx 有着强大的研发实力，研发团队包括一些在超导领域有着深厚学术背景的专家。SuperOx 在镓钡铜氧（YBCO）超导线的研发方面取得了重要的成果，这种超导线在高温超导领域被广泛使用。

SuperOx 还参与了一些重大的科研项目，与各类科研机构和企业合作，推动超导技术的应用。

主要投资人：Andrey Vavilov

d)SuperPower：

SuperPower 作为古河电工（Furukawa Electric Group）的全资子公司，是一家全球领先的超导线材制造商，总部位于美国纽约州的斯克内克塔迪。

SuperPower 主要专注于镓钡铜氧（YBCO）超导线的研发和生产。其产品在一系列领域有着广泛的应用，包括电力系统、医疗设备、交通、科研等。

SuperPower 的超导线是基于其二代（2G）高温超导（HTS）技术。与一代（1G）HTS 线材相比，二代 HTS 线材在超导性能、机械性能以及成本效益等方面都有明显的优势。

主要投资人：Furukawa Electric Group

e)Sumitomo Electric Industries（IPO）：

住友电工是一家总部位于日本的全球性技术公司。这家公司的产品和服务涵盖了众多领域，包括信息通信、电子、汽车、环保、能源、工业材料等。

在超导技术领域，住友电工是全球最大的高温超导（HTS）线材制造商之一。其超导线材，特别是镓钡铜氧（YBCO）超导线，被广泛用于各种应用，包括电力系统、医疗设备、科研仪器以及交通等。

住友电工在超导线材的制造技术方面有着独特的优势。其线材在超导性能、机械性能以及成本效益等方面都具有很高的水平，因此在全球超导市场中占据了重要的位置。

此外，住友电工也积极参与各种科研项目，与全球各地的科研机构和企业合作，共同推动超导技术的研发和应用。

主要投资人：日本マスタートラスト信託銀行株式会社、株式会社日本カストディ銀行、日本生命保険相互会社、日本高知县、CEP LUX-ORBIS SICAV、JP Morgan Chase

f) THEVA（D 轮）：

THEVA Dünnschichttechnik GmbH 是一家总部位于德国的公司，专注于第二代（2G）高温超导（HTS）线材的研发和生产。

THEVA 在超导线材的制造技术方面有着独特的优势，制造工艺可以保证线材的超导性能和机械性能，并在提高生产效率的同时，实现成本的降低。

THEVA 的主要产品是镓钡铜氧（YBCO）超导线材，这种线材在一系列应用中有着广泛的用途，包括电力系统、医疗设备、科研仪器以及交通等。

主要投资人：Target Partners、BayBG Venture、eCAPITAL、Bayern Kapital、EnBW New Ventures、Wachstumsfonds Bayern

g)Unearthly Materials（天使轮）：

Unearthly Materials 是一家专注于常温超导材料的创业公司，由美国罗切斯特大学助理教授、物理学家兰加·迪亚斯（Ranga Dias）及其团队创立于 2022 年。

2023 年 3 月，美国物理学会三月会议（APS March Meeting）上，Dias 团队发布了轰动全球的有关常温超导材料的报告及研究成果，但此项研究成果后被证实为数据造假。

主要投资人：Plural Platform

2) 境内企业

h) 西部超导（IPO）：

西部超导材料科技股份有限公司主要从事高端钛合金材料、高性能高温合金材料、超导材料的研发、生产和销售，是我国航空用钛合金棒丝材的主要研发生产基地，是目前国内唯一实现超导线材商业化生产的企业，也是国际上唯一的铌钛铸锭、棒材、超导线材生产及超导磁体制造全流程企业。

主要投资人：西安工业集团、深创投、光大金控、盛世景、中和资本、海通创新、龙马资本、陕投成长基金、中信建投

i) 八匹马超导（A+ 轮）：

八匹马超导成立于 2018 年 10 月，是一家将超导、低温、真空等核心技术应用于半导体、医疗、科学仪器和大科学工程等领域，形成关键设备和部件产品化、产业化企业。目前八匹马超导的产品销往欧洲核子中心（CERN），与国内外知名半导体设备厂家、肿瘤精准治疗企业形成战略合作，服务了多家国家大科学中心、省级实验室、知名高校和院所等。

主要投资人：晶盛电机、苏国发、迈胜医疗、张江火炬、光大控股、海望资本、顺融资本

j) 上海超导（D 轮）：

上海超导科技股份有限公司 ( 以下简称上海超导 ) 成立于 2011 年,与上海交通大学深度合作并建有联合研究院,为上海市高新技术企业。公司汇聚了来自国内外顶尖高校及研究所的科学家团队，并同时拥有经验丰富的设备及工艺工程师，旨在为客户提供国际一流的产品与服务。在全球加速超导布局的今天，上海超导打破国外垄断，成功实现了从超导带材生产设备到超导产品的完全自主化，显著提高了二代高温超导带材的性价比。目前，公司主要产品包括：性能全球领先的第二代高温超导带材、二代高温超导“交钥匙”产线、以及二代高温超导应用产品，是行业内极少有的能同时在产业链上、中、下游提供优质产品的公司。

主要投资人：冠英资本、创丰资本、精达股份、允泰资本

k) 甚磁科技（天使轮）：

甚磁科技成立于 2022 年 12 月 14 日，主营业务包括：超导材料制造；超导材料销售；新材料技术研发；电子专用材料研发；电工仪器仪表制造；电力电子元器件制造等。

主要投资人：中科创星、云启资本、源科创企、菡源资产

l) 夸父超导（Pre-A 轮）：

合肥夸夫超导科技有限公司是一家超导材料产销商，主要经营：新材料技术研发；超导材料制造；超导材料销售；金属结构制造；金属工具制造；有色金属压延加工；有色金属合金制造；常用有色金属冶炼；稀有稀土金属冶炼；贵金属冶炼。

主要投资人：合肥高投、国科新能创投、航源基金

1.LK-99 事件

2023 年 7 月 22 日韩国科研团队发表了一篇论文，宣称自己发现了常压室温超导体 LK-99 晶体，在正常大气环境下可在 127 摄氏度以下实现超导。

10 天后，也就是 8 月 1 日，中美俄三国的实验室同时宣布自己初步验证了韩国团队描述的超导晶体 LK-99：

• 美国方面，诞生过 15 位诺贝尔奖得主，在物理和化学领域排名世界第一的美国劳伦斯伯克利国家实验室，宣布在美国能源部提供的超级计算机的模拟结果下，发现当铜取代磷灰石中的铅时会引起结构畸变，从而导致费米能级的孤立平带（也就是高温超导体），超级计算机模拟出来的晶格参数和韩国团队公布的实验结果仅相差 1%，从理论上证明这种用坩埚烧制常温超导体的办法是存在可行性的；
• 俄罗斯方面，俄罗斯科学家 Iris Alexandra 成功制备出了具备常温抗磁性的 LK-99 晶体，而常温抗磁性正是超导晶体的标志之一，其结果在 Twitter 上发布。
• 中国方面，湖北省武汉市华中科技大学材料学院博士后武浩、博士生杨丽，在常海欣教授的指导下，成功首次验证合成了可以磁悬浮的 LK-99 晶体，该晶体悬浮的角度比韩国团队描述的样品悬浮角度更大，有望实现真正意义的无接触超导磁悬浮。

学术界验证超导体的标准有两个：零电阻、迈纳斯效应（即完全的抗磁性）。LK-99 晶体之所以引起极大的争议，核心原因在于无论是原作者还是华科大学发布的视频，都只能证明 LK-99 具备一定的“磁悬浮”能力，即仅能说明该材料具有一定抗磁性。零电阻这一至关重要的特性尚无准确的验证。美国科学家虽然在理论上验证了 LK-99 的超导特性，但同样没有合成实际的材料样品验证这两大特性。

另一方面，具备磁悬浮能力也不等同于完全抗磁性。哈佛大学物理学的研究人员指出，磁悬浮实现的条件是电磁相互作用力大于材料本身的重力，在强磁场下很多抗磁性物质都可以悬浮。室温的抗磁性并不是一种稀有的材料属性，满填充的原子都有抗磁性，这是最基本的性质，只有少数物质会有顺磁性和铁磁性。最经典的例子应该是 2000 年的搞笑诺贝尔物理学奖，科学家 Geim 把一只青蛙放进室温口径的强磁场中，也实现了磁悬浮。因此仅以目前几国科学家发布的材料悬浮视频，尚不足以定量证明材料内部的总磁场为 0。

因此 LK-99 材料尚无法完全定性，有待后续各国科学家提取更多的样品并进行定量的电阻和内部磁场测试。

最差的情况是，LK-99 仅仅是一种抗磁材料。不过乐观的一面是，从目前的实验数据来看，LK-99 已经是人类历史上发明的最强抗磁材料。

在 LK-99 之前，抗磁性最强的材料是热解石墨和金属铋，它们的体积磁化率分别为 −4×10−4 和 −1.66×10−4  . 有科学家将 LK-99 与上述两种材料进行了同一定义换算：LK-99 的密度为 6.699 g/cm3 ，可以计算得到其国际单位制下体积磁化率为 -0.005，强于目前已知的所有抗磁材料。

2.常温超导可能带来的变革

• 能源输送：在现有的电网中，输电过程中会有能量损失，这是由于电线的电阻造成的。如果我们能够使用常温超导电线，那么电网的效率将大大提高，能源损失将大大降低。
• 磁悬浮列车：超导材料已经被用于磁悬浮列车的研发。如果有了常温超导材料，将会极大地推进这种交通工具的普及，从而改变公共交通的面貌。
• 医疗设备：超导材料在医学成像（如 MRI）中有重要应用。常温超导材料将使得这些设备更加便携，减小维护成本，从而提高医疗服务的质量和可达性。
• 计算机科技：超导材料在量子计算机中有应用，量子计算机是下一代计算技术，能够大幅提高计算速度。常温超导材料可能加速量子计算机的发展。
• 数据存储：超导材料可用于制造超高速度和超高效率的计算和数据存储设备，这将大大推动信息技术的发展。
• 科研设备：超导材料可以使科研设备，如粒子加速器等，变得更小，更便宜，更高效。
• 可再生能源：超导材料可以提高风能和太阳能等可再生能源的转换和传输效率，推  动可持续能源的发展。