高温超导 百科内容来自于: 百度百科

超导现象的发现与极低温度的探索有着密切的联系,而极低温度的获得是从气体液化技术开始的。热力学的发展使人们对低温的获得和存在绝对温度的思想产生了重大的影响。此时人们注意到纯金属的电阻随温度的降低而减少的现象。1902 年,开尔文认为随着温度的降低,电子将凝结在金属原子上,使金属的电阻变得无限大。随后昂内斯认为电阻先随温度降低到一个极小值,然后开始加大,并会在绝对零度时变为无穷大。

原理

由于临界温度的不断提高,人们将这些材料称为高温超导体。高温超导体的性质由载流子浓度决定,其本征特性是相干长度很短,即不均匀性。这对探索高温超导机理是十分需要的。超导的新奇特性的发现,对人类产生了重大意义。通过一些超导现象或效应,你就会惊讶地发现超导的美。
零电阻效应具有无损耗运输电流的性质。如能实现超导化大功率发电机、电动机,例如在电力领域,利用超导线圈磁体可以将发电机的磁场强度提高到 5 万~6 万高斯,并且几乎没有能量损失,这种发电机便是交流超导发电机。超导发电机的单机发电容量比常规发电机提高 5~10 倍,达 1 万兆瓦,而体积却减少 1/2,整机重量减轻 1/3,发电效率提高50%。那么其不必要的能耗将大大降低,这在国防、科研、工业上具有极大的意义。

应用

20世纪 80年代后期高温超导的发现,在全球掀起了一股“超导热 ” 。经过 20多年的研究发展,我国高温超导技术在超导材料技术、 超导强电技术和超导弱电技术三个方面取得了重大进展和突破。
在众多领域中 ,超导技术的应用具有非常突出的优点和不可取代的作用。随着高温超导材料和低温制冷技术的迅速发展 ,使超导技术的应用步伐迅速加快。超导技术在电力、 通信、 高新技术装备和军事装备等方面的应用也十分令人向往 ,具有重要的战略意义。我国在铋系带材、 钇系大面积双面薄膜、 钇系新型涂层带材、 钇系准单畴块材和高温超导电缆等方面 ,其技术发展水平与国际水平相当或相近 ,某些方面甚至处于国际领先水平。
1,现在研究中的磁悬浮列车的材料就是应用磁场强、体积小、重量轻的超导磁体。磁悬浮列车的原理是运用磁铁“同性相斥,异性相吸”的性质,使磁铁具有抗拒地心引力的能力,即“磁性悬浮”。这种原理运用在铁路运输系统上,使列车完全脱离轨道而悬浮行驶,成为“无轮”列车,时速可达几百公里以上。这就是所谓的“磁悬浮列车”。 列车上装有超导磁体,由于悬浮而在线圈上高速前进。这些线圈固定在铁路的底部,由于电磁感应,在线圈里产生电流,地面上线圈产生的磁场极性与列车上的电磁体极性总是保持相同,这样在线圈和电磁体之间就会一直存在排斥力,从而使列车悬浮起来。
2,此外在受控热核反应装置、回旋加速器等中都具有巨大的应用价值。
利用超导隧道效应,可以制造具有高灵敏的电磁信号探测元件和用于高速运行的计算机元件,可以制造出超导量子干涉磁强计,能测出脑磁图和心磁图,这对人的大脑活动具有重大的意义。也可以应用超导体于微波器件中,这对通信的质量的提高也具有重大的应用价值,通信质量的提高将会提高的人们生活水平,改善现在的生活现状。
3,在军事工业中,超导技术也可以发挥其特有的作用,超导扫雷具就是其中之一。超导扫雷具的工作原理是:超导扫雷具模拟舰船磁场特性,采用两根大电流电缆在海水中形成电极,并与海水组成闭合电路产生磁场,或者在船上安装一个电磁体产生磁场,从而得以将磁水雷引爆。
4,超导材料在强电、弱电方面的应用也具有很大的空间。在强电方面如高能物理受控热核反应、核磁共振等方面的应用,还有一些物理研究需要很强的磁场,一些特殊的设备都需要超导磁体核磁共振成像仪就是一个实例。其基本原理:原子核带有正电,并进行自旋运动。通常情况下,原子核自旋轴的排列是无规律的,但将其置于外加磁场中时,核自旋空间取向从无序向有序过渡。自旋系统的磁化矢量由零逐渐增长,当系统达到平衡时,磁化强度达到稳定值。如果此时核自旋系统受到外界作用,如一定频率的射频激发原子核即可引起共振效应。在射频脉冲停止后,自旋系统已激化的原子核,不能维持这种状态,将回复到磁场中原来的排列状态,同时释放出微弱的能量,成为射电信号,把这许多信号检出,并使之进行空间分辨,就得到运动中原子核分布图像。核磁共振的特点是流动液体不产生信号,称为流动效应或流动空白效应。因此血管是灰白色管状结构,而血液为无信号的黑色。这样使血管软组织很容易分开。正常脊髓周围有脑脊液包围,脑脊液为黑色的,并有白色的硬膜为脂肪所衬托,使脊髓显示为白色的强信号结构。核磁共振已应用于全身各系统的成像诊断。在弱电方面,由于约瑟夫森效应可以得到精确度高的电压值,在电压计量工作中具有重要意义:超导量子干涉仪(SQUID)的发明也是一个重要的应用,其具有高的磁测量灵敏度,在磁学中意义重大。

特点

高温超导无源微波器件的成功研制,一些器件,例如滤波器、延迟线等,可以在几年内成为商品面市,为全球通信服务,可以保证通信的通畅。对超导材料的应用研究还在继续并且十分活跃。然而,超导技术的应用,也表现了许多的不足之处。
超导体的广泛应用要解决材料在技术方面的很多问题。在材料方面,要求超导体应有较高的临界温度和临界电流。其安全稳定性要考虑,而提高超导材料的超导转变温度是超导材料得以广泛应用的基本前提,临界电流的提高也是至关重要的。
高温超导体本身也存在一些弱点。如强烈的各向异性,短的相干长度,不均匀性等等。现代在液氢温区大规模应用高温超导体还需要努力,进一步发展制备工艺。

种类

铋家族

铋超导家族的化学通式为Bi2Sr2Can-1CunO2n+4,n=2,3。也就是说这个家族有两个成员,即Bi2Sr2CaCuO8和Bi2Sr2Ca2Cu3O10。习惯上称为铋2212相和铋2223相。在铋2223相中,如果用Pb少量地取代Bi,材料的超导性能会得到改善。铋2212相的超导转变温度为85K,铋2223相的超导转变温度为110K。

铊家族

铊超导家族是高温超导体中最大的家族。又可分为两个分族。第一个分族的分子通式为Tl2Ba2Can-1CunO2n+4,n=1,2,3…。这个家族有三个主要成员,即2201相,2212相和2223相。2201相(Tl2Ba2CuO6)的超导转变温度为90K,2212相(Tl2Ba2CaCu2O8)的超导转变温度为110K。2223相(Tl2Ba2Ca2Cu3O10)的超导转变温度为125K。因这一分族的每个成员的分子式里都含有两个Tl原子,在晶体结构上对应两个铊原子层,所以人们又把这个分族叫做铊双层分族。
铊家族的另一个分族的化学分子通式为Tl(Ba,Sr)2 Can-1CunO2n+3, n=1,2,3。这个通式中的(Ba,Sr)表示这个位置可以是Ba也可以是Sr。当这个位置的原子是Sr时,Ca可以被某一种稀土元素(R)部分取代。能参与取代的稀土元素达15种之多。这个家族的主要成员在晶体结构上有三个,即1201相,1212相和1223相。因为每个相的(Ba,Sr)的位置都可以是Ba或者是Sr,所以结构上的三个相在化学组成上就分成了TlBa2CuO5, TlSr2CuO5;TlBa2CaCu2O7,TlSr2CaCu2O7;TlBa2Ca2Cu3O9,TlSr2Ca2Cu3O9 6个成员。而每个含Sr的成员的Ca又可以被稀土元素取代。所以这个分族有成员几十个。因这个分族每一个分子中只含一个铊原子,即在晶格中只有一层铊原子,所以人们又常把这个分族称为铊单层分族。铊单层分族的1201相、1212相和1223相的超导转变温度分别为45K,95K和120K。

汞家族

汞超导家族的化学通式为HgBa2Can-1CunO2n+2+x, n=1,2,3…。因这个家族的晶格中一般地有多余的氧原子存在,所以在氧的下标上有"+x"。这个家族的主要成员有HgBa2CuO4,HgBa2CaCu2O6+x和HgBa2Ca2Cu3O8+x,即1201相、1212相和1223相,这三个相的转变温度分别为85K,120K和133K。其中1223相中的133K是迄今为止所发现的在常压下最高的超导临界转变温度。高温超导体是金属氧化物,在本质上是陶瓷材料,所以有的人将其称为陶瓷超导材料。

稀土家族

稀土213家族的化学通式一般写为(R,Ba)2CuO4-x,这里R表示某一种稀土元素。至少有十种稀土元素可以用来合成这个家族的超导体。这个化学分子式中含两个(R,Ba)类原子,一个Cu原子,4个氧原子,所以被称为214结构。在晶格中,R和Ba的位置是等价的,所以这里把它们看作一类原子。由于一般地讲,在晶格中存在着氧原子少缺,所以在分子式中写成O4-x。这个家族的超导转变温度约为36K。
稀土224家族的化学通式为RBa2Cu3O7-x,R同样表示某个稀土元素。至少有13种稀土元素可以用来合成这个家族的超导体。因为这个家族的分子式中金属元素的个数分别为1,2和3,所以人们把这三种家族称为123超导体家族。因为元素的增多,人们习惯上不再把氧原子写出来表示这个家族。由于这个家族被发现的第一个成员的稀土元素是钇(Y),所以人们也常把123家族称为钇家族。123家族的超导转变温度为90K左右。

历史沿革

早在 19 世纪,有关物质导电的宏观经验定律就已建立。例如,欧姆定律基尔霍夫定律电阻定律等,关于物质导电的机理已经成为一个非常重要的课题。
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1882 年昂内斯成为莱顿大学物理系教授,开始把实验室的全部研究方向都确定在低温方向。1911年 2 月,昂内斯发现,在 4.3K 时,铂的电阻是一个定值。他认为这个定值是由杂质引起的,从而昂内斯选择汞作研究对象,因为汞在常温下可以连续用蒸馏法提纯。在 3K 时,他发现电阻降到 3×10-6以下,这是第一次观察到的超导电性
1913 年 9 月在华盛顿召开的第三届国际制冷会议上,昂内斯正式提出了“超导态”概念。
超导体零电阻效应被发现后,人们也许是惊喜万分,在相当长的一段时间里,一直误认为超导电性是超导体的最本质的性质,却忽略了超导体的磁性质。迈斯纳注意到超导体在有磁场时的转变中,有滞后现象存在。随后研究表明,当物体进入超导态后,外部空间的磁场分布将发生变化,使超导体内部的磁感应强度保持为零。后来称这一发现为“迈斯纳效应”。
但是这个时期还是认识超导机制的起步阶段。
20 世纪 30 年代,超导唯象理论有了快速的发展,有戈特—卡西米尔的热力学理论与二流体模型,有伦敦兄弟的电动力学理论。可以说金属电子导电理论此时在许多方面取得了巨大的成功。但是,超导电性是宏观世界的一种现象,在解释超导现象时,它的微观机制是如何的呢?还没有人能够给出恰当的解释。此后,许多人开始这方面的研究。他们认为,金属电子导电理论所使用的自由电子模型对超导体不再适用,应该充分考虑电子间以及电子与正离子间的相互作用。从此以后,超导物理界在电子间的库仑作用以及电—声相互作用方面展开了广泛的研究。最终在 1957 年由巴丁、库珀和施里弗三人共同建成了完整的超导微观机制。此后,一些物理学家根据前人的工作,相继地发现了超导隧道效应和约瑟夫森效应。
对超导现象,BCS 理论给出了比较满意的解释。而在应用方面,超导现象具有很宽敞的应用空间,具有很高的应用价值。到了现代,人们一直致力于对超导材料的研究。在 1968 年以前,高温超导材料的研究处于停滞状况,一直在探索,但是没有较大的进展。
接近室温的超导。一般超导合金在接近绝对零度时电阻为零,所以在其应用上会遇到制冷等问题的障碍。高温超导研究为现代科学的热门课题。
超导体得天独厚的特性,使它可能在各种领域得到广泛的应用。但由于早期的超导体存在于液氦极低温度条件下,极大地限制了超导材料的应用。人们一直在探索高温超导体,从1911年到1986年,75年间从水银的4.2K提高到铌三锗的23.22K,才提高了19K。
1986年,高温超导体的研究取得了重大的突破。掀起了以研究金属氧化物陶瓷材料为对象,以寻找高临界温度超导体为目标的“超导热”。全世界有260多个实验小组参加了这场竞赛。
1986年1月,美国国际商用机器公司设在瑞士苏黎世实验室科学家柏诺兹和缪勒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;紧接着,日本东京大学工学部又将超导温度提高到37K;12月30日,美国休斯敦大学宣布,美籍华裔科学家朱经武又将超导温度提高到40.2K。
1986 年 10 月,柏诺兹等人提出了他们在 Ba-La-Cu-O 系统中获得了 Tc 为 33K 左右的报道。同年 12 月 15 日,休斯顿大学报告了在处于压力下的 La-Ba-Cu-O 化合物体系中获得 40.2K的超导转变。同年 12 月 26 日,中科院物理研究所宣布,他们成功地获得转变温度 48.6K 的超导材料。到 1987 年 2 月 16 日。朱经武的试验小组在 92K 处观察到了超导转变。同年 2 月 24 日,中科院物理研究所赵忠贤领导的研究集体宣布,液氮温区超导体起始转变温度在 100K 左右。这时期超导临界温度突破液氮沸点 77K大关,对人类具有划时代的意义。
液氮代替了液氢,为超导技术实际应用展开了广阔的前景。现代物理学中关于超导现象的研究还在进一步的进行中。
1987年1月初,日本川崎国立分子研究所将超导温度提高到43K;不久日本综合电子研究所又将超导温度提高到46K和53K。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。2月15日美国报道朱经武、吴茂昆获得了98K超导体。2月20日,中国也宣布发现100K以上超导体。3月3日,日本宣布发现123K超导体。3月12日中国北京大学成功地用液氮进行超导磁悬浮实验。3月27日美国华裔科学家又发现在氧化物超导材料中有转变温度为240K的超导迹象。高温超导体的巨大突破,以液态氮代替液态氦作超导制冷剂获得超导体,使超导技术走向大规模开发应用。氮是空气的主要成分,液氮制冷机的效率比液氦至少高10倍,所以液氮的价格实际仅相当于液氦的1/100。液氮制冷设备简单,因此,现有的高温超导体虽然还必须用液氮冷却,但却被认为是20世纪科学上最伟大的发现之一。
科学家第一次在基于钚的材料中发现了超导电性。他们发现由钚、钴和镓组成的一种合金在绝对温标18.5K以下存在超导性。这个温度反常的高,意味着除了重费米子系统、高温氧化物和传统的超导材料之外,含钚化合物很可能也是一类新型的超导体(J. L. Sarrao et al., Nature 420, 297(2002) )。
这项工作是由美国洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)国家实验室的John Sarrao和他的同事,以及在佛罗里达大学和德国的超铀元素研究所的合作者们共同完成的。他们发现,钚化合物的临界温度(Tc)比重费米子系统(基于铀和铈的化合物)要高一个量级。临界温度是超导材料的电阻变为零的温度。
这种材料同时还有很高的临界电流(超过此界限材料就失去超导特性的电流强度),这对其实际应用非常有利——当然钚危险的放射性会限制这一应用。这个很高的临界电流来源于材料中由于辐射导致的缺陷所产生的钉扎中心。
研究人员在测量样品的磁化率和比热的过程中发现这种材料的超导性。随后,他们测量了样品的磁化率和电阻对温度的依赖关系,发现其结果显示,该化合物 5f 轨道上的电子的局域化程度处在铈化合物与铀化合物之间的。
钚属于锕族元素,位于 5f 电子从局域化到退局域化的转变区,这使得它属于已知最复杂的的物质之一。研究人员们相信,钚的超导性直接来源于其奇异的电子性质。从临界温度的角度来看,它处在临界温度仅有1K左右的重费米子材料和临界温度高达100K的铜氧化合物之间。
该小组希望进一步的研究能够发现在其他危险性稍弱的超铀元素中也存在超导性。Sarrao说:“经验告诉我们,当一个超导体被找到的时候,它旁边的化合物很可能是也超导的,所以还有非常多的相关化合物需要研究。”

发展前景

超导技术将成为 21 世纪的宠儿,而超导材料也将深入千家万户。超导技术的发展、应用和普及将会在世界能源方面发挥不朽的作用,将会为世界每年免去不必要的边缘耗散。如果能用上超导材料,那每年消耗的能量将
不可估量。如果这些能量被合理地利用起来对人类的发展不可谓不大,或者每年为这些能量的耗散而投入的不必要的资金,用于资助那些苦难的、急需救助的国家与人民,那意义不可谓不大。超导材料的普及必将是一场材料大革命,其意义并不会亚于其他科技革命
第一代超导线材——铋氧化物线材已达到商业化水平。东京电力公司试制成功长 100 米、3相、66 千伏的超导电缆,美国不久也将进行 100 米超导电缆的安装试验。日本正在加紧研究开发高性能的超导电缆、超导变压器、超导限流器和超导蓄电装置等,预计 5 年后达到目标。日本磁悬浮列车线圈的超导化目前也在计划当中,预计将从明年开始进行研究和试制。目前各国都在积极研究开发第二代超导线材——钇系列线材。其中,包含钇的YBCO (钇钡铜氧)和包含钕的 NBCO(钕钡铜氧)这两种线材,由于有更好的磁场特性,将来有可能成为超导线材的主流。有人预言不久的将来将会出现室温超导体。
超导技术的应用将会越来越广泛地造福人类,对超导电性机理的进一步的了解,将会对凝聚态物理学的发展以及相关边缘学科的发展产生极为深远的影响。各国政府,特别是工业发达国家的政府,对超导研究极力支持,给以大量投资,这些国家有实力的公司对研究成果迅速引进,迅速转变为生产力,这些都有利于超导技术的发展。这也说明,政府、企业与超导专家、研究者,在对超导将起的作用的看法方面取得了共识。超导技术在 21 世纪必将占有重要地位。
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