神奇的超导材料

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1、1神奇的超导材料神奇的超导材料1超导材料发展历史超导材料发展历史超导体，即具有零电阻和完全抗磁性的导体。1911 年，昂纳斯选用了汞作为实验对象进行低温电性实验，结果发现汞的电阻在4.2时突降到当时的仪器精度（10-14cm）已无法测出的程度，即汞在一确定的临界温度 Tc=4.15以下将丧失其电阻，这种现象称为超导电性的零电阻现象。1933 年德国物理学家迈斯纳(Meissner)与其同事们共同研究发现，当处于超导态的物质放入外磁场中时，其体内的磁感应强度为零，即能够把原来在其内部的磁场排挤出去，使导体内的磁场恒等于零，这一现象称为迈斯纳效应，也称完全抗磁性。1956 年，库柏直接从动力学出发

2、，考虑在费米面上一对自旋相反的电子之间的相互作用。研究表明，当两个电子有净的相互作用时，不论这种吸引作用多么微弱，他们都能够形成能量较低的束缚态。处于束缚态的这一对电子，通常被人们称为库柏对。1957年，巴丁、库柏和施里费将库柏对推广应用到许多相互作用着的电子提出了 BCS 理论。1962 年，英国剑桥大学的研究生约瑟夫森根据 BCS 理论计算认为，由于量子力学隧道作用，可以有库柏对通过超导金属中间极薄的绝缘势垒，这个效应被人们称为直流约毖夫森效应。1954 年，贝尔实验室的超导物理学家马梯阿斯和他的同事发现了另一种重要的超导材料 Nb3Sn，其转变温度约为 18K。1968 年，马梯阿斯和他

3、的同事们又得到了的Nb3Ge。1973 年美国物理学家加瓦勒用溅射的方法制成 Nb3Ge 薄膜，随后，贝尔实验室的泰斯塔迪等人又将临界转变温度提高到 23.2K，这个最高记录一直被保持到 1985 年。1987 年 2 月，美籍华人科学家朱经武（美国休斯顿大学）等6很快研制成功一种含钇和钡的铜氧化物 YBa2Cu3O7，其转变温度在 93K，进入了液氮温度区，人们把 Tc 在液氮温度以上的超导体称为高临界温度的超导体。从此，温区超导体问世。目前，在高温超导研究领域中，各国科学家正着重进行三个方面的探索。一是继续提高超导临界温度 Tc，争取获得室温超导体；二是寻找适合高温超导的微观机理，进一步建

4、立统一的微观理论；三是加紧进行高温超导材料与器件的研制，进一步提高材料的Jc 和 Hc，改善已有超导材料和器件的性能，降低成本，适应实用化要求。2超导材料的应用超导材料的应用超导体的特性，如零电阻性、完全抗磁性、隧道效应等以及在强磁场中能承受很大2的超导电流和它在发生超导态-正常态转变时的物理性能的变化，已开始在能源、工业、交通、医疗、航天、电子通信、科学仪器、机械加工、重大科技工程、国防和科学实验等领域中得到应用，并显示出突出的优点和广阔的前景。尤其高 Tc 超导(HTS)材料，摆脱了昂贵的液氦，近年来的成材研究和应用探索取得了长足的进步。目前，超导体材料的应用研究主要集中在输电电缆、变压器

5、、故障电流限制器、大气流引线、超导电机、超导储能、磁共振成像仪和磁浮列车等方面。磁悬浮列车：是利用磁悬浮作用使车轮与地面脱离接触悬浮于轨道之上，并利用直线电机驱动列车运动的一种新型交通工具。超导磁悬浮列车采用超导直线电机和超导电动推斥磁悬浮来实现运行。超导电缆：其发展经历了直流低温超导电缆、交流低温超导电缆和交流高温超导电缆等几个发展过程，现在超导电缆的研制已经完全转移到高温超导电缆上，而且发展迅速。超导电磁推进系统：该系统是利用电磁力推动船、舰、艇运行的一种新颖的船、舰、艇推进技术。其工作原理是：在船、舰、艇内安置一个超导磁体，它在海水中产生强磁场，在船、舰、艇两侧安装一对电极，使两极间的海

6、水中产生很强的电流。由于磁场和海水中的电流相互作用，海水就受到电磁力的作用而运动，海水运动产生的反作用力对船、舰、艇产生强大的推力。超导量子干涉计：SQUID 是使超导物质特有的约瑟夫森隧道效应与超导环形成的磁通捕集器组合而构成的高灵敏度磁强计。SQUID 磁强计可分辨 10-1410-15的磁场，其测量精度比其他仪器高出 34 个数量级。SQUID 磁强计可用来测量极其微弱的磁场及磁场的微小变化。正因 SQUID 磁强计具有如此高的灵敏度，除可用于生物体测量之外，还可用于极低温下的磁温度计、核磁测量、重力波测量、地下和深海海底的矿藏测量等，应用范围十分广泛。高能物理用大型超导磁体：要创造各种

7、条件进行高能物理研究就需要各种大型超导磁体，以用作微观粒子的加速、探测、聚焦和储能。这要求磁体场强高，载流能力强，磁场空间大。此时，若采用常规方法制造这种磁场，不但产生的磁场强度相对较低，而且能耗高。受控核聚变反应是将氢同位素的核能用热核聚变反应释放出来。但受控核聚变反应堆中的温度高达兆摄氏度以上，要控制这样的高温，只能采用强磁场约束。3. 超导材料的制备超导材料的制备超导材料具有许多优异性能，使得它在能源、工业、交通、医疗、航天、电子通信、科学仪器、机械加工、重大科技工程、国防3和科学实验等领域中得到广泛应用。为了满足工业应用的要求，首先必须能制备出各种形状的超导体，如薄膜、厚膜、块材、带材和线材等形状。另外，从应用的角度来看，在获得了足够高的临界转变温度(Tc)的超导体后，超导体的载流能力(Jc)还必须达到一定的强度(一般应用要求 Jc 在 104105Acm-2)。要得到规定形状的高温超导体和良好的运载电流的能力，就必须要找到适当的制备方法。目前，所采用的工艺方法主要有粉末冶金法、 、熔融生长、化学汽相沉积、激光淀积法等方法。4超导研究的展望超导研究的展望超导材料目前尚未成为国民经济的支柱产业，但它的应用前景却十分诱人。专家们预测，超导材料大规模应用上的突破可能引发下一次产业革命。超导时代很快就会到来。