超导体简述

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1、超导体简述一、超导体的定义 :一般材料在温度接近绝对零度的时候，物体分子热运动几乎消失，材料的电阻趋近 于 0 ，此时称为超导体，达到超导的温度称为临界温度。二、超导体的发展史：1911 年，荷兰科学家昂内斯 （Onnes） 用液氦冷却汞，当温度下降到绝对温标 4.2K 时水银的电阻完全消失，这种现象称为超导电性，此温度称为临界温度。根据临界温 度的不同，超导材料可以被分为：高温超导材料和低温超导材料。但这里所说的“高 温”，其实仍然是远低于冰点摄氏 0 C的，对一般人来说算是极低的温度。1933 年，迈斯纳和奥克森菲尔德两位科学家发现，如果把超导体放在磁场中冷却， 则在材料电阻消失的同时，磁

2、感应线将从超导体中排出，不能通过超导体，这种现象 称为抗磁性。经过科学家们的努力，超导材料的磁电障碍已被跨越，下一个难关是突破温度障碍， 即寻求高温超导材料。1973年，发现超导合金一一铌锗合金，其临界超导温度为23.2K，这一记录保持了近13年。1986 年，设在瑞士苏黎世的美国 IBM 公司的研究中心报道了一种氧化物（镧钡铜氧 化物）具有 35K 的高温超导性。此后，科学家们几乎每隔几天，就有新的研究成果 出现。1986年，美国贝尔实验室研究的超导材料，其临界超导温度达到40K，液氢的“温度壁垒”（40K ）被跨越。1987 年，中国科学家赵忠贤以及美国华裔科学家朱经武相继在钇钡铜氧系材料

3、上把临界超导温度提高到90K以上，液氮的“温度壁垒”（77K）也被突破了。1 987年底，铊一钡一钙一铜一氧系材料又把临界超导温度的记录提高到 125K。从19 861987年的短短一年多的时间里，临界超导温度提高了近 100K。2001年，二硼化镁（MgB2）被发现其超导临界温度达到39K 1。此化合物的发现， 打破了非铜氧化物超导体 （non-cuprate superconductor） 的临界温度纪录。1990 至 2000 年代，具 ZrCuAsSi 结构的稀土过渡金属氮磷族化合物 (rare-earth tran sition-metal oxypnictide, ReTmPnO)

4、 陆续被发现 2 3 。但并未有人发现其中的超 导现象。超导体原料2008 年，日本的 Hideo Hosono 团队发现在铁基氮磷族氧化物 (iron-based oxypnict ide 中，将部份氧以掺杂的方式用氟作部份取代，可使 LaFeAsO1-xFx 的临界温度达 到26K4，在加压后(4 GPa)甚至可达到43K5。其后，中国的闻海虎团队，发现在 以锶取代稀土元素之后，La1-xSrxFeAsO亦可达到临界温度25K6。其后，中国的 科学家陈仙辉、赵忠贤等人，发现将镧以其他稀土元素作取代，则可得到更高的临界 温度；其中， SmFeAsO0.9F0.1 可达 55K7 8。另外，将

5、铁以钴取代 (LaFe1-xCo xAsO)，稀土元素以钍取代(Gd1-xThxFeAsO)，或是利用氧缺陷(LaFeAsOI- & )等方 式，也都可以引发超导 9 10 11。此系统亦被简称为“ 1111 系统”。此化合物的发现，非但再度打破了由 MgB2 保持 的非铜氧化物超导体 (non-cuprate superconductor) 的临界温度纪录，其含铁却有超 导的特性也受人注目。同样在 2008 年，受到上述“ 1111 系统”的启发， ThCr2Si2 结构的碱土金属氮磷族 化合物(ATm2Pn2)亦被发现，在将BaFe2As2中将碱土金属(IIA)以碱金属(IA)部分取 代，

6、亦可得到临界温度约30至40K的高温超导体，如Ba1-xKxFe2As2(38 K) 12。 此系统亦被简称为“ 122系统”。如同氧化物超导体，“ 1111”与“122”系统的超 导来源也是由层状结构中的 FeAs 层贡献，借由不同价数的离子掺杂或是氧缺陷，可 提升 FeAs 层载子的浓度，进而引发超导。三、超导技术的实用过程：比尔李1911 年，荷兰科学家昂内斯用液氦冷却水银，当温度下降到 4.2K 时发现水银的 电阻完全消失，这种现象称为超导电性。 1933 年，迈斯纳和奥克森菲尔德两位科学 家发现，如果把超导体放在磁场中冷却，则在材料电阻消失的同时，磁感应线将从超 导体中排出，不能通过

7、超导体，这种现象称为抗磁性。超导电性和抗磁性是超导体的两个重要特性。使超导体电阻为零的温度，叫超导 临界温度。经过科学家们数十年的努力，超导材料的磁电障碍已被跨越，下一个难关 是突破温度障碍，即寻求高温超导材料。1973年，人们发现了超导合金一一铌锗合金，其临界超导温度为23.2K，该记 录保持了 13 年。 1986 年，设在瑞士苏黎世的美国 IBM 公司的研究中心报道了一种 氧化物（镧钡铜氧）具有 35K 的高温超导性，打破了传统 “氧化物陶瓷是绝缘 体”的观念，引起世界科学界的轰动。此后，科学家们争分夺秒地攻关，几乎每隔几 天，就有新的研究成果出现。1986 年底，美国贝尔实验室邝细成研

8、究的氧化物超导材料，其临界超导温度达到40K，液氢的“温度壁垒”（40K）被跨越。1987年2月，美国华裔科学家朱经武和 中国科学家赵忠贤相继在钇钡铜氧系材料上把临界超导温度提高到 90K 以上 液氮的禁区（77K）也奇迹般地被突破了。1987年底，铊一钡一钙一铜一氧系材料又 把临界超导温度的记录提高到125K。从1986 1987年的短短一年多的时间里，临 界超导温度竟然提高了 100K以上，这在材料发展史，乃至科技发展史上都堪称是一 大奇迹！高温超导材料的不断问世，为超导材料从实验室走向应用铺平了道路。高温超导材料的用途非常广阔，大致可分为三类：大电流应用（强电应用）、电 子学应用（弱电应

9、用）和抗磁性应用。大电流应用即前述的超导发电、输电和储能； 电子学应用包括超导计算机、超导天线、超导微波器件等；抗磁性主要应用于磁悬浮 列车和热核聚变反应堆等。超导托卡马克核聚变实验装置超导磁悬浮列车 利用超导材料的抗磁性， 将超导材料放在一块永久磁体的上方， 由于磁体的磁力线不能穿过超导体，磁体和超导体之间会产生排斥力，使超导体悬浮 在磁体上方。利用这种磁悬浮效应可以制作高速超导磁悬浮列车。超导磁体计算机 高速计算机要求集成电路芯片上的元件和连接线密集排列， 但 密集排列的电路在工作时会发生大量的热，而散热是超大规模集成电路面临的难题。 超导计算机中的超大规模集成电路， 其元件间的互连线用接

10、近零电阻和超微发热的超 导器件来制作，不存在散热问题，同时计算机的运算速度大大提高。此外，科学家正 研究用半导体和超导体来制造晶体管，甚至完全用超导体来制作晶体管。核聚变反应堆“磁封闭体”核聚变反应时，内部温度高达 1亿2亿摄氏度，没有任何常规材料可以包容这些物质。 而超导体产生的强磁场可以作为 “磁封闭体”， 将热核反应堆中的超高温等离子体包围、约束起来，然后慢慢释放，从而使受控核聚 变能源成为 21 世纪前景广阔的新能源。科学家新近创造出一种新的物质形态，并预言它将帮助人类做出下一代超导体， 以用于发电和提高火车的工作效率等多种用途。这种新的物质形态称作“费密冷凝体”，是已知的第六种物质形

11、态。前五种物质 形态分别为气体、固体、液体、等离子体和 1995 年刚刚发明的玻色一爱因斯坦冷凝 体。磁悬浮列车费密子和玻色子的重大差异，体现在“自旋”这一量子力学特性上。费密子是像 电子一样的粒子，有半整数自旋（如 12，32，52 等）；而玻色子是像质子一 样的粒子，有整数自旋（如 0，1，2 等）。这种自旋差异使费密子和玻色子有完全不 同的特性。没有任何两个费密子能有同样的量子态：它们没有相同的特性，也不能在 同一时间处于同一地点；而玻色子却能够具有相同的特性。因此， 1995 年物理学家 将一定数量铷和钠原子冷却成玻色子时，大部分原子变成了同样的低温量子态，实际 上成为单一巨大的整体原

12、子：玻色一爱因斯坦凝聚态。但像钾一 40 或锂一 6 这样的 费密子，即使在很低的温度下，每种粒子必定也有稍微不同的特性。2003 年，物理学家找到了一个克服以上障碍的方法。他们将费密子成对转变成玻色 子，两个半整数自旋组成一个整数自旋，费密子对就起到了玻色子的作用，所有气体 突然冷凝至玻色一爱因斯坦凝聚态。 奥地利英斯布瑞克大学的科学家将锂一 6 原子冷 却，同时施加稳定磁场，促使费密子结合在一起；美国科罗拉多“实验室天体物理学 联合研究所”采用的技术略有不同，他们将钾一 40 原子冷却后施加磁场，通过磁场 变化让每个原子强烈吸引附近的原子，诱发它们形成成对原子，然后凝聚成玻色一爱 因斯坦凝聚态。五、未来超导体的世界：未来，超导体的温度将进一步的升高，在完成高温超导甚至室温超导的制造时， 人类的电能将有空前的利用率，将进一步缓解能源危机，而我们的用电器将不再使用 散热设备