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Timeline of Superconductivity from 1900 to 2015.svg

超导体(superconductor),指可以在特定温度以下,呈现电阻为零的导体。零电阻和完全抗磁性是超导体的两个重要特性。超导体电阻转变为零的温度,称为超导临界温度,据此超导材料可以分为低温超导体高温超导体。这里的“高温”是相对于绝对零度而言的,其实远低于冰点摄氏0℃。科学家一直在寻求提高超导材料的临界温度,目前高温超导体的最高温度记录是马克普朗克研究所的203K(-70°C)。因为零电阻特性,超导材料在生成强磁场方面有许多应用,如MRI核磁共振成像等。

超导体演进史

  • 1933年,瓦尔特·迈斯纳和罗伯特·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,不能通过超导体,这种现象称为抗磁性。目前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――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(化物)具有35K的高温超导性。此后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,阿拉巴马大学亨茨维尔分校的台湾科学家吴茂昆及其研究生(Ashburn和Torng),与休斯顿大学的台湾科学家朱经武和他的学生共同发现了钇钡铜氧,这是首个超导温度在77K以上的材料,突破了液氮的“温度壁垒”(77K)。从此,科学家可以使用便宜的液氮而非昂贵的液氦研究超导体,这引发了对新型高温超导材料的研究热潮。随后,中国大陆科学家赵忠贤以及台湾科学家朱经武相继在-钡-铜-氧系材料上把临界超导温度提高到90K以上。1987年底,-钡--铜-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 。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 transition-metal oxypnictide, ReTmPnO)陆续被发现 。但并未有人发现其中的超导现象。
  • 2008年,日本的细野秀雄团队发现在铁基氮磷族氧化物(iron-based oxypnictide)中,将部分氧以掺杂的方式用氟作部分取代,可使LaFeAsO1-xFx的临界温度达到26K,在加压后(4 GPa)甚至可达到43K。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25K。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,SmFeAs[O0.9F0.1]可达55K 。另外,将铁以钴取代(LaFe1-xCoxAsO),稀土元素以钍取代(Gd1-xThxFeAsO),或是利用氧缺陷(LaFeAsO1-δ)等方式,也都可以引发超导 。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。另外,将BaFe2As2中将碱土金属(IIA)以碱金属(IA)部分取代,亦可得到临界温度约30至40K的高温超导体,如Ba1-xKxFe2As2(38 K) 。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。
  • 2015年,德国普朗克研究所的V. Ksenofontov和S. I. Shylin研究组创下新的超导温度记录:203K(-70°C)。其物质为硫化氢,论文发表在《自然》期刊。
  • 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,是目前已知最高温度的超导体

超导体的分类

一块超导材料沿着磁道道前进

现在对于超导体的分类并没有统一的标准,通常的分类方法有以下几种:

  • 通过材料对于磁场的相应可以把它们分为第一类超导体第二类超导体:对于第一类超导体只存在一个单一的临界磁场,超过临界磁场的时候,超导性消失;对于第二类超导体,他们有两个临界磁场值,在两个临界值之间,材料允许部分磁场穿透材料。
  • 通过解释的理论不同可以把它们分为:传统超导体(如果它们可以用BCS理论或其推论解释)和非传统超导体(如果它们不能用上述理论解释)。
  • 通过材料达到超导的临界温度可以把它们分为高温超导体和低温超导体:高温超导体通常指它们的转变温度达到液氮温度(大于77K);低温超导体通常指它们需要其他特殊的技术才可以达到它们的转变温度。
  • 通过材料可以将它们分为化学材料超导体比如:铅和水银;合金超导体比如:铌钛合金;氧化物超导体,比如钇钡铜氧化物;有机超导体,比如:碳纳米管。

超导材料临界温度

超导材料临界温度Tc 总表
材料 符号 Tc (K) 晶胞中Cu-O平面数目 结构
YBa2Cu3O7 123 92 2 正交晶系
Bi2Sr2CuO6 Bi-2201 20 1 四方晶系
Bi2Sr2CaCu2O8 Bi-2212 85 2 四方晶系
Bi2Sr2Ca2Cu3O6 Bi-2223 110 3 四方晶系
Tl2Ba2CuO6 Tl-2201 80 1 四方晶系
Tl2Ba2CaCu2O8 Tl-2212 108 2 四方晶系
Tl2Ba2Ca2Cu3O10 Tl-2223 125 3 四方晶系
TlBa2Ca3Cu4O11 Tl-1234 122 4 四方晶系
HgBa2CuO4 Hg-1201 94 1 四方晶系
HgBa2CaCu2O6 Hg-1212 128 2 四方晶系
HgBa2Ca2Cu3O8 Hg-1223 134 3 四方晶系

理论进展

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美国物理学家约翰·巴丁利昂·库珀约翰·施里弗提出BCS理论,指出电声耦合的关键作用,较圆满的解释了低温超导。高温超导的理论研究仍在进行中。

2012年9月,德国莱比锡大学的研究人员宣布了一项进展:石墨颗粒能在室温下表现出超导性。研究人员将石墨粉浸入水中后滤除干燥,置于磁场中,结果一小部分(大约占0.01%)样本表现出抗磁性,而抗磁性是超导材料的标志性特征之一。 虽然表现出超导性的石墨颗粒很少,但这一发现仍然具有重要意义。迄今为止,超导体只有在温度低于-70°C下才能够发挥作用。如果像石墨粉这样便宜且容易获得的材料真能在室温下实现超导,将引发一次新的现代工业革命。

用途

  • 超导输电线路- 理论上能免除所有输电损耗,大幅压低发电量需求,但成本与保持低温问题使其处于概念研发前沿阶段。中国河南巩义市一间电解铝工厂内目前建有试验超导输电线,仅有360米但已经是世界最长的商用线路,除去保持低温的用电后依然比传统电线节约了65%电量。
  • 超导发电机 - 超导磁体可用于制作交流超导发电机、磁流体发电机让其效率更上一个台阶。1985年日本造船促进基金会(JAFSA)就已经成立了超导电磁发动机船舶(SEMP)开发委员会,目前技术开发尚未达到可商业化水准。
  • 超导量子干涉仪(SQUID) - 目前已经产业化。
    • 作为低温超导材料的主要代表NbTi合金和Nb3Sn量子干涉仪,在商业领域主要应用于医学领域的MRI(核磁共振成像仪)。
    • 基础科学研究领域,已经应用于欧洲的大型项目LHC项目,帮助人类寻求宇宙的起源等科学问题。
    • 探勘地底石油与矿物。
    • 军事上有增强反潜机探测潜艇的能力,但还在理论阶段。
  • 超导滤波器 - 目前已经产业化。民用手机和无线网的普及造成大气中电磁讯号极度复杂化,许多通讯装置和气象观测机受到干扰,超导滤波器有很强的滤波能力使这些旧型装置重新发挥功能。
  • 超导磁浮列车 -用于磁浮列车可以说是超导界的圣杯,由于超导体天然就有磁浮效应,几乎不用任何机械设计,理论上能建造极度廉价却又超过飞机速度的列车,永远改变人类的生活方式。2017年中国航天科工集团宣布展开研发专案,利用超导磁悬浮和真空管道双重技术建造时速达4000公里的列车。

延伸阅读

外部链接


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