超导体的发展历程

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• 倩倩19860816

  1911年：超导电性的发现　　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。 超导现象 　1911年，荷兰科学家卡末林—昂内斯(Heike Kamerlingh-Onnes)用液氦冷却汞，当温度下降到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[1]。但这里所说的「高温」，其实仍然是远低于冰点0℃的，对一般人来说算是极低的温度。 1973年，发现超导合金――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 　　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 　　1987年，美国华裔科学家朱经武以及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“温度壁垒”（77K）也被突破了。1987年底，－钡－钙－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。 　　来自德国、法国和俄罗斯的科学家利用中子散射技术，在高温超导体的一个成员单铜氧层Tl2Ba2CuO6＋δ中观察到了所谓的磁共振模式，进一步证实了这种模式在高温超导体中存在的一般性。该发现有助于对铜氧化物超导体机制的研究。 　　高温超导体具有更高的超导转变温度（通常高于氮气液化的温度），有利于超导现象在界的广泛利用。高温超导体的发现迄今已有16年，而对其不同于常规超导体的许多特点及其微观机制的研究，却仍处于相当“初级”的阶段。这一点不仅反映在没有一个单一的理论能够完全描述和解释高温超导体的特性，更反映在缺乏统一的、在各个不同体系上普遍存在的“本征”实验现象。本期Science所报道的结果意味着中子散射领域里一个长期存在的困惑很有可能得到解决。 超导体原料 早在1991年，法国物理学家利用中子散射技术在双铜氧层YBa2Cu3O6＋δ超导体单晶中发现了一个微弱的磁性信号。随后的实验证明，这种信号仅在超导体处于超导状态时才显著增强并被称为磁共振模式。这个发现表明的自旋以某种合作的方式产生一种集体的有序运动，而这是常规超导体所不具有的。这种集体运动有可能参与了的配对，并对超导机制负责，其作用类似于常规超导体内引起配对的晶格振动。但是，在另一个超导体La2－xSrxCuO4＋δ（单铜氧层）中，却无法观察到同样的现象。这使物理学家怀疑这种磁共振模式并非铜氧化物超导体的普遍现象。1999年，在Bi2Sr2CaCu2O8＋δ单晶上也观察到了这种磁共振信号。但由于Bi2Sr2CaCu2O8＋δ与YBa2Cu3O6＋δ一样，也具有双铜氧层结构，关于磁共振模式是双铜氧层的特殊表征还是“普遍”现象的困惑并未得到彻底解决。 　　理想的候选者应该是典型的高温超导晶体，结构尽可能简单，只具有单铜氧层。困难在于，由于中子与物质的相互作用很弱，只有足够大的晶体才可能进行中子散射实验。随着中子散射技术的成熟，对晶体尺寸的要求已降低到0.1厘米3的量级。晶体生长技术的进步，也使Tl2Ba2CuO6＋δ单晶体的尺寸进入毫米量级，而它正是一个理想的候选者。科学家把300个毫米量级的Tl2Ba2CuO6＋δ单晶以同一标准按晶体学取向排列在一起，构成一个“人造”单晶，“提前”达到了中子散射的要求。经过近两个月散射谱的搜集与反复验证，终于以确凿的实验显示在这样一个近乎理想的高温超导单晶上也存在磁共振模式。这一结果说明磁共振模式是高温超导的一个普遍现象。而La2－xSrxCuO4＋δ体系上磁共振模式的缺席只是“普遍”现象的例外，这可能与其结构的特殊性有关。 　　关于磁共振模式及其与间相互作用的理论和实验研究一直是高温超导领域的热点之一，上述结果将引起许多物理学家的关注与兴趣。 　　20世纪80年代是超导电性的探索与研究的黄金年代。1981年了有机超导体，1986年缪勒和柏诺兹发现了一种成分为钡、镧、铜、氧的陶瓷性金属氧化物LaBaCuO4，其临界温度约为35K。由于陶瓷性金属氧化物通常是绝缘物质，因此这个发现的意义非常重大，缪勒和柏诺兹因此而荣获了1987年度诺贝尔物理学奖。 　　1987年在超导材料的探索中又有新的突破，美国休斯顿物理学家朱经武小组与中国科学院物理研究所赵忠贤等人先后成临界温度约为90K的超导材料YBCO（钇铋铜氧）。 1988年 　　1988年初成临界温度达110K的Bi-Sr-Ca-Cu-O超导体。至此，人类终于实现了液氮温区超导体的梦想，实现了科学史上的重大突破。这类超导体由于其临界温度在液氮温度（77K）以上，因此被称为高温超导体。 　　自从高温超导材料发现以后，一阵超导热席卷了全球。科学家还发现系化合物超导材料的临界温度可达125K，汞系化合物超导材料的临界温度则高达135K。如果将汞置于高压条件下，其临界温度将能达到难以置信的164K。 1997年 　　1997年，研究人员发现，金铟合金在接近绝对零度时既是超导体同时也是磁体。1999年科学家发现钌铜化合物在45K时具有超导电性。由于该化合物独特的晶体结构，它在计算机存储中的应用潜力将是非常巨大的。 2007年 　　自２００７年１２月开始，中国科学院物理研究所的陈根富博士已投入到镧氧铁砷非掺杂单晶体的中。今年２月１８日，东京的细野秀雄教授和他的合作者在《美国化学会志》上发表了一篇两页的文章，指出氟掺杂镧氧铁砷化合物在零下247.15℃时即具有超导电性。在长期研究中保持着跨界关注习惯的陈根富和王楠林研究员立即捕捉到了这一消息的价值，王楠林小组迅速转向掺杂样品，他们在一周内实现了超导并测量了基本物理性质。 　　几乎与此同时，物理所闻海虎研究组通过在镧氧铁砷材料中用二价金属锶替换三价的镧，发现有临界温度为零下248.15℃以上的超导电性。 2008年 　　2008年３月２５日和３月２６日，中国科学技术陈仙辉组和物理所王楠林组分别发现临界温度超过零下233.15℃的超导体，突破麦克米兰极限，证实为非传统超导。 　　2008年３月２９日，中国科学院院士、物理所研究员赵忠贤的小组通过氟掺杂的镨氧铁砷化合物的超导临界温度可达零下２２１.１５℃，４月初该小组又发现无氟缺氧钐氧铁砷化合物在压力环境下超导临界温度可进一步提升至零下２１８.１５℃。

  浏览 371赞 79时间 2023-04-09
• lin2000west

  导电体是这样一种物质，当在此物质的两个不同点上加电位差（单位为伏特）时，允许带电粒子()流动，从而产生电流（单位为安培）。最好的导体，包括银，铜，他们所产生的电阻，也会使导体变热。电阻产生的热量意味着能源和效率损失，为了减少这种能量损失，研究人员一直在寻找方法和材料，以减少电阻产生的能量损失。一个主要的办法是一直使用超导材料，当冷却到非常低的温度接近零°的时候，超导材料的电阻会降到很低。
  超导首次发现是在1911年，在某些纯元素（汞，铅）的液态氦温度接近零开尔文温度的冷却情况下（绝对零度或-273°）能实现超导特性。高温超导体（HTS）直到1986年才被发现，像传统的超导体，是基于冷却的基础上，电阻接近零。然而，与传统的超导体材料相比，高温超导体（HTS）能在高于0 k的环境下工作，其最高温度可以达到在70k（氮的沸点温度）的混合物环境下工作。这一特征使液氮成冷却剂，这是一个更具成本效益，易于比液态氦使用的材料。今天，一些知名的高温超导体包括铋锶钙铜氧化物能107 K下工作，钇钡铜氧化物可以工作在90K。上面的图片是超导公司在生产新一代高温超导钇钡铜氧薄膜的图片。
  
  高温超导材料现在可用于包括故障限流器，RF（射频应用领域）和微波滤波器，此外高温超导材料还应用于别的领域，比如风力涡机，发电机，超高效电源线及其他创新应用的超导材料（新一代电动电机）。更加重要的是在商业应用方面，高温超导材料更加紧凑、封闭的应用在冰箱里面（非常省电）。

  浏览 223赞 146时间 2022-06-29