超導(dǎo)材料

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• 中文名

• 超導(dǎo)材料

• 外文名

• superconducting material

  目錄

• 特    性

• 處于超導(dǎo)態(tài)時電阻為零

• 材    料

• 28種元素和幾千種合金和化合物

• 特性1

• 抗磁性

• 特性2

• 同位素效應(yīng)

1. 1 技術(shù)原理

2. 2 主要產(chǎn)品

3. ▪ 合金材料

4. ▪ 化合物

5. 3 科學(xué)研究

6. 4 發(fā)展歷史

7. 5 應(yīng)用領(lǐng)域

8. 6 研發(fā)產(chǎn)品

技術(shù)原理

零電阻

超導(dǎo)材料處于超導(dǎo)態(tài)時電阻為零，能夠無損耗地傳輸電能。如果用磁場在超導(dǎo)環(huán)中引發(fā)感應(yīng)電流，這一電流可以毫不衰減地維持下去。這種“持續(xù)電流”已多次在實(shí)驗(yàn)中觀察到。

抗磁性

超導(dǎo)材料處于超導(dǎo)態(tài)時，只要外加磁場不超過一定值，磁力線不能透入，超導(dǎo)材料內(nèi)的磁場恒為零。

臨界溫度

外磁場為零時超導(dǎo)材料由正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)（或相反）的溫度，以Tc表示。Tc值因材料不同而異。已測得超導(dǎo)材料的最低Tc是鎢，為0．012K。到1987年，臨界溫度最高值已提高到100K左右。

臨界磁場

使超導(dǎo)材料的超導(dǎo)態(tài)破壞而轉(zhuǎn)變到正常態(tài)所需的磁場強(qiáng)度，以Hc表示。Hc與溫度T 的關(guān)系為Hc＝H0［1－（T／Tc）2］，式中H0為0K時的臨界磁場。

臨界電流和臨界電流密度

超導(dǎo)體的臨界溫度Tc與其同位素質(zhì)量M有關(guān)。M越大，Tc越低，這稱為同位素效應(yīng)。例如，原子量為199．55的汞同位素，它的Tc是4．18開，而原子量為203．4的汞同位素，Tc為4．146開。

通過超導(dǎo)材料的電流達(dá)到一定數(shù)值時也會使超導(dǎo)態(tài)破壞而轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)，以Ic表示。Ic一般隨溫度和外磁場的增加而減少。單位截面積所承載的Ic稱為臨界電流密度，以Jc表示。

超導(dǎo)材料的這些參量限定了應(yīng)用材料的條件，因而尋找高參量的新型超導(dǎo)材料成了人們研究的重要課題。以Tc為例，從1911年荷蘭物理學(xué)家H．開默林－昂內(nèi)斯發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)電性（Hg，Tc＝4．2K）起，直到1986年以前，人們發(fā)現(xiàn)的最高的 Tc才達(dá)到23．2K（Nb3Ge，1973）。1986年瑞士物理學(xué)家K．A．米勒和聯(lián)邦德國物理學(xué)家J．G．貝德諾爾茨發(fā)現(xiàn)了氧化物陶瓷材料的超導(dǎo)電性，從而將Tc提高到35K。之后僅一年時間，新材料的Tc已提高到100K左右。這種突破為超導(dǎo)材料的應(yīng)用開辟了廣闊的前景，米勒和貝德諾爾茨也因此榮獲1987年諾貝爾物理學(xué)獎金。

主要產(chǎn)品

在常壓下有28種元素具超導(dǎo)電性，其中鈮（Nb）的Tc最高，為9．26K。電工中實(shí)際應(yīng)用的主要是鈮和鉛（Pb，Tc＝7．201K），已用于制造超導(dǎo)交流電力電纜、高Q值諧振腔等。②

合金材料

超導(dǎo)元素加入某些其他元素作合金成分，

超導(dǎo)材料性質(zhì)研究

可以使超導(dǎo)材料的全部性能提高。如最先應(yīng)用的鈮鋯合金（Nb－75Zr），其Tc為10．8K，Hc為8．7特。繼后發(fā)展了鈮鈦合金，雖然Tc稍低了些，但Hc高得多，在給定磁場能承載更大電流。其性能是Nb－33Ti，Tc＝9．3K，Hc＝11．0特；Nb－60Ti，Tc＝9．3K，Hc＝12特（4．2K）。三元合金，性能進(jìn)一步提高，Nb－60Ti－4Ta的性能是，Tc＝9．9K，Hc＝12．4特（4．2K）；Nb－70Ti－5Ta的性能是，Tc＝9．8K，Hc＝12．8特。

化合物

超導(dǎo)元素與其他元素化合常有很好的超導(dǎo)性能。如已大量使用的Nb3Sn，其Tc＝18．1K，Hc＝24．5特。其他重要的超導(dǎo)化合物還有V3Ga，Tc＝16．8K，Hc＝24特；Nb3Al，Tc＝18．8K，Hc＝30特。

例如：超導(dǎo)陶瓷

20世紀(jì)80年代初，米勒和貝德諾爾茨開始注意到某些氧化物陶瓷材料可能有超導(dǎo)電性，他們的小組對一些材料進(jìn)行了試驗(yàn)，于1986年在鑭－鋇－銅－氧化物中發(fā)現(xiàn)了Tc＝35K的超導(dǎo)電性。1987年，中國、美國、日本等國科學(xué)家在鋇－釔－銅氧化物中發(fā)現(xiàn)Tc處于液氮溫區(qū)有超導(dǎo)電性，使超導(dǎo)陶瓷成為極有發(fā)展前景的超導(dǎo)材料。

科學(xué)研究

1．非常規(guī)超導(dǎo)體磁通動力學(xué)和超導(dǎo)機(jī)理

主要研究混合態(tài)區(qū)域的磁通線運(yùn)動的機(jī)理，不可逆線性質(zhì)、起因及其與磁場和溫度的關(guān)系，臨界電流密度與磁場和溫度的依賴關(guān)系及各向異性。超導(dǎo)機(jī)理研究側(cè)重于研究正常態(tài)在強(qiáng)磁場下的磁阻、霍爾效應(yīng)、漲落效應(yīng)、費(fèi)米面的性質(zhì)以及T＜Tc時用強(qiáng)磁場破壞超導(dǎo)達(dá)到正常態(tài)時的輸運(yùn)性質(zhì)等。對有望表現(xiàn)出高溫超導(dǎo)電性的體系象有機(jī)超導(dǎo)體等以及在強(qiáng)電方面具有廣闊應(yīng)用前景的低溫超導(dǎo)體等，也將開展其在強(qiáng)磁場下的性質(zhì)研究。

2．強(qiáng)磁場下的低維凝聚態(tài)特性研究

低維性使得低維體系表現(xiàn)出三維體系所沒有的特性。低維不穩(wěn)定性導(dǎo)致了多種有序相。強(qiáng)磁場是揭示低維凝聚態(tài)特性的有效手段。主要研究內(nèi)容包括：有機(jī)鐵磁性的結(jié)構(gòu)和來源

可用作超導(dǎo)材料的金屬在周期表上的分布

；有機(jī)（包括富勒烯）超導(dǎo)體的機(jī)理和磁性；強(qiáng)磁場下二維電子氣中非線性元激發(fā)的特異屬性；低維磁性材料的相變和磁相互作用；有機(jī)導(dǎo)體在磁場中的輸運(yùn)和載流子特性；磁場中的能帶結(jié)構(gòu)和費(fèi)米面特征等。

3．強(qiáng)磁場下的半導(dǎo)體材料的光、電等特性

強(qiáng)磁場技術(shù)對半導(dǎo)體科學(xué)的發(fā)展愈益變得重要，因?yàn)樵诟鞣N物理因素中，外磁場是唯一在保持晶體結(jié)構(gòu)不變的情況下改變動量空間對稱性的物理因素，因而在半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)研究以及元激發(fā)及其互作用研究中，磁場有著特別重要的作用。通過對強(qiáng)磁場下半導(dǎo)體材料的光、電等特性開展實(shí)驗(yàn)研究，可進(jìn)一步理解和把握半導(dǎo)體的光學(xué)、電學(xué)等物理性質(zhì)，從而為制造具有各種功能的半導(dǎo)體器件并發(fā)展高科技作基礎(chǔ)性探索。

4．強(qiáng)磁場下極微細(xì)尺度中的物理問題

極微細(xì)尺度體系中出現(xiàn)許多常規(guī)材料不具備的新現(xiàn)象和奇異特性，這與這類材料的微結(jié)構(gòu)特別是電子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。強(qiáng)磁場為研究極微細(xì)尺度體系的電子態(tài)和輸運(yùn)特性提供強(qiáng)有力的手段，不但能進(jìn)一步揭示這類材料在常規(guī)條件下難以出現(xiàn)的奇異現(xiàn)象，而且為在更深層次下認(rèn)識其物理特性提供豐富的科學(xué)信息。主要研究強(qiáng)磁場下極微細(xì)尺度金屬、半導(dǎo)體等的電子輸運(yùn)、電子局域和關(guān)聯(lián)特性；量子尺寸效應(yīng)、量子限域效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和表面、界面效應(yīng)；以及極微細(xì)尺度氧化物、碳化物和氮化物的光學(xué)特性及能隙精細(xì)結(jié)構(gòu)等。

5．強(qiáng)磁場化學(xué)

強(qiáng)磁場對化學(xué)反應(yīng)電子自旋和核自旋的作用，可導(dǎo)致相應(yīng)化學(xué)鍵的松弛，造成新鍵生成的有利條件，誘發(fā)一般條件下無法實(shí)現(xiàn)的物理化學(xué)變化，獲得原來無法制備的新材料和新化合物。強(qiáng)磁場化學(xué)是應(yīng)用基礎(chǔ)性很強(qiáng)的新領(lǐng)域，有一系列理論課題和廣泛應(yīng)用前景。貢獻(xiàn)。八十年代的一個概念上的重要進(jìn)展是量子霍爾效應(yīng)和分?jǐn)?shù)量子霍耳效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)。這是在強(qiáng)磁場下研究二維電子氣的輸運(yùn)現(xiàn)象時發(fā)現(xiàn)的（獲85年諾貝爾獎）。量子霍爾效應(yīng)和分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)激起物理學(xué)家探索其起源的熱情，并在建立電阻的自然基準(zhǔn)，精確測定基本物理常數(shù)e，h和精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)（＝e2／h（0c等應(yīng)用方面，已顯示巨大意義。高溫超導(dǎo)電性機(jī)理的最終揭示在很大程度上也將依賴于人們在強(qiáng)磁場下對高溫超導(dǎo)體性能的探索。

熟悉物理學(xué)史的人都清楚，由固體物理學(xué)演化為凝聚態(tài)物理學(xué)，其重要標(biāo)志就在于其研究對象的日益擴(kuò)大，從周期結(jié)構(gòu)延伸到非周期結(jié)構(gòu)，從三維晶體拓寬到低維和高維，乃至分?jǐn)?shù)維體系。這些新對象展示了大量新的特性和物理現(xiàn)象，物理機(jī)理與傳統(tǒng)的也大不相同。這些新對象的產(chǎn)生以及對新效應(yīng)、新現(xiàn)象的解釋使得凝聚態(tài)物理學(xué)得以不斷的豐富和發(fā)展。在此過程中，極端條件一直起著至關(guān)重要的作用，因?yàn)闃O端條件往往使得某些因素突出出來而同時抑制其它因素，從而使原本很復(fù)雜的過程變得較為簡單，有利于直接了解物理本質(zhì)。

超導(dǎo)材料

相對于其它極端條件，強(qiáng)磁場有其自身的特色。強(qiáng)磁場的作用是改變一個系統(tǒng)的物理狀態(tài)，即改變角動量（自旋）和帶電粒子的軌道運(yùn)動，因此，也就改變了物理系統(tǒng)的狀態(tài)。正是在這點(diǎn)上，強(qiáng)磁場不同于物理學(xué)的其他一些比較昂貴的手段，如中子源和同步加速器，它們沒有改變所研究系統(tǒng)的物理狀態(tài)。磁場可以產(chǎn)生新的物理環(huán)境，并導(dǎo)致新的特性，而這種新的物理環(huán)境和新的物理特性在沒有磁場時是不存在的。低溫也能導(dǎo)致新的物理狀態(tài)，如超導(dǎo)電性和相變，但強(qiáng)磁場極不同于低溫，它比低溫更有效，這是因?yàn)榇艌鍪箮щ姷暮痛判粤Ｗ拥倪h(yuǎn)動和能量量子化，并破壞時間反演對稱性，使它們具有更獨(dú)特的性質(zhì)。

強(qiáng)磁場可以在保持晶體結(jié)構(gòu)不變的情況下改變動量空間的對稱性，這對固體的能帶結(jié)構(gòu)以及元激發(fā)及其互作用等研究是非常重要的。固體復(fù)雜的費(fèi)米面結(jié)構(gòu)正是利用強(qiáng)磁場使得電子和空穴在特定方向上的自由運(yùn)動從而導(dǎo)致磁化和磁阻的振蕩這一原理而得以證實(shí)的。固體中的費(fèi)米面結(jié)構(gòu)及特征研究一直是凝聚態(tài)物理學(xué)領(lǐng)域中的前沿課題。當(dāng)今凝聚態(tài)物理基礎(chǔ)研究的許多重大熱點(diǎn)都離不開強(qiáng)磁場這一極端條件，甚至很多是以強(qiáng)磁場下的研究作為基礎(chǔ)。如波色凝聚只發(fā)生在動量空間，要在實(shí)空間中觀察到此現(xiàn)象必需在非均勻的強(qiáng)磁場中才得以可能。又如高溫超導(dǎo)的機(jī)理問題、量子霍爾效應(yīng)研究、納米材料和介觀物體中的物理問題、巨磁阻效應(yīng)的物理起因、有機(jī)鐵磁性的結(jié)構(gòu)和來源、有機(jī)（包括富勒烯〕超導(dǎo)體的機(jī)理和磁性、低維磁性材料的相變和磁相互作用、固體中的能帶結(jié)構(gòu)和費(fèi)米面特征以及元激發(fā)及其互作用研究等等，強(qiáng)磁場下的研究工作將有助于對這些問題的正確認(rèn)識和揭示，從而促進(jìn)凝聚態(tài)物理學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展和完善。

帶電粒子象電子、離子等以及某些極性分子的運(yùn)動在磁場特別是在強(qiáng)磁場中會產(chǎn)生根本性變化。因此，研究強(qiáng)磁場對化學(xué)反應(yīng)過程、表面催化過程、材料特別是磁性材料的生成過程、生物效應(yīng)以及液晶的生成過程等的影響，有可能取得新的發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生交叉學(xué)科的新課題。強(qiáng)磁場應(yīng)用于材料科學(xué)為新的功能材料的開發(fā)另辟新徑，這方面的工作在國外備受重視，在國內(nèi)也開始有所要求。高溫超導(dǎo)體也正是因?yàn)樵谖磥淼膹?qiáng)電領(lǐng)域中蘊(yùn)藏著不可估量的應(yīng)用前景才引起科技界乃至各國政府的高度重視。因此，強(qiáng)磁場下的物理、化學(xué)等研究，無論是從基礎(chǔ)研究的角度還是從應(yīng)用角度考慮都具有非常重要的科學(xué)和技術(shù)上的意義，通過這一研究，不僅有助于將當(dāng)代的基礎(chǔ)性研究向更深層次開拓，而且還會對國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著重要的推動作用。

發(fā)展歷史

1911年，荷蘭物理學(xué)家昂尼斯（1853～1926）發(fā)現(xiàn)，水銀的電阻率并不像預(yù)料的那樣隨溫度降低逐漸減小，而是當(dāng)溫度降到4．15K附近時，水銀的電阻突然降到零。某些金屬、合金和化合物，在溫度降到絕對零度附近某一特定溫度時，它們的電阻率突然減小到無法測量的現(xiàn)象叫做超導(dǎo)現(xiàn)象，能夠發(fā)生超導(dǎo)現(xiàn)象的物質(zhì)叫做超導(dǎo)體。超導(dǎo)體由正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)的溫度稱為這種物質(zhì)的轉(zhuǎn)變溫度（或臨界溫度）TC?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)大多數(shù)金屬元素以及數(shù)以千計的合金、化合物都在不同條件下顯示出超導(dǎo)性。如鎢的轉(zhuǎn)變溫度為0．012K，鋅為0．75K，鋁為1．196K，鉛為7．193K。

超導(dǎo)體得天獨(dú)厚的特性，使它可能在各種領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。但由于早期的超導(dǎo)體存在于液氦極低溫度條件下，極大地限制了超導(dǎo)材料的應(yīng)用。人們一直在探索高溫超導(dǎo)體，從1911年到1986年，75年間從水銀的4．2K提高到鈮三鍺的23．22K，才提高了19K。

1986年，高溫超導(dǎo)體的研究取得了重大的突破。掀起了以研究金屬氧化物陶瓷材料為對象，以尋找高臨界溫度超導(dǎo)體為目標(biāo)的“超導(dǎo)熱”。全世界有260多個實(shí)驗(yàn)小組參加了這場競賽。

1986年1月，美國國際商用機(jī)器公司設(shè)在瑞士蘇黎世實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家柏諾茲和繆勒首先發(fā)現(xiàn)鋇鑭銅氧化物是高溫超導(dǎo)體，將超導(dǎo)溫度提高到30K；緊接著，日本東京大學(xué)工學(xué)部又將超導(dǎo)溫度提高

超導(dǎo)材料應(yīng)用

到37K；美國休斯敦大學(xué)宣布，美籍華裔科學(xué)家朱經(jīng)武又將超導(dǎo)溫度提高到40．2K。

1987年1月初，日本川崎國立分子研究所將超導(dǎo)溫度提高到43K；不久日本綜合電子研究所又將超導(dǎo)溫度提高到46K和53K。中國科學(xué)院物理研究所由趙忠賢、陳立泉領(lǐng)導(dǎo)的研究組，獲得了48．6K的鍶鑭銅氧系超導(dǎo)體，并看到這類物質(zhì)有在70K發(fā)生轉(zhuǎn)變的跡象。2月15日美國報道朱經(jīng)武、吳茂昆獲得了98K超導(dǎo)體。2月20日，中國也宣布發(fā)現(xiàn)100K以上超導(dǎo)體。3月3日，日本宣布發(fā)現(xiàn)123K超導(dǎo)體。3月12日中國北京大學(xué)成功地用液氮進(jìn)行超導(dǎo)磁懸浮實(shí)驗(yàn)。3月27日美國華裔科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)在氧化物超導(dǎo)材料中有轉(zhuǎn)變溫度為240K的超導(dǎo)跡象。很快日本鹿兒島大學(xué)工學(xué)部發(fā)現(xiàn)由鑭、鍶、銅、氧組成的陶瓷材料在14℃溫度下存在超導(dǎo)跡象。高溫超導(dǎo)體的巨大突破，以液態(tài)氮代替液態(tài)氦作超導(dǎo)制冷劑獲得超導(dǎo)體，使超導(dǎo)技術(shù)走向大規(guī)模開發(fā)應(yīng)用。氮是空氣的主要成分，液氮制冷機(jī)的效率比液氦至少高10倍，所以液氮的價格實(shí)際僅相當(dāng)于液氦的1／100。液氮制冷設(shè)備簡單，因此，現(xiàn)有的高溫超導(dǎo)體雖然還必須用液氮冷卻，但卻被認(rèn)為是20世紀(jì)科學(xué)上最偉大的發(fā)現(xiàn)之一。

應(yīng)用領(lǐng)域

編輯

超導(dǎo)材料具有的優(yōu)異特性使它從被發(fā)現(xiàn)之日起，就向人類展示了誘人的應(yīng)用前景。但要實(shí)際應(yīng)用超導(dǎo)材料又受到一系列因素的制約，這首先是它的臨界參量，其次還有材料制作的工藝等問題（例如脆性的超導(dǎo)陶瓷如何制成柔細(xì)的線材就有一系列工藝問題）。到80年代，超導(dǎo)材料的應(yīng)用主要有：①利用材料的超導(dǎo)電性可制作磁體，應(yīng)用于電機(jī)、高能粒子加速器、磁懸浮運(yùn)輸、受控?zé)岷朔磻?yīng)、儲能等；可制作電力電纜，用于大容量輸電（功率可達(dá)10000MVA）；可制作通信電纜和天線，其性能優(yōu)于常規(guī)材料。②利用材料的完全抗磁性可制作無摩擦陀螺儀和軸承。③利用約瑟夫森效應(yīng)可制作一系列精密測量儀表以及輻射探測器、微波發(fā)生器、邏輯元件等。利用約瑟夫森結(jié)作計算機(jī)的邏輯和存儲元件，其運(yùn)算速度比高性能集成電路的快10～20倍，功耗只有四分之一。

研發(fā)產(chǎn)品

2014年3月28日，日本物質(zhì)材料研究機(jī)構(gòu)研究小組研究、合成了含有金和硅元素的新型超導(dǎo)化合物。 

研究小組在1500度、6萬個大氣壓的高溫高壓條件下，使金和硅以及二硅化鍶等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成了被稱為“SrAuSi3”的新型超導(dǎo)體，在1．6K絕對溫度下達(dá)到超導(dǎo)狀態(tài)。經(jīng)理論計算分析，該新型超導(dǎo)體電子結(jié)構(gòu)與原子序號較大的金元素相比，電子數(shù)有增加、電子磁性和自旋軌道耦合均較強(qiáng)，屬于BaNiSn3構(gòu)造的化合物。該研究成果已在美國化學(xué)學(xué)會主編的《材料化學(xué)》上發(fā)表。 ［1］