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超导材料是具有在一定的低温条件下呈现出电阻等于零以及排斥磁力线的性质的材料。现已发现有28种元素和几千种

(图)超导材料超导材料

合金和化合物可以成为超导体。超导材料的基本物理参量为临界温度(Tc),临界磁场(Hc)和临界电流(Ic)。Tc指电流磁场以及其他外部条件相当低的情况下超导体由正常态转变到超导态的温度,主要取决于材料的化学成分、晶体结构和有序度。Hc一般指在给定温度条件下材料由超导态转变到正常态所需要的最小磁场,通常随Tc值的提高而增加。在温度低于Tc,外加磁场小于Hc2值时(Ⅱ类超导体由正常态转变到超导态不是突然的,作为这些材料的特殊临界磁场标记为下临界磁场Hc1与上临界磁场Hc2),通过超导材料的电流达到一定数值,也可使超导体由超导态转变到正常态,此时的电流值称为临界电流(Ic),单位截面的Ic值称为临界电流密度(Jc)。Jc值与超导材料的微观结构(第二相、位错网、晶界等)有密切关系。

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特性编辑本段回目录

超导材料和常规导电材料的性能有很大的不同。主要有以下性能。

(图)超导材料超导材料


①零电阻性:超导材料处于超导态时电阻为零,能够无损耗地传输电能。如果用磁场在超导环中引发感生电流,这一电流可以毫不衰减地维持下去。这种“持续电流”已多次在实验中观察到。

②完全抗磁性:超导材料处于超导态时,只要外加磁场不超过一定值,磁力线不能透入,超导材料内的磁场恒为零。

③约瑟夫森效应:两超导材料之间有一薄绝缘层(厚度约1nm)而形成低电阻连接时,会有电子对穿过绝缘层形成电流,而绝缘层两侧没有电压,即绝缘层也成了超导体。当电流超过一定值后,绝缘层两侧出现电压U(也可加一电压U),同时,直流电流变成高频交流电,并向外辐射电磁波,其频率为,其中h为普朗克常数,e为电子电荷。这些特性构成了超导材料在科学技术领域越来越引人注目的各类应用的依据。

基本临界参量编辑本段回目录

有以下3个基本临界参量。
①临界温度:外磁场为零时超导材料由正常态转变为超导态(或相反)的温度,以Tc表示。Tc值因材料不同而异。已测

(图)超导材料超导材料

得超导材料的最低Tc是钨,为0.012K。到1987年,临界温度最高值已提高到100K左右。

②临界磁场:使超导材料的超导态破坏而转变到正常态所需的磁场强度,以Hc表示。Hc与温度T 的关系为Hc=H0[1-(T/Tc)2],式中H0为0K时的临界磁场。

③临界电流和临界电流密度:通过超导材料的电流达到一定数值时也会使超导态破态而转变为正常态,以Ic表示。Ic一般随温度和外磁场的增加而减少。单位截面积所承载的Ic称为临界电流密度,以Jc表示。

超导材料的这些参量限定了应用材料的条件,因而寻找高参量的新型超导材料成了人们研究的重要课题。以Tc为例,从1911年荷兰物理学家H.开默林-昂内斯发现超导电性(Hg,Tc=4.2K)起,直到1986年以前,人们发现的最高的 Tc才达到23.2K(Nb3Ge,1973)。1986年瑞士物理学家K.A.米勒和联邦德国物理学家J.G.贝德诺尔茨发现了氧化物陶瓷材料的超导电性,从而将Tc提高到35K。之后仅一年时间,新材料的Tc已提高到100K左右。这种突破为超导材料的应用开辟了广阔的前景,米勒和贝德诺尔茨也因此荣获1987年诺贝尔物理学奖金。

分类编辑本段回目录

超导材料按其化学成分可分为元素材料、合金材料、化合物材料和超导陶瓷。

(图)超导材料的应用超导材料的应用


①超导元素:在常压下有28种元素具超导电性,其中铌(Nb)的Tc最高,为9.26K。电工中实际应用的主要是铌和铅(Pb,Tc=7.201K),已用于制造超导交流电力电缆、高Q值谐振腔等。
② 合金材料: 超导元素加入某些其他元素作合金成分, 可以使超导材料的全部性能提高。如最先应用的铌锆合金(Nb-75Zr),其Tc为10.8K,Hc为8.7特。继后发展了铌钛合金,虽然Tc稍低了些,但Hc高得多,在给定磁场能承载更大电流。其性能是Nb-33Ti,Tc=9.3K,Hc=11.0特;Nb-60Ti,Tc=9.3K,Hc=12特(4.2K)。目前铌钛合金是用于7~8特磁场下的主要超导磁体材料。铌钛合金再加入钽的三元合金,性能进一步提高,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。
③超导化合物:超导元素与其他元素化合常有很好的超导性能。如已大量使用的Nb3Sn,其Tc=18.1K,Hc=24.5特。其他重要的超导化合物还有V3Ga,Tc=16.8K,Hc=24特;Nb3Al,Tc=18.8K,Hc=30特。④超导陶瓷:20世纪80年代初,米勒和贝德诺尔茨开始注意到某些氧化物陶瓷材料可能有超导电性,他们的小组对一些材料进行了试验,于1986年在镧-钡-铜-氧化物中发现了Tc=35K的超导电性。1987年,中国、美国、日本等国科学家在钡-钇-铜氧化物中发现Tc处于液氮温区有超导电性,使超导陶瓷成为极有发展前景的超导材料。

应用编辑本段回目录

超导材料具有的优异特性使它从被发现之日起,就向人类展示了诱人的应用前景。但要实际应用超导材料又受到一系

(图)超导材料超导材料

列因素的制约,这首先是它的临界参量,其次还有材料制作的工艺等问题(例如脆性的超导陶瓷如何制成柔细的线材就有一系列工艺问题)。
到80年代,超导材料的应用主要有:
①利用材料的超导电性可制作磁体,应用于电机、高能粒子加速器、磁悬浮运输、受控热核反应、储能等;可制作电力电缆,用于大容量输电(功率可达10000MVA);可制作通信电缆和天线,其性能优于常规材料。
②利用材料的完全抗磁性可制作无摩擦陀螺仪和轴承。
③利用约瑟夫森效应可制作一系列精密测量仪表以及辐射探测器、微波发生器、逻辑元件等。利用约瑟夫森结作计算机的逻辑和存储元件,其运算速度比高性能集成电路的快10~20倍,功耗只有四分之一。

研究历史编辑本段回目录

1911年,荷兰物理学家昂尼斯(1853~1926)发现,水银的电阻率并不象预料的那样随温度降低逐渐减小,而是当温度

(图)超导材料临界温度超导材料临界温度

降到4.15K附近时,水银的电阻突然降到零。某些金属、合金和化合物,在温度降到绝对零度附近某一特定温度时,它们的电阻率突然减小到无法测量的现象叫做超导现象,能够发生超导现象的物质叫做超导体。超导体由正常态转变为超导态的温度称为这种物质的转变温度(或临界温度)TC。现已发现大多数金属元素以及数以千计的合金、化合物都在不同条件下显示出超导性。如钨的转变温度为0.012K,锌为0.75K,铝为1.196K,铅为7.193K。

超导体得天独厚的特性,使它可能在各种领域得到广泛的应用。但由于早期的超导体存在于液氦极低温度条件下,极大地限制了超导材料的应用。人们一直在探索高温超导体,从1911年到1986年,75年间从水银的4.2K提高到铌三锗的23.22K,才提高了19K。

1986年,高温超导体的研究取得了重大的突破。掀起了以研究金属氧化物陶瓷材料为对象,以寻找高临界温度超导体为目标的“超导热”。全世界有260多个实验小组参加了这场竞赛。

1986年1月,美国国际商用机器公司设在瑞士苏黎世实验室科学家柏诺兹和缪勒首先发现钡镧铜氧化物是高温超导体,将超导温度提高到30K;紧接着,日本东京大学工学部又将超导温度提高到37K;12月30日,美国休斯敦大学宣布,美籍华裔科学家朱经武又将超导温度提高到40.2K。

1987年1月初,日本川崎国立分子研究所将超导温度提高到43K;不久日本综合电子研究所又将超导温度提高到46K和53K。中国科学院物理研究所由赵忠贤、陈立泉领导的研究组,获得了48.6K的锶镧铜氧系超导体,并看到这类物质有在70K发生转变的迹象。2月15日美国报道朱经武、吴茂昆获得了98K超导体。2月20日,中国也宣布发现100K以上超导体。3月3日,日本宣布发现123K超导体。3月12日中国北京大学成功地用液氮进行超导磁悬浮实验。3月27日美国华裔科学家又发现在氧化物超导材料中有转变温度为240K的超导迹象。很快日本鹿儿岛大学工学部发现由镧、锶、铜、氧组成的陶瓷材料在14℃温度下存在超导迹象。高温超导体的巨大突破,以液态氮代替液态氦作超导制冷剂获得超导体,使超导技术走向大规模开发应用。氮是空气的主要成分,液氮制冷机的效率比液氦至少高10倍,所以液氮的价格实际仅相当于液氦的1/100。液氮制冷设备简单,因此,现有的高温超导体虽然还必须用液氮冷却,但却被认为是20世纪科学上最伟大的发现之一。

科学研究编辑本段回目录

1.非常规超导体磁通动力学和超导机理

(图)超导材料研究特性超导材料研究特性

主要研究混合态区域的磁通线运动的机理,不可逆线性质、起因及其与磁场和温度的关系,临界电流密度与磁场和温度的依赖关系及各向异性。超导机理研究侧重于研究正常态在强磁场下的磁阻、霍尔效应、涨落效应、费米面的性质以及T。

2.强磁场下的低维凝聚态特性研究
低维性使得低维体系表现出三维体系所没有的特性。低维不稳定性导致了多种有序相。强磁场是揭示低维凝聚态特性的有效手段。主要研究内容包括:有机铁磁性的结构和来源;有机(包括富勒烯)超导体的机理和磁性;强磁场下二维电子气中非线性元激发的特异属性;低维磁性材料的相变和磁相互作用;有机导体在磁场中的输运和载流子特性;磁场中的能带结构和费米面特征等。

3.强磁场下的半导体材料的光、电等特性
强磁场技术对半导体科学的发展愈益变得重要,因为在各种物理因素中,外磁场是唯一在保持晶体结构不变的情况下改变动量空间对称性的物理因素,因而在半导体能带结构研究以及元激发及其互作用研究中,磁场有着特别重要的作用。通过对强磁场下半导体材料的光、电等特性开展实验研究,可进一步理解和把握半导体的光学、电学等物理性质,从而为制造具有各种功能的半导体器件并发展高科技作基础性探索。

4.强磁场下极微细尺度中的物理问题
极微细尺度体系中出现许多常规材料不具备的新现象和奇异特性,这与这类材料的微结构特别是电子结构密切相关。强磁场为研究极微细尺度体系的电子态和输运特性提供强有力的手段,不但能进一步揭示这类材料在常规条件下难以出现的奇异现象,而且为在更深层次下认识其物理特性提供丰富的科学信息。主要研究强磁场下极微细尺度金属、半导体等的电子输运、电子局域和关联特性;量子尺寸效应、量子限域效应、小尺寸效应和表面、界面效应;以及极微细尺度氧化物、碳化物和氮化物的光学特性及能隙精细结构等。

5.强磁场化学
强磁场对化学反应电子自旋和核自旋的作用,可导致相应化学键的松弛,造成新键生成的有利条件,诱发一般条件下无法实现的物理化学变化,获得原来无法制备的新材料和新化合物。强磁场化学是应用基础性很强的新领域,有一系列理论课题和广泛应用前景。近期可开展水和有机溶剂的磁化及机理研究以及强磁场诱发新化学反应研究等。

6.磁场下的生物学、生物-医学研究等
磁体科学和技术,强磁场的价值在于对物理学知识有重要贡献。八十年代的一个概念上的重要进展是量子霍尔效应和分数量子霍耳效应的发现。这是在强磁场下研究二维电子气的输运现象时发现的(获85年诺贝尔奖)。量子霍尔效应和分数量子霍尔效应的发现激起物理学家探索其起源的热情,并在建立电阻的自然基准,精确测定基本物理常数e,h和精细结构常数(=e2/h(0c等应用方面,已显示巨大意义。高温超导电性机理的最终揭示在很大程度上也将依赖于人们在强磁场下对高温超导体性能的探索。

熟悉物理学史的人都清楚,由固体物理学演化为凝聚态物理学,其重要标志就在于其研究对象的日益扩大,从周期结构延伸到非周期结构,从三维晶体拓宽到低维和高维,乃至分数维体系。这些新对象展示了大量新的特性和物理现象,物理机理与传统的也大不相同。这些新对象的产生以及对新效应、新现象的解释使得凝聚态物理学得以不断的丰富和发展。在此过程中,极端条件一直起着至关重要的作用,因为极端条件往往使得某些因素突出出来而同时抑制其它因素,从而使原本很复杂的过程变得较为简单,有利于直接了解物理本质。

相对于其它极端条件,强磁场有其自身的特色。强磁场的作用是改变一个系统的物理状态,即改变角动量(自旋)和带电粒子的轨道运动,因此,也就改变了物理系统的状态。正是在这点上,强磁场不同于物理学的其他一些比较昂贵的手段,如中子源和同步加速器,它们没有改变所研究系统的物理状态。磁场可以产生新的物理环境,并导致新的特性,而这种新的物理环境和新的物理特性在没有磁场时是不存在的。低温也能导致新的物理状态,如超导电性和相变,但强磁场极不同于低温,它比低温更有效,这是因为磁场使带电的和磁性粒子的远动和能量量子化,并破坏时间反演对称性,使它们具有更独特的性质。

强磁场可以在保持晶体结构不变的情况下改变动量空间的对称性,这对固体的能带结构以及元激发及其互作用等研究是非常重要的。固体复杂的费米面结构正是利用强磁场使得电子和空穴在特定方向上的自由运动从而导致磁化和磁阻的振荡这一原理而得以证实的。固体中的费米面结构及特征研究一直是凝聚态物理学领域中的前沿课题。当今凝聚态物理基础研究的许多重大热点都离不开强磁场这一极端条件,甚至很多是以强磁场下的研究作为基础。如波色凝聚只发生在动量空间,要在实空间中观察到此现象必需在非均匀的强磁场中才得以可能。又如高温超导的机理问题、量子霍尔效应研究、纳米材料和介观物体中的物理问题、巨磁阻效应的物理起因、有机铁磁性的结构和来源、有机(包括富勒烯〕超导体的机理和磁性、低维磁性材料的相变和磁相互作用、固体中的能带结构和费米面特征以及元激发及其互作用研究等等,强磁场下的研究工作将有助于对这些问题的正确认识和揭示,从而促进凝聚态物理学的进一步发展和完善。

带电粒子象电子、离子等以及某些极性分子的运动在磁场特别是在强磁场中会产生根本性变化。因此,研究强磁场对化学反应过程、表面催化过程、材料特别是磁性材料的生成过程、生物效应以及液晶的生成过程等的影响,有可能取得新的发现,产生交叉学科的新课题。强磁场应用于材料科学为新的功能材料的开发另辟新径,这方面的工作在国外备受重视,在国内也开始有所要求。高温超导体也正是因为在未来的强电领域中蕴藏着不可估量的应用前景才引起科技界乃至各国政府的高度重视。因此,强磁场下的物理、化学等研究,无论是从基础研究的角度还是从应用角度考虑都具有非常重要的科学和技术上的意义,通过这一研究,不仅有助于将当代的基础性研究向更深层次开拓,而且还会对国民经济的发展起着重要的推动作用。

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