本文關(guān)鍵詞：超導(dǎo)材料，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

一．何為超導(dǎo)

昂內(nèi)斯

荷蘭物理學(xué)家

 氣體液化問題是19世紀(jì)物理的熱點(diǎn)之一。1894年荷蘭萊頓大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)教授卡麥林·昂內(nèi)斯建立了著名的低溫試驗(yàn)室。1908年昂內(nèi)斯成功地液化了地球上最后一種“永久氣體”───氦氣，并且獲得了接近絕對(duì)零度（零下273.2攝氏度，，標(biāo)為OK）的低溫：4.25K。──1.15K。（相當(dāng)于零下攝氏度）。為此，朋友們風(fēng)趣地稱他為“絕對(duì)零度先生”。這樣低的溫度為超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)提供了有力保證。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，1911年昂內(nèi)斯發(fā)現(xiàn)：汞的電阻在4.2K。 左右的低溫度時(shí)急劇下降，以致完全消失（即零電阻）。1913年他在一篇論文中首次以“超導(dǎo)電性”一詞來表達(dá)這一現(xiàn)象。由于“對(duì)低溫下物質(zhì)性質(zhì)的研究，并使氦氣液化”方面的成就，昂內(nèi)斯獲1913年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 

“超導(dǎo)電性”現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)之后，引起了各國科學(xué)家的關(guān)注和研究，并寄于很大期望。通過研究，人們發(fā)現(xiàn)：所有超導(dǎo)物質(zhì)，如鈦、鋅、鉈、鉛、汞等，當(dāng)溫度降至臨界溫度（超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度）時(shí)，皆顯現(xiàn)出某些共同特征：（1）電阻為零，一個(gè)超導(dǎo)體環(huán)移去電源之后，還能保持原有的電流。有人做過實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)環(huán)中的電流持續(xù)了二年半而無顯著衰減；（2）完全抗磁性。這一現(xiàn)象是1933年德國物理學(xué)家邁斯納等人在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的，只要超導(dǎo)材料的溫度低于臨界溫度而進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)以后，該超導(dǎo)材料便把磁力線排斥體外，因此其體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度總是零。這種現(xiàn)象稱為“邁斯納效應(yīng)”。 

邁斯納

德國物理學(xué)家 

· 邁斯納效應(yīng)

當(dāng)金屬處在超導(dǎo)狀態(tài)時(shí)，這一超導(dǎo)體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，即能把原來存在于體內(nèi)的磁場排擠出去。他們對(duì)圍繞球形導(dǎo)體（單晶錫）的磁場分布進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試，結(jié)果驚奇地發(fā)現(xiàn)：錫球過渡到超導(dǎo)態(tài)時(shí)，錫球周圍的磁場都突然發(fā)生了變化，磁力線似乎一下子被排斥到超導(dǎo)體之外去了。于是，人們將這種當(dāng)金屬變成超導(dǎo)體時(shí)磁力線自動(dòng)排出金屬體之外，而超導(dǎo)體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零的現(xiàn)象，稱為“邁斯納效應(yīng)”。

超導(dǎo)電性的本質(zhì)究竟是什么。一開始人們便從實(shí)驗(yàn)和理論兩個(gè)方面進(jìn)行探索。不少著名科學(xué)家為此負(fù)出了巨大努力。然而直到50年人才獲得了突破性的進(jìn)展，“BCS”理論的提出標(biāo)志著超導(dǎo)電性理論現(xiàn)代階段的開始�！癇CS”理論是由美國物理學(xué)家巴丁、庫珀和施里弗于1957年首先提出的，并以三位科學(xué)家姓名第一個(gè)大寫字母命名這一理論。這一理論的核心是計(jì)算出導(dǎo)體中存在電子相互吸引從而形成一種共振態(tài)，即存在“電子對(duì)”。 

邁斯納效應(yīng)

1962年英國劍橋大學(xué)研究生約瑟夫森根據(jù)“BCS”理論預(yù)言，在薄絕緣層隔開的兩種超導(dǎo)材料之間有電流通過，即“電子對(duì)”能穿過薄絕緣層（隧道效應(yīng)）；同時(shí)還產(chǎn)生一些特殊的現(xiàn)象，如電流通過薄絕緣層無需加電壓，倘若加電壓，電流反而停止而產(chǎn)生高頻振蕩。這一超導(dǎo)物理現(xiàn)象稱為“約瑟夫森效應(yīng)”。這一效應(yīng)在美國的貝爾實(shí)驗(yàn)室得到證實(shí)�！凹s瑟夫森效應(yīng)”有力的支持了“BCS理論”。因此。巴丁、庫珀、施里弗榮獲1972年諾貝爾物理獎(jiǎng)。約瑟夫森則獲得1973年度諾貝爾物理獎(jiǎng)。 

超導(dǎo)體的研究60年代以來，重心逐漸轉(zhuǎn)向?qū)Τ瑢?dǎo)新材料的開發(fā)方面。開發(fā)高臨界溫度的超導(dǎo)體材料將能為超導(dǎo)體的大規(guī)模應(yīng)用創(chuàng)造條件。 

德國物理學(xué)家柏諾茲和瑞士物理學(xué)家繆勒從1983年開始集中力量研究稀土元素氧化物的超導(dǎo)電性。1986年他們終于發(fā)現(xiàn)了一種氧化物材料，其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度比以往的超導(dǎo)材料高出12度。這一發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致了超導(dǎo)研究的重大突破，美國，中國，日本等國的科學(xué)家紛紛研究，很快就發(fā)現(xiàn)了在液氮溫度區(qū)（-196C。以下）獲得超導(dǎo)電性的陶瓷材料，此后不斷發(fā)現(xiàn)高臨界溫度的超導(dǎo)材料。這就為超導(dǎo)的應(yīng)用提供了條件。柏諾茲和繆勒也因此獲1987年諾貝爾物理獎(jiǎng)。 

　超導(dǎo)電性現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)之后，不少人就想到了如何應(yīng)用的問題。由于當(dāng)時(shí)很多問題在技術(shù)上一時(shí)還難以解決，應(yīng)用還只是可望不可及的事情。隨著近年來研究工作的深入，超導(dǎo)體的某些特性已具有實(shí)用價(jià)值，例如超導(dǎo)磁浮列車已在某些國家進(jìn)行試驗(yàn)，超導(dǎo)量子干涉器也研制成功，超導(dǎo)船、用約瑟夫森器件制成的超級(jí)計(jì)算機(jī)等正在研制過程中，超導(dǎo)體材料已經(jīng)深入到科研、工業(yè)和人們的生活之中。 

現(xiàn)在已經(jīng)知道元素周期表上有近30種金屬元素的單質(zhì)具有超導(dǎo)性，它們的Tc值如表所示。

超導(dǎo)金屬的Tc值(開)

這些金屬的Tc均在10開以下(除La外)，沒有實(shí)用價(jià)值。科學(xué)家又開發(fā)出合金和化合物超導(dǎo)體。1961年制成了Tc為18.3開的鈮三錫(Nb3Sn)。20世紀(jì)70年代初期又發(fā)展了鈮-鋯-鈦三元合金。1973年制成了Tc為23.2開的鈮三鍺(Nb3Ge)。如此低的臨界溫度，給實(shí)際應(yīng)用仍帶來極大困難。正在“山窮水盡疑無路”之時(shí)，20世紀(jì)80年代，尋找高臨界溫度的超導(dǎo)材料的工作卻出人意料地出現(xiàn)了新的轉(zhuǎn)機(jī)。

瑞士的貝德諾茨和繆勒從事超導(dǎo)研究，走的是一條與前人不同的路。他們不是在人們?cè)缫咽熘慕饘倩蚝辖鹬腥ふ�，而是在金屬氧化物中去尋找。他們多年從事金屬氧化物的研究，發(fā)現(xiàn)有些氧化物在常溫下的行為不像絕緣體，卻有點(diǎn)像金屬。通常情況下，SrTiO3是典型的絕緣體，當(dāng)其結(jié)構(gòu)中存在氧空位，就有了+3價(jià)或+4價(jià)的鈦離子，并有了額外的電子，發(fā)生了超導(dǎo)相變。這就是他們尋找超導(dǎo)體氧化物的靈感。1986年他們合成了第一個(gè)Tc為35開的高溫氧化物超導(dǎo)體鑭鋇銅氧化物(La-Ba-Cu-O)，使他們?cè)?987年就獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。于是美、日、中等國的科學(xué)家紛紛加入這一研究行列，辛勤的勞動(dòng)很快結(jié)出了豐收的果實(shí)。日本東京大學(xué)宣布獲得Tc為37.5開的超導(dǎo)物質(zhì)。接著美籍華人朱經(jīng)武又把Tc提高到40.2開。中國科學(xué)院趙忠賢則獲得了48.6開的超導(dǎo)體。

1987年3月趙忠賢和朱經(jīng)武分別獨(dú)立發(fā)現(xiàn)釔鋇銅氧化物體系(Y-Ba-Cu-O)的Tc更高(為90開)，使超導(dǎo)溫度從極為寒冷的液氦區(qū)進(jìn)入比較溫暖的液氧區(qū)(77開)。1988年，中國科學(xué)院獲得了高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為120開的鈦鋇鈣銅氧化物(Ti-Ba-Ca-Cu-O)，這充分顯示出我國在超導(dǎo)材料研究方面已處于世界領(lǐng)先地位。以后鉈鋇鈣銅氧化物(Ti-Ba-Ca-Cu-O)和鉍鍶鈣銅氧化物(Bi-Sr-Ca-Cu-O)也被證實(shí)具有超導(dǎo)性，且Tc高達(dá)120開。

在這些混合氧化物中，似乎銅是不可缺少的。于是科學(xué)家對(duì)Y- Ba-Cu-O體系進(jìn)行了深入的研究，發(fā)現(xiàn)這種混合物中含有1個(gè)Y、2個(gè)Ba和3個(gè)Cu，所以又稱它是1-2-3化合物。由于Y-Ba-Cu-O是非化學(xué)計(jì)量化合物(又叫非整比化合物)，氧原子不足．必然形成結(jié)構(gòu)上的缺陷�；蛟S正是這種缺陷造成了超導(dǎo)性。在對(duì)取代元素進(jìn)行大量研究之后發(fā)現(xiàn)，體系中的Y、Ba及Cu均可用其他金屬代替。其中Cu雖是可被取代的，但也必須是變價(jià)的金屬元素如Mn、Fe、Co、Ni等。

金屬或合金超導(dǎo)體制備復(fù)雜，需用特殊的方法，如制備Nb3Sn已發(fā)明了粉末芯線燒結(jié)法、多股絞合電纜法、擴(kuò)散法、氣相沉積法、等離子體噴涂法、反應(yīng)濺射法、電泳法等。而氧化物超導(dǎo)體的制備條件則較簡單，所用設(shè)備不過是普通的箱式電爐或管式電爐。貝德諾茨和繆勒就是用傳統(tǒng)的陶瓷制造工藝制得了第一個(gè)高溫超導(dǎo)體。他們的具體操作方法是原材料混合、燒結(jié)、研磨、壓餅成型、燒結(jié)、再研磨、成型、燒結(jié)。對(duì)于高溫超導(dǎo)薄膜的制造，通常采用濺射法、蒸發(fā)法、化學(xué)氣相沉積法、分子束外延法和涂布法。北京某中學(xué)的學(xué)生在研究人員指導(dǎo)下，毫不費(fèi)力地制成了具有90開超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的釔鋇銅氧化物超導(dǎo)體。“舊時(shí)王謝堂前燕，飛入尋常百姓家”，從此超導(dǎo)材料研究不再那么神秘了。

二．超導(dǎo)體的性質(zhì)

臨界溫度以下電阻為零，這只是超導(dǎo)體的第一個(gè)特性，超導(dǎo)體還有另外一些與眾不同的性質(zhì)。

1933年德國的邁斯納和奧森費(fèi)耳德出色地完成了超導(dǎo)體磁性質(zhì)的研究工作。他們通過一系列實(shí)驗(yàn)指出．當(dāng)進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)后，超導(dǎo)體把磁力線完全排斥出體外，使它周圍的磁力線分布也發(fā)生相應(yīng)的變化，超導(dǎo)體內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度保持為零。人們把這一重大發(fā)現(xiàn)稱為“邁斯納效應(yīng)”。完全抗磁性是超導(dǎo)體的第二個(gè)基本特性。因此，只有同時(shí)具有零電阻和完全抗磁性的材料才有希望成為真正的超導(dǎo)體。

在一個(gè)淺平的錫盤上，放置一個(gè)體積很小但磁性很強(qiáng)的永久磁鐵，然后把溫度降至錫的Tc，這時(shí)可以看到小磁鐵竟離開錫盤表面飄然浮起，與錫盤保持一定距離后便懸空不動(dòng)了。這是由于超導(dǎo)體的抗磁性，使小磁鐵的磁力線無法穿透超導(dǎo)體，磁場發(fā)生畸變，便產(chǎn)生了一個(gè)向上的浮力。

1958年，美國的巴丁、庫柏和施瑞弗提出了著名的超導(dǎo)現(xiàn)象微觀理論，簡稱BCS理論。PCS理論認(rèn)為，在超導(dǎo)態(tài)金屬中的電子以晶格波為媒介相互吸引而形成電子對(duì)(稱為庫柏對(duì))，無數(shù)電子對(duì)重疊又常常交換搭配對(duì)象而形成一個(gè)整體，電子對(duì)作為一個(gè)整體的流動(dòng)便產(chǎn)生超導(dǎo)電流。像分子那樣，拆開電子對(duì)需一定能量，因此超導(dǎo)體中的基態(tài)和激發(fā)態(tài)之間存在能量差，即超導(dǎo)能隙。BCS理論成功地解釋了金屬及合金超導(dǎo)體的超導(dǎo)現(xiàn)象，把人們的認(rèn)識(shí)提高到一個(gè)嶄新的高度，由此他們?nèi)双@得1972年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

1961至1962年，美籍挪威人賈埃瓦用鋁做成了Al-Al2O3-Al隧道元件，進(jìn)行超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，直接觀察到了超導(dǎo)能隙，很好地證明了BCS理淪。但由于他沒經(jīng)過深入的思考，誤認(rèn)為超導(dǎo)能隙是氧化層沒做好，使兩側(cè)金屬超導(dǎo)體接觸短路造成的。1962年，英國物理學(xué)家約瑟夫森在著名科學(xué)家安德森的指導(dǎo)下又發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)體的又一重要性質(zhì)—超導(dǎo)隧道效應(yīng)，即電子對(duì)可以通過氧化層形成無電阻的超導(dǎo)電流，也稱約瑟夫森效應(yīng)。這一性質(zhì)可用于電子器件領(lǐng)域。用超導(dǎo)膜-絕緣層-超導(dǎo)膜制成隧道結(jié)的發(fā)明，將超導(dǎo)電性的應(yīng)用擴(kuò)大到電子、醫(yī)學(xué)和地學(xué)等領(lǐng)域。由于約瑟夫森的這一重大貢獻(xiàn)，他和賈埃瓦兩人共同摘取了1973年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的桂冠。

超導(dǎo)體磁通量量子化的特點(diǎn)又可用于高靈敏度的傳感器、超導(dǎo)量子干涉儀。

超導(dǎo)的機(jī)制和混合氧化物為什么具有較高的Tc值，這個(gè)奧秘正在探索之中。

三．超導(dǎo)的應(yīng)用前景

超導(dǎo)技術(shù)的突破性進(jìn)展和廣泛應(yīng)用，將引起一場新的技術(shù)革命，并對(duì)科技、經(jīng)濟(jì)、軍事乃至社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生不可估量的影響。超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用范圍十分廣闊，在輸電、電機(jī)、交通運(yùn)輸、航天、微電子、電子計(jì)算機(jī)、通信、核物理、新能源、生物工程、醫(yī)療以及軍事裝備等領(lǐng)域，都已展現(xiàn)出燦爛奪目的前景。

超導(dǎo)材料的應(yīng)用，將會(huì)在電力工業(yè)中引起一場革命。利用超導(dǎo)材料制成很細(xì)的導(dǎo)線，在無需變電所和變壓器等配電設(shè)備下輸電，免去由于常規(guī)輸電造成的10%以上電力損失(送電、變電、配電等每一步都存在電阻，使一部分電能轉(zhuǎn)化成熱量而白白浪費(fèi))，電費(fèi)開支節(jié)省15%以上。據(jù)估計(jì)，光是實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)輸電，美國每年就可減少100億美元的電力損失。超導(dǎo)發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)和其他大型電機(jī)與現(xiàn)有同類產(chǎn)品比，不僅體積小、重量輕十分之九、造價(jià)低一半，而且可以大大提高電流效率。一臺(tái)100萬千瓦大型超導(dǎo)發(fā)電機(jī)，設(shè)計(jì)壽命為40年，光節(jié)約能量就相當(dāng)于400萬桶石油。

人們預(yù)計(jì)，高溫超導(dǎo)將在能源工業(yè)上大有作為，超導(dǎo)儲(chǔ)能可以調(diào)節(jié)電網(wǎng)的負(fù)荷。電力輸入超導(dǎo)線圈中，電流可在里面長期流動(dòng)而幾乎不損耗電能，因此，可設(shè)計(jì)大容量的超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置于地下巖石中，儲(chǔ)存大量電能供電網(wǎng)調(diào)峰之用。超導(dǎo)體約束的等離子體可以引起核聚變以實(shí)現(xiàn)受控?zé)岷朔磻?yīng)，為解決能源危機(jī)發(fā)揮重大作用。

超導(dǎo)體在電子學(xué)領(lǐng)域里大有用武之地。用超導(dǎo)芯片(約瑟夫森器件)代替普通芯片制成超導(dǎo)計(jì)算機(jī)，可以大大提高運(yùn)算速度，減小計(jì)算機(jī)體積。美國研制的一臺(tái)運(yùn)算速度為800萬次/秒的超導(dǎo)計(jì)算機(jī)，只有一部電話機(jī)那么大，運(yùn)算速度提高了10～1000倍，而且元件不發(fā)熱、功耗非常小、無故障、高效率運(yùn)行時(shí)間要長得多。

超導(dǎo)技術(shù)可用于通信。一根超導(dǎo)線路傳遞數(shù)據(jù)的速率高達(dá)每秒1億次，可供1500萬部電話機(jī)同時(shí)通話，比現(xiàn)有光纖通信的通信速率還快100倍。

用超導(dǎo)器件制成的極其精密的超導(dǎo)量子干涉儀，可測出極其微弱的電磁波，被廣泛用到電子工業(yè)中。超導(dǎo)量子干涉儀不但能探測出埋在地下的礦物，也能探測出人腦的高級(jí)神經(jīng)活動(dòng)，揭開人類大腦思維活動(dòng)的奧秘。利用超導(dǎo)原理制造的新型紅外探測器、超導(dǎo)磁強(qiáng)針、超導(dǎo)重力儀、超導(dǎo)濾波器及各種微波器件，將廣泛應(yīng)用于航空航天事業(yè)、地震預(yù)報(bào)、地質(zhì)勘探及天文學(xué)領(lǐng)域。利用超導(dǎo)體的完全抗磁性可制造新型回旋加速器，把人們的視覺和感觀延伸到微觀世界深處，揭開物質(zhì)起源、生命起源的奧秘。

給超導(dǎo)線圈通電可獲得超導(dǎo)磁體，產(chǎn)生極強(qiáng)的磁場。日本用鈮三錫(Nb3Sn)和釩三鎵(V3Ga)超導(dǎo)材料制成一個(gè)產(chǎn)生17.5萬高斯強(qiáng)磁場的超導(dǎo)磁體，只消耗15千瓦電力，而用普通銅線繞制，就得消耗電力7000千瓦，而且產(chǎn)生的熱量還要用大量的冷卻水帶走。超導(dǎo)磁體在磁流體發(fā)電、電子顯微鏡、高能加速器、電磁軌道炮、受控?zé)岷司圩兎磻?yīng)裝置等中，都可大顯神威。強(qiáng)超導(dǎo)磁體應(yīng)用在核磁共振計(jì)算機(jī)斷層診斷裝置上，可以使分辨率大大提高，能診斷出更早期的癌細(xì)胞。若用超導(dǎo)技術(shù)制成家用電器，可做到體積小、重量輕、耗電少、精度高，而且經(jīng)久耐用、價(jià)格便宜。

超導(dǎo)磁懸浮列車是會(huì)“飛”的火車，由于磁懸浮列車與鐵軌之間的磁力作用，使列車懸浮在鐵軌上方，消除了鐵軌與車輪之間的摩擦力，時(shí)速可達(dá)500千米，而且行車平穩(wěn)、噪聲小、安全舒適、所需牽引力小、不污染環(huán)境。將來的輪船、汽車也可以用超導(dǎo)電動(dòng)機(jī)開動(dòng)。如果用超導(dǎo)電動(dòng)汽車來代替燃油汽車，那么全世界一年可節(jié)省汽油10億噸。

2000年11月北京有色金屬研究院研制的百米長鉍系高溫超導(dǎo)帶材問世。這種帶材長116米，寬3.6毫米，厚0.8納米，以螺旋管方式纏繞，用四引線法全長度測量。77開(即-196℃)液氮溫度下臨界電流達(dá)12.7安。它主要用于輸電電纜、變壓器、核磁共振成像等。2001年4月，340米長鉍系高溫超導(dǎo)線在清華大學(xué)研制成功，標(biāo)志著我國已躋身于少數(shù)掌握超導(dǎo)線材產(chǎn)業(yè)化的國家行列。

專家們相信，超導(dǎo)材料在工業(yè)上大規(guī)模應(yīng)用已經(jīng)為期不遠(yuǎn)了。持樂觀態(tài)度的人預(yù)計(jì)，到2l世紀(jì)中葉超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)將會(huì)創(chuàng)造8000億美元的巨大市場。

高溫超導(dǎo)及其它晶體基片 超導(dǎo)MRI磁共振成像系統(tǒng)

超導(dǎo)技術(shù)1  超導(dǎo)技術(shù)2

超導(dǎo)磁懸浮列車

視頻：材料科學(xué)資料集成——超導(dǎo)材料

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