超导材料

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超導材料,又稱為超導體(superconductor),指可以在在特定溫度以下,呈現電阻為零的導體。零电阻和抗磁性是超导体的两个重要特性。使超导体电阻为零的温度,叫超导临界温度。

演進史[编辑]

  • 1911年,荷兰科学家海克·卡末林·昂內斯用液冷却,当温度下降到絕對溫標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:高温超导材料低温超导材料。但這裡所說的「高溫」,其實仍然是遠低於冰點攝氏0℃的,一般來說仍是極低的溫度。
  • 1933年,迈斯纳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。

  • 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,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,亨茨维尔亚拉巴马大学吴茂昆及其研究生(Ashburn和Torng),与休斯顿大学的台灣科學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)。也因此引发了对新高温超导材料的研究热潮。随后,中国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,二硼化鎂(MgB2)被發現其超導臨界溫度達到39K [1]。此化合物的發現,打破了非銅氧化物超導體(non-cuprate superconductor)的臨界溫度紀錄。
  • 1990至2000年代,具ZrCuAsSi結構的稀土過渡金屬氮磷族化合物(rare-earth transition-metal oxypnictide, ReTmPnO)陸續被發現[2] [3]。但並未有人發現其中的超導現象。
  • 2008年,日本的Hideo Hosono團隊發現在鐵基氮磷族氧化物(iron-based oxypnictide)中,將部份氧以摻雜的方式用氟作部份取代,可使LaFeAsO1-xFx的臨界溫度達到26K[4],在加壓後(4 GPa)甚至可達到43K[5]。其後,中國的聞海虎團隊,發現在以鍶取代稀土元素之後,La1-xSrxFeAsO亦可達到臨界溫度25K[6]。其後,中國的科學家陳仙輝趙忠賢等人,發現將鑭以其他稀土元素作取代,則可得到更高的臨界溫度;其中,SmFeAs[O0.9F0.1]可達55K[7] [8]。另外,將鐵以鈷取代(LaFe1-xCoxAsO),稀土元素以釷取代(Gd1-xThxFeAsO),或是利用氧缺陷(LaFeAsO1-δ)等方式,也都可以引發超導[9] [10] [11]

此系統亦被簡稱為「1111系統」。此化合物的發現,非但再度打破了由MgB2保持的非銅氧化物超導體(non-cuprate superconductor)的臨界溫度紀錄,其含鐵卻有超導的特性也受人注目。

同樣在2008年,受到上述「1111系統」的啟發,ThCr2Si2結構的鹼土金屬氮磷族化合物(ATm2Pn2)亦被發現,在將BaFe2As2中將鹼土金屬(IIA)以鹼金屬(IA)部分取代,亦可得到臨界溫度約30至40K的高溫超導體,如Ba1-xKxFe2As2(38 K) [12]。此系統亦被簡稱為「122系統」。如同氧化物超導體,「1111」與「122」系統的超導來源也是由層狀結構中的FeAs層貢獻,藉由不同價數的離子摻雜或是氧缺陷,可提升FeAs層載子的濃度,進而引發超導。

超导体的分类[编辑]

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:

超導材料臨界溫度[编辑]

超導材料臨界溫度Tc 總表
材料 符号 Tc (K) 晶胞中Cu-O平面数目 結構
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[编辑]

美国物理学家約翰·巴丁利昂·庫珀约翰·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,结果小一部分(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-110°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。[13]

用途[编辑]

超导磁体可用于制作交流超导发电机、磁流体发电机和超导输电线路等。目前超导量子干涉仪(SQUID)已经产业化。 另外,作为低温超导材料的主要代表NbTi合金和Nb3Sn,在商业领域主要应用于医学领域的MRI(核磁共振成像仪)。作为科学研究领域,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。

产生磁场[编辑]

常规导体做磁体时,要产生10万高斯以上的稳态强磁场,需要消耗3.5兆的电能及大量的冷却用水,投资巨大;而超导材料在超导状态下具有零电阻和抗磁性,因此只需消耗极少的电能,就可以获得这么大的稳态强磁场。[來源請求]

参考文献[编辑]

  1. ^ J. Nagamatsu, N. Nakagawa, T. Muranaka, Y. Zenitani, and J. Akimitsu, Nature 410, 63 (2001)
  2. ^ B.I. Zimmer,W. Jeitschko, J.H. Albering, R. Glaum, M. Reehuis, J. Alloys Comp. 229, 238 (1995)
  3. ^ P. Quebe, L. J. Terbüchte, and W. Jeitschko, J. Alloys Comp. 302, 70 (2000)
  4. ^ Y. Kamihara, T. Watanabe, M. Hirano, and H. Hosono, J. Am. Chem. Soc. 130, 3296 (2008)
  5. ^ H. Takahashi, K. Igawa, K. Arii, Y. Kamihara, M. Hirano, and H. Hosono, Nature 453, 376 (2008)
  6. ^ H. H. Wen, G. Mu, L. Fang, H. Yang, and X. Zhu, Europhys. Lett. 83, 17009 (2008)
  7. ^ X. H. Chen, T. Wu, G. Wu, R. H. Liu, H. Chen, and D. F. Fang, Nature 453, 761 (2008)
  8. ^ Z. A. Ren, W. Lu, J. Yang, W. Yi, X. L. Shen, Z. C. Li, G. C. Che, X. L. Dong, L. L. Sun, F. Zhou, and Z. X. Zhao, Chin. Phys. Lett. 25, 2215 (2008)
  9. ^ G. Cao, C. Wang, Z. Zhu, S. Jiang, Y. Luo, S. Chi, Z. Ren, Q. Tao, Y. Wang, and Z. Xu arXiv:0807.1304
  10. ^ C. Wang, L. Li, S. Chi, Z. Zhu, Z. Ren, Y. Li, Y. Wang, X. Lin, Y. Luo, S. Jiang, X. Xu, G. Cao, and Z. Xu arXiv:0804.4290
  11. ^ T. A. Ren, G. C. Che, X. L. Dong, J. Yang, W. Lu, W. Yi, X. L. Shen, Z. C. Li, L. L. Sun, F. Zhou, and Z. X. Zhao, Europhys. Lett. 83, 17002 (2008)
  12. ^ M. Rotter, M. Tegel, and D. Johrend arXiv:0805.4630
  13. ^ Scientific American 2013

延伸閱讀[编辑]