超導體

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Timeline of Superconductivity from 1900 to 2015.svg

超導體(superconductor),指可以在在特定溫度以下,呈現電阻為零的導體。零电阻和完全抗磁性是超导体的两个重要特性。超导体电阻转变为零的温度,称为超导临界温度,据此超导材料可以分为低温超导體高温超导體。這裡的「高溫」是相对于绝对零度而言的,其實遠低於冰點攝氏0℃。科学家一直在寻求提高超导材料的临界温度,目前高温超导体的最高温度记录是马克普朗克研究所的203K(-70°C)。因为零電阻特性,超導材料在生成强磁场方面有许多應用,如MRI核磁共振成像等。

超导體演進史[编辑]

  • 1933年,瓦爾特·邁斯納羅伯特·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,阿拉巴馬大學亨茨維爾分校的台灣科學家吴茂昆及其研究生(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)。[1][2][3][4][5][6][7][8]从此,科学家可以使用便宜的液氮而非昂贵的液氦研究超导体,这引发了对新型高温超导材料的研究热潮。随后,中国大陆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 [9]。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[10] [11]。但並未有人發現其中的超導現象。
  • 2008年,日本的細野秀雄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[12],在加壓後(4 GPa)甚至可達到43K[13]。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[14]。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[15] [16]。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[17] [18] [19]。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) [20]。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。
  • 2015年,德国普朗克研究所的V. Ksenofontov和S. I. Shylin研究组创下新的超导温度记录:203K(-70°C)。其物質為硫化氫,论文发表在《自然》期刊。[21]

超导体的分类[编辑]

一塊超導材料沿著磁軌道前進

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]

未解決的化學問題高温超导体在相图上各点的电子排布是什么?能否将转变温度提高到室温? Question mark2.svg

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,结果一小部分(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-70°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。[22]

用途[编辑]

  • 超导输电线路- 理論上能免除所有輸電損耗,大幅壓低發電量需求,但成本與保持低溫問題使其處於概念研發前沿階段。[23]中國河南巩义市一間電解鋁工廠內目前建有試驗超导输电线,僅有360米但已經是世界最長的商用線路,除去保持低溫的用電後依然比傳統電線節約了65%電量。[24]
  • 超导发电机 - 超导磁体可用于制作交流超导发电机、磁流体发电机讓其效率更上一個台階。1985年日本造船促进基金会(JAFSA)就已經成立了超导电磁发动机船舶(SEMP)开发委员会,目前技术开发尚未达到可商业化水准[25]
  • 超导量子干涉仪(SQUID) - 目前已经产业化。
    • 作为低温超导材料的主要代表NbTi合金和Nb3Sn量子干涉仪,在商业领域主要应用于医学领域的MRI(核磁共振成像仪)。
    • 基礎科学研究领域,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。
    • 探勘地底石油與礦物。
    • 軍事上有增強反潛機探測潛艇的能力,但還在理論階段。[26]
  • 超導濾波器 - 目前已经产业化。民用手機和無線網的普及造成大氣中電磁訊號極度複雜化,許多通訊裝置和氣象觀測機受到干擾,超導濾波器有很強的濾波能力使這些舊型裝置重新發揮功能。[27]
  • 超導磁浮列車 -用於磁浮列車可以說是超導界的聖盃,由於超導體天然就有磁浮效應,幾乎不用任何機械設計,理論上能建造極度廉價卻又超過飛機速度的列車,永遠改變人類的生活方式。[28]2017年中國航天科工集团宣布展開研發專案,利用超導磁懸浮和真空管道雙重技術建造時速達4000公里的列車。

参考文献[编辑]

  1. ^ IN THE TRENCHES OF SCIENCE. 紐約時報. 1987-08-16. 
  2. ^ 九十度的震撼-吳茂昆超導物理世界. 遠見雜誌. 1988-07-15. 
  3. ^ Suspension Effect Astounds Scientists. 紐約時報. 1988-09-20. 
  4. ^ Method for making superconductor films. 1991-12-13. 
  5. ^ Heating up of Superconductors. 物理評論快報. 2017. 
  6. ^ 「超導體,我研究了一輩子!」專訪超導物理專家吳茂昆. 《研之有物》. 中央研究院. 2002-11-01. 
  7. ^ 當自由的心靈遇到高溫超導. 科學人. 2005-09. 
  8. ^ 超導大師朱經武. 科學人. 2008-10. 
  9. ^ J. Nagamatsu, N. Nakagawa, T. Muranaka, Y. Zenitani, and J. Akimitsu, Nature 410, 63 (2001)
  10. ^ B.I. Zimmer,W. Jeitschko, J.H. Albering, R. Glaum, M. Reehuis, J. Alloys Comp. 229, 238 (1995)
  11. ^ P. Quebe, L. J. Terbüchte, and W. Jeitschko, J. Alloys Comp. 302, 70 (2000)
  12. ^ Y. Kamihara, T. Watanabe, M. Hirano, and H. Hosono, J. Am. Chem. Soc. 130, 3296 (2008)
  13. ^ H. Takahashi, K. Igawa, K. Arii, Y. Kamihara, M. Hirano, and H. Hosono, Nature 453, 376 (2008)
  14. ^ H. H. Wen, G. Mu, L. Fang, H. Yang, and X. Zhu, Europhys. Lett. 83, 17009 (2008)
  15. ^ X. H. Chen, T. Wu, G. Wu, R. H. Liu, H. Chen, and D. F. Fang, Nature 453, 761 (2008)
  16. ^ 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)
  17. ^ G. Cao, C. Wang, Z. Zhu, S. Jiang, Y. Luo, S. Chi, Z. Ren, Q. Tao, Y. Wang, and Z. Xu arXiv:0807.1304
  18. ^ 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
  19. ^ 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)
  20. ^ M. Rotter, M. Tegel, and D. Johrend arXiv:0805.4630
  21. ^ Conventional superconductivity at 203 kelvin at high pressures in the sulfur hydride system; A. P. Drozdov, M. I. Eremets, I. A. Troyan, V. Ksenofontov & S. I. Shylin; Nature (2015) doi:10.1038/nature14964
  22. ^ Scientific American 2013
  23. ^ 长距离, 大容量高温超导输电的建议
  24. ^ 巩义360米“高温超导电缆”创下两项世界之最
  25. ^ 高温超导船用推进电动机的发展和现状
  26. ^ SQUID_sensors_penetrate_new_markets
  27. ^ 微波網-超導濾波器
  28. ^ 中國要建超級高鐵 最高時速達4000公里

延伸閱讀[编辑]

外部連結[编辑]