超导体

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Timeline of Superconductivity from 1900 to 2015.svg

超导体(superconductor),指可以在在特定温度以下,呈现电阻为零的导体。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体高温超导体。这里的“高温”是相对于绝对零度而言的,其实远低于冰点摄氏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)。因为零电阻特性,超导材料在生成强磁场方面有许多应用,如MRI核磁共振成像等。

超导体演进史[编辑]

  • 1933年,瓦尔特·迈斯纳罗伯特·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,亨茨维尔亚拉巴马大学的台湾科学家吴茂昆及其研究生(Ashburn和Torng),与休斯顿大学的台湾科学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)。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,二硼化镁(MgB2)被发现其超导临界温度达到39K [1]。此化合物的发现,打破了非铜氧化物超导体(non-cuprate superconductor)的临界温度纪录。
  • 1990至2000年代,具ZrCuAsSi结构的稀土过渡金属氮磷族化合物(rare-earth transition-metal oxypnictide, ReTmPnO)陆续被发现[2] [3]。但并未有人发现其中的超导现象。
  • 2008年,日本的细野秀雄团队发现在铁基氮磷族氧化物(iron-based oxypnictide)中,将部分氧以掺杂的方式用氟作部分取代,可使LaFeAsO1-xFx的临界温度达到26K[4],在加压后(4 GPa)甚至可达到43K[5]。其后,中国的闻海虎团队,发现在以锶取代稀土元素之后,La1-xSrxFeAsO亦可达到临界温度25K[6]。其后,中国的科学家陈仙辉赵忠贤等人,发现将镧以其他稀土元素作取代,则可得到更高的临界温度;其中,SmFeAs[O0.9F0.1]可达55K[7] [8]。另外,将铁以钴取代(LaFe1-xCoxAsO),稀土元素以钍取代(Gd1-xThxFeAsO),或是利用氧缺陷(LaFeAsO1-δ)等方式,也都可以引发超导[9] [10] [11]。此系统亦被简称为“1111系统”。此化合物的发现,非但再度打破了由MgB2保持的非铜氧化物超导体(non-cuprate superconductor)的临界温度纪录,其含铁却有超导的特性也受人注目。
  • 同样在2008年,受到上述“1111系统”的启发,ThCr2Si2结构的碱土金属氮磷族化合物(ATm2Pn2)亦被发现,在将BaFe2As2中将碱土金属(IIA)以碱金属(IA)部分取代,亦可得到临界温度约30至40K的高温超导体,如Ba1-xKxFe2As2(38 K) [12]。此系统亦被简称为“122系统”。如同氧化物超导体,“1111”与“122”系统的超导来源也是由层状结构中的FeAs层贡献,借由不同价数的离子掺杂或是氧缺陷,可提升FeAs层载子的浓度,进而引发超导。
  • 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)。其物质为硫化氢,论文发表在《自然》期刊。[13]

超导体的分类[编辑]

一块超导材料沿着磁道道前进

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:

超导材料临界温度[编辑]

超导材料临界温度Tc 总表
材料 符号 Tc (K) 晶胞中Cu-O平面数目 结构
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]

未解决的化学问题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

美国物理学家约翰·巴丁利昂·库珀约翰·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。[14]

用途[编辑]

  • 超导输电线路- 理论上能免除所有输电损耗,大幅压低发电量需求,但成本与保持低温问题使其处于概念研发前沿阶段。[15]中国河南巩义市一间电解铝工厂内目前建有试验超导输电线,仅有360米但已经是世界最长的商用线路,除去保持低温的用电后依然比传统电线节约了65%电量。[16]
  • 超导发电机 - 超导磁体可用于制作交流超导发电机、磁流体发电机让其效率更上一个台阶。1985年日本造船促进基金会(JAFSA)就已经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[17]
  • 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)。
    • 基础科学研究领域,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。
    • 探勘地底石油与矿物。
    • 军事上有增强反潜机探测潜艇的能力,但还在理论阶段。[18]
  • 超导滤波器 - 目前已经产业化。民用手机和无线网的普及造成大气中电磁讯号极度复杂化,许多通讯装置和气象观测机受到干扰,超导滤波器有很强的滤波能力使这些旧型装置重新发挥功能。[19]
  • 超导磁浮列车 -用于磁浮列车可以说是超导界的圣杯,由于超导体天然就有磁浮效应,几乎不用任何机械设计,理论上能建造极度廉价却又超过飞机速度的列车,永远改变人类的生活方式。[20]2017年中国航天科工集团宣布展开研发专案,利用超导磁悬浮和真空管道双重技术建造时速达4000公里的列车。

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. ^ 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
  14. ^ Scientific American 2013
  15. ^ 长距离, 大容量高温超导输电的建议
  16. ^ 巩义360米“高温超导电缆”创下两项世界之最
  17. ^ 高温超导船用推进电动机的发展和现状
  18. ^ SQUID_sensors_penetrate_new_markets
  19. ^ 微波网-超导滤波器
  20. ^ 中国要建超级高铁 最高时速达4000公里

延伸阅读[编辑]

外部链接[编辑]