超导材料

  超导材料(Superconducting Materials)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种元素和几千种合金和化合物可以成为超导体。

超导体简介

超导体技术
超导体技术
     超导材料是指在足够低的温度和足够弱的磁场下,其电阻率为零的物质。
      超导材料处于超导态时的主要性能是:零电阻性,完全抗磁性,约瑟夫森效应 (两超导材料之间有一薄绝缘层形成低电阻连接时,绝缘层也成为超导体)。 
  到1986年为止,已发现的超导材料成千上万,仅周期表中就有54个元素内具有超导性(其中31个为超导元素,10个为薄膜超导元素,13个为加压超导元素)。超导体遍及纯金属、合金、化合物材料,形态上有单晶、多晶和非晶。这其中临界温度最高的是锗铌合金(Nb3Ge)薄膜(临界温度=232K)。
  1986年4月,美国IBMF公司瑞士苏黎世研究室的贝德诺兹和缪勒在ZPhysB杂志F上发表了关于BaLaCuO系可能具有35K高温超导性的文C章。该项研究成果被认为是超导材料研究的一块里程碑,开创了超导研究的新局面。使超导研究突破了液氦禁区,进入液氮温区。 

超导体主要特征

  超导体有下面主要特征:
  (1)电阻率趋近于零。
  (2)磁场能破坏超导相。即在一定温度下,施加一定磁场,能使物体由超导相转变为正常相。
  (3)超导体具有完全的逆磁性。处在外磁场内的物体当其温度下降至临界温度以下时,超导体能把磁感应线完全排斥在体外。
  (4)超导体的比热与exp(-AT)成正比。这里A是比例E常数,T是绝对温度。
  (5)在可见光范围,超导体的光学性质与其在正常相时的光学性质相同,但在红外及微波波段,存在有一个阈值频率,在此阈值频率以下显示出零电阻率(即没有能量损耗)的特点。超导体的主要性质有零电阻现象,迈斯纳效应,同位素效应,磁通量子化和约瑟夫森现象等。  

历史发展

高温超导体中的铜
高温超导体中的铜
  1911年,荷兰科学家海克·卡末林·昂内斯用液氦冷却汞,当温度下降到绝对温标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:高温超导材料和低温超导材料。但这里所说的“高温”,其实仍然是远低于冰点摄氏0℃的,对一般人来说算是极低的温度。
  1933年,迈斯纳和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――铌锗合金,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(镧钡铜氧化物)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,中国科学家赵忠贤以及美国华裔科学家朱经武相继在钇-钡-铜-氧系材料上把临界超导温度提高到90K以上,液氮的“温度壁垒”(77K)也被突破了。1987年底,铊-钡-钙-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 。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。但并未有人发现其中的超导现象。
  2008年,日本的Hideo Hosono团队发现在铁基氮磷族氧化物(iron-based oxypnictide中,将部份氧以掺杂的方式用氟作部份取代,可使LaFeAsO1-xFx的临界温度达到26K,在加压后(4 GPa)甚至可达到43K。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。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。
  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) 。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。 

理论进展

  关于超导电性的起因,目前主要有BCS理论,它是由美国科学家巴丁、库珀、施里弗于1957年提出来的。他们认为通过电子声子电子相互作用使动量和自旋相反的两个电子形C成束缚态,即形成Coper电子对。 在外场作用下,库珀对将获得附加的动量,并形成电流。由于库珀对受声子散射时,不会改变它的总动量,因此也不会改变电流,这样即使去掉外场,电流也不会减少,因而获得超导电性。由于库珀对的束缚能比较小,因此只有在低温下,也即只有在临界温度以下,才能形成库珀对,出现超导相。 

超导体的广泛运用

  超导体在科研、生产的各个领域都有着广泛的应用。总体来说可分为两大类:一类是用于强电,用超导体制成大尺度的超导器件,如超导磁铁、电机、电缆等,用于发电、输电、贮能和交通运输等方面。另一类是用于弱电,用超导体制成小尺度的器件,如超导量子干涉器件(简称 SQVID)和制成计算机的逻辑元件,用于精密仪器仪表、计算机等方面。  

·超导发电

超导体电阻测试系统
超导体电阻测试系统
  超导体对人类社会影响最大的将是提供更多的电力,超导用于发电的装置目前有磁流体发电、超导电机发电、热核聚变发电三种。
  滋流体发电是一种高效、低污染、单机容量大、直接将热能转变为电能的一种新型的发电方式。普通火力发电需把热能转化为机械能再转化为电能,效率最高只有 33一36%。磁流体发电是让煤(石油、天然气)加氧化剂、添加剂燃烧产生的等离子体高速通过磁场,使热能直接转化为电能,磁流体一蒸汽联合循环发电装置最高效率达到55%,而且可自动脱硫,污染小。但这种发电方式目前遇到的困难是当磁感应强度在1.5特以上时,磁流体的铁芯逐渐处于磁饱和,磁场强度很难再提高。于是人们就想到超导体,如果利用超导磁体,那么就很容易在较大体积内产生强度为几十特的磁场,且消耗的励磁功率很小,它具有性能良好,质量小等优点。例如,磁感应强度可达4一5特的超导磁体,质量只有300一500克,而要产生同样磁场强度的磁体质量却有15一20吨。目前,美国、前苏联、日本都建有这种超导磁流体发电机。
  超导发电机发电是利用超导体制造发电机磁极绕组,不仅可大大增加发电机的极限输出容量,而且效率高,体积小,质量小,可节约大量电能和金属材料。常规的两极发电机的极限输出在现今条件下只能达到1.5×109瓦,但超导发电机则可达3×1010瓦,甚至更大。一台 6×106瓦的电动机,常规质量为370×103千克,采用超导体材料仅重40×103千克;又如目前已建成的一台5×106瓦超导交流发电机,其功耗比普通电机减少三分之二,体积缩小百分之八十以上。因此有人估计,超导体可以把发电成本降低60%,可以把经电缆输电的成本降低10%,这些优点使得它特别适宜于建造高效率的大型发电站、移动电源及做为太空飞船的动力设备。
  超导体还可帮助科学家建立核聚变发电系统,这种发电系统是以氢做燃料的,其反应温度与太阳的温度一样高。从理论上讲这种能源是取之不尽的,在实践上,关键问题是如何生成足够强大的磁场来控制剧烈的热核反应,超导材料将能够解决这个问题。

·超导磁悬浮列车

  超导磁悬浮列车 利用超导材料的抗磁性,将超导材料放在一块永久磁体的上方,由于磁体的磁力线不能穿过超导体,磁体和超导体之间会产生排斥力,使超导体悬浮在磁体上方。利用这种磁悬浮效应可以制作高速超导磁悬浮列车。

·超导磁体计算机

  超导磁体计算机 高速计算机要求集成电路芯片上的元件和连接线密集排列,但密集排列的电路在工作时会发生大量的热,而散热是超大规模集成电路面临的难题。超导计算机中的超大规模集成电路,其元件间的互连线用接近零电阻和超微发热的超导器件来制作,不存在散热问题,同时计算机的运算速度大大提高。此外,科学家正研究用半导体和超导体来制造晶体管,甚至完全用超导体来制作晶体管。

·核聚变反应堆“磁封闭体”

  核聚变反应堆“磁封闭体” 核聚变反应时,内部温度高达1亿~2亿摄氏度,没有任何常规材料可以包容这些物质。而超导体产生的强磁场可以作为“磁封闭体”,将热核反应堆中的超高温等离子体包围、约束起来,然后慢慢释放,从而使受控核聚变能源成为21世纪前景广阔的新能源。

·费密冷凝体

  科学家新近创造出一种新的物质形态,并预言它将帮助人类做出下一代超导体,以用于发电和提高火车的工作效率等多种用途。
  这种新的物质形态称作“费密冷凝体”,是已知的第六种物质形态。前五种物质形态分别为气体、固体、液体、等离子体和1995年刚刚发明的玻色一爱因斯坦冷凝体。
  费密子和玻色子的重大差异,体现在“自旋”这一量子力学特性上。费密子是像电子一样的粒子,有半整数自旋(如1/2,3/2,5/2等);而玻色子是像质子一样的粒子,有整数自旋(如0,1,2等)。这种自旋差异使费密子和玻色子有完全不同的特性。没有任何两个费密子能有同样的量子态:它们没有相同的特性,也不能在同一时间处于同一地点;而玻色子却能够具有相同的特性。因此,1995年物理学家将一定数量铷和钠原子冷却成玻色子时,大部分原子变成了同样的低温量子态,实际上成为单一巨大的整体原子:玻色一爱因斯坦凝聚态。但像钾一40或锂一6这样的费密子,即使在很低的温度下,每种粒子必定也有稍微不同的特性。
  2003年,物理学家找到了一个克服以上障碍的方法。他们将费密子成对转变成玻色子,两个半整数自旋组成一个整数自旋,费密子对就起到了玻色子的作用,所有气体突然冷凝至玻色一爱因斯坦凝聚态。奥地利英斯布瑞克大学的科学家将锂一6原子冷却,同时施加稳定磁场,促使费密子结合在一起;美国科罗拉多“实验室天体物理学联合研究所”采用的技术略有不同,他们将钾一40原子冷却后施加磁场,通过磁场变化让每个原子强烈吸引附近的原子,诱发它们形成成对原子,然后凝聚成玻色一爱因斯坦凝聚态。