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超导现象及超导材料的前世今生

发表时间:2023/08/07 22:39:35  来源:王渊看世界1989  浏览次数:7230  
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最近韩国研究团队的关于常温超导材料的研究论文一经发出,可谓一石激起千层浪,世界各地研究机构纷纷按照其论文述及的办法进行复现,以验证这个可谓“世界级”“世纪性”的重大技术突破,截至目前,暂未证实或证伪,我们翘首以盼,期待能有好的结果,以便引领下一次工业革命。对于非科研界的人士来说,我们应至少了解以下知识,了解超导现象以及超导材料的前世今生。

一、超导材料的发展概况

1908年,莱顿实验室成功制得可以获得4.25K低温的液氦(备注1K=-272℃,4.25K就是约零下267度),液氦技术成为了超导技术发展的开端。3年后,荷兰物理学家Onnes在实验中发现,在低温4.2K时,汞的电阻突降为0,此时电流流经导体时没有电能损耗,这一现象的发现令世人震惊,由此开始了超导的研究,Onnes将“超导”定义为在一定温度条件下电阻突然消失的现象,处于超导状态的导体称为超导体,具有这一性质的材料称为超导材料。

自超导材料的发现以来,随着科技的进步,超导材料的临界温度呈现逐步上升的趋势。现如今,拥有最高临界温度的超导材料是2015年AP.Drozdov等在155GPa(气压单位)的零场冷却条件下得到的H2S,TC高达203K(约零下70摄氏度),这一发现为在以氢为基础的其他材料中达到室温超导性带来了希望。2013年德国科学家制成了室温下陶瓷超导体,维持了数百万分之几微秒。虽然只存在极短的时间,却为室温超导体的研究带来了突破口。从1911年起,超导材料的临界温度TC的研究历程如

1911-1932年,科学家相继发现了除Hg(汞)之外的Sn、Pb、Ta、Ti、Nb等元素在低温下的超导电性,目前元素周期表中的50多种元素有超导电性。1933-1953年,科学家发现许多具有超导电性的合金、过渡金属碳化物和氮化物,这对于研究超导转变温度的提高有很大帮助。

有科学家发现了一系列具有A15结构的超导体,如Nb3Al,Nb3Ge,Nb3Sn,V3Ga等,至此超导材料的TC高达23.3K(约零下250摄氏度),也拓宽了超导材料研究的视野。这段时间一直用液氦做制冷剂以实现低温条件,但因为氦难液化且资源匮乏,所以它不是理想的制冷剂。

1986年,超导材料研究进入高温超导研究阶段,物理学家通过研究Ba-La-Cu-O系的超导电性,发现其TC高达38K(约零下234摄氏度),此后,中国科学家赵忠贤冲破了77K(约零下195摄氏度)的液氮温度大关,实现了科学史上的重大突破,1987年,赵忠贤发现了TC高达100K(约零下172摄氏度)的Y-Ba-Cu-O高温超导体。液氮制冷设备简单,其价格仅相当于液氦的百分之一,高温超导体的应用前景变广。

2001年,Akimits的研究小组首次报道了MgB2的超导电性,MgB2的TC为39K(约零下233摄氏度),2008年日本科学家发现了氟处理的LaO1-xFxFeAs具有26K(约零下246摄氏度)的TC,2014年中国陈仙辉教授研究组在铁基超导研究领域发现了一种新的铁基超导材料OHFeSe,其TC高达40K(约零下232摄氏度),并确定了该新材料的晶体结构。此为研究高温超导体的超导机理提供了新的材料体系。2011年,中国科学家分别报道了在碱金属掺杂菲红中5K和多苯环化合物中33K的超导电性。

以上研究得到的高温超导体皆是无机材料,那么有机材料中是不是也会存在高温超导体呢?2017年王仁树等通过将钾掺杂到由C和H元素组成的对三苯基上,三个苯基环在一个位置上通过单C—C键连接,发现该材料可以具有临界的超导相。这些发现为在链状有机分子中寻找高温超导体开辟蹊径。2018年CaoY等人报道了在二维超晶格中实现本征非常规超导电性的方法,这种超导电性是由两片石墨烯小角度叠加而成。

二、超导材料的超导电性及应用

超导材料是指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。超导态可以由导电材料的零电阻转变确定,尽管不同的超导材料显示出差异极大的物理性能,但是所有的超导材料都要遵循一些普遍的规律,这些规律揭示了超导态为某个特定的热力学状态。

(一)零电阻效应

Onnes和他的助手将氦气液化,得到4.25K以下的低温,并发现汞电阻在4.2K附近突然消失,因而获得了1913年的诺贝尔物理学奖。零电阻效应是超导体的一个基本特性,由于没有电阻,超导体作为导体传输电流时没有能耗,是理想的导体。超导体的零电阻效应使它备受科学家的青睐,并广泛应用于现实生活中。零电阻效应让电线电缆中的传输电流大且损耗小,超导电缆比常规电缆损耗降低60%,总费用可降低20%,经济效益可观,能有效解决能源短缺的问题,同样的超导材料运用于超导发电机降低能耗,超导储能装置是根据超导线圈存储电磁能制造并根据需要释放电磁能的一种电力设施,是每个发电站的必备装置,但使用普通电线储能必会有能量损失,若使用超导线圈储存电能,储存电磁能时电阻为零,理想状态下线圈中所储存的能量几乎没有损耗,并可以永久储存下去直到需要释放为止。

(二)完全抗磁性

1933年,有科学家通过磁测量实验发现,不管加磁场的次序如何,超导体内磁感应强度总是零。超导体即使在外磁场中冷却到超导态,也永远没有内部磁场,它与加磁场的历史无关。这揭示了超导体有另外一个基本特性:完全抗磁性,又称Meissner效应。利用超导体的Meissner效应制造出的磁悬浮列车实现了现代化零接触的快速、便捷生活。

1、超导磁悬浮列车

磁悬浮列车是一种现代高科技轨道交通工具,利用超导材料在超导态时具有的零电阻效应和Meissner效应可以制造磁悬浮列车,它通过电磁力实现列车与轨道之间的无接触的悬浮和导向,再利用直线电机产生的电磁力牵引列车运行。列车在悬浮无摩擦状态下运行会很大程度地提高其速度和安静性,并有效减少机械磨损。1922年,德国工程师HermannKemper提出了电磁悬浮原理,并申请了专利。1987年3月,日本进行了超导磁悬浮列车的载人实验并成功证明其可行性。2015年4月,日本东海公司在山梨磁悬浮试验线进行了超导磁悬浮列车的高速运行试验,达到了载人行驶590km/h的世界最高速度,刷新了世界纪录。2015年10月中国首条国产磁悬浮线路-长沙磁浮线成功试跑,并在2016年开通试运营,该线路也是世界上最长的中低速磁浮运营线。

2、核磁共振成像

随着社会的发展,人们提升生活质量需要医学科技的进步,医生采用先进的医疗设备可以获得更精准的诊断,而超导材料的发现及应用推动了医疗设备的进步,利用超导磁体制得的核磁共振仪已经被广泛应用于医疗检查中。核磁共振成像参数多、扫描速度快、组织分辨率高和图像清晰,可以更好地满足临床应用和科研工作。而且核磁共振是磁场成像,没有放射性,对人体无伤害,非常安全。

3、超导磁体

迄今为止,超导材料实际应用最多的一个领域是制作各种用途的超导磁体。超导磁体可以实现常规导体材料无法实现的磁场强度、磁场梯度和磁场均匀度,有着多种用途。除了磁悬浮列车和核磁共振成像,还有许多利用超导磁体性质的应用,例如协助气泡室增强观察力,为了研究微观粒子,需要借助实验仪器观察粒子的运动过程,进而了解粒子本性,气泡室就是探测高能带电粒子径迹的一种有效的手段,超导磁体可以为气泡室提供场强高、范围大的磁场,根据粒子在磁场中的运动,推断粒子的质量、电荷等性质。另外,超导磁体还协助加速,环形加速器里,粒子在磁场力绕圈,在电场的转动下,每绕一圈,动能增加一些,但能量越大,就越难把粒子保持在圆形轨道上,所以需要的磁场越强,因此加速器越来越大型化,这时利用超导磁体制大型加速器,可以大大减少制造费用。

零电阻效应和Meissner效应是超导体的两大基本特性,互相独立,又密切联系。实验上判断一个材料是否为超导体:没有电阻且同时具有完全的抗磁性的材料才是一个超导体。

三、超导材料的分类及应用

超导体的分类没有统一的标准,通常按以下方法分类:

1、根据材料的临界温度的高低可以分为低温超导材料和高温超导材料,超导物理中将临界温度在液氦温区(4.2K,约零下267摄氏度)的超导体称为低温超导体,也称为常规超导体,将临界温度在液氮温区(77K,约零下200摄氏度)的超导体称为高温超导体。根据微观配对机制,超导理论符合BCS理论的超导体称为常规超导体,其他的则称为非常规超导体,一般低温超导体都是常规超导体,高温超导体为非常规超导体,但也有特殊,MgB2合金的临界温度高达39K,远远超过常规超导体,但BCS理论仍然可以解释MgB2合金的超导机理,所以MgB2合金是高温常规超导体

2、超导材料按其化学成分可分为金属超导材料(元素、合金、化合物等)、超导陶瓷、有机超导体及半导体或绝缘超导材料四大类。对于金属超导体,包括①超导元素:在常压下具有超导电性的元素有28种,其中金属Nb有最高的的TC,为9.26K。②合金材料:超导元素中加入其他元素形成合金,可以使超导材料的性能提高。如首先合成的NbZr合金,其TC为10.8K,临界温度为8.7T。后又合成NbTi合金,虽然NbTi合金的TC较低,但其临界温度很高,在一定的磁场下可以承载更大的电流。目前NbTi合金是用于7~8T磁场下的主要超导磁体材料。

3、根据超导体在磁场中表现出的迈斯纳效应,可以把超导体分成两类:第Ⅰ类超导体和第II类超导体。

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