超導材料的未來展望

1． 超導的發展歷史及原理簡介

1911年，卡莫林·昂納斯在研究水銀的低溫電阻隨溫度的變化時發現水銀的電阻在T=4.2K附近時突然降到了零。昂納斯把這種電阻突然消失的狀態稱之爲超導態。此後，他又發現其他許多金屬也具有超導現象，並把這種能隨溫度降低而進入超導態的材料叫做超導材料，也叫做超導體。由此拉開了人們研究超導態及超導材料的序幕。

此後人們針對超導態的產生原因進行了一系列研究，卡末林·昂內斯，霍爾姆，邁斯納，奧森菲爾德，弗茹裏赫等衆多科學家先後提出了重要的理論來試圖解決超導態出現的原因。但是直到1950年美國伊利諾斯大學的巴丁、庫柏和斯里弗提出超導電量子理論的才真正成功解釋了超導現象，他們認爲：在超導態金屬中電子以晶格波爲媒介相互吸引而形成電子對，無數電子對相互重疊又常常互換搭配對象形成一個整體，電子對作爲一個整體的流動產生了超導電流。由於拆開電子對需要一定能量，因此超導體中基態和激發態之間存在能量差，即能隙。這一重要的理論預言了電子對能隙的存在，被科學家界稱作“巴庫斯理論”。這一理論的提出標誌着超導理論的正式建立，從而使超導研究進入了一個新的階段。現今超導已被更好地完善並越來越多地利用到人們的現實生活中，例如超導列車，高溫超導輸電電纜，超導船等都漸漸走入我們的視野並開始扮演着越來越重要的角色。

2． 超導材料的簡單分類 我們已經知道許多材料在達到一定條件時都可達到超導態，但是其達到超導態的具體條件確是各不相同的因此需要對超導材料進行具體的分類。比如可以將超導材料按其化學成分分爲元素材料、合金材料、化合物材料和超導陶瓷四種。

在元素週期表中，常壓下具有超導電性的就有26個，如：Pb、In、Sn、Al、Nb、V、Ta等，有的元素在常壓下不能成爲超導體，但在高壓下就能進入超導態，如：Ge、Si等。

除此之外，還有一些金屬元素的合金，化合物也能呈現超導電性，稱之爲合金超導體和化合物超導體。超導合金以PbIn、NbTi爲代表，超導化合物以Nb3Sn、V3Ga爲代表。他們的Tc見表1.1。

表1.1超導合金和超導化合物的轉變溫度

迄今爲止，具有超導性的元素、化合物已有數千種。特別是近20年來，高溫氧化物超導體的發現，有使超導體的類屬增加了成千上萬個，表1. 2列出了一些主要的高溫氧化物超導體及其Tc。

表1.2高溫氧化物超導體的轉變溫度

另外20世紀80年代初，米勒和貝德諾爾茨開始注意到某些氧化物陶瓷材料可能有超導電性，他們的小組對一些材料進行了試驗，於1986年在鑭－鋇－銅－氧化物中發現了1987年中國、美國、日本等國科學家在鋇－釔－銅氧化物中發現Tc處Tc=35K的超導電性。

於液氮溫區有超導電性，使超導陶瓷成爲極有發展前景的超導材料。 3． 超導材料的應用現狀

超導材料有着許多其他材料所以難以匹及的優越性，所以自他被發現之日起，人們就在不斷研究如何將其最好應用到實際生活中。到目前爲止，超導材料的應用主要有： ① 利用超導材料的超導電性可製作磁體，應用於電機、高能粒子加速器、磁懸浮運輸、受

控熱核反應、儲能等；可製作電力電纜，用於大容量輸電；可製作通信電纜和天線，其性能優於常規材料。

② 利用超導材料的完全抗磁性可製作無摩擦陀螺儀和軸承。

③ 利用超導材料的約瑟夫森效應可製作一系列精密測量儀表以及輻射探測器、微波發生

器、邏輯元件等。利用約瑟夫森結作計算機的邏輯和存儲元件，其運算速度比高性能集成電路的快10-20倍，而功耗卻只有其四分之一。

現階段超導體的廣泛應用要解決材料在技術方面的很多問題。在材料方面，要求超導體應有較高的臨界溫度和臨界電流。其安全穩定性要考慮，而提高超導材料的超導轉變溫度是超導材料得以廣泛應用的基本前提，臨界電流的提高也是至關重要的。

超導體本身也存在一些弱點。如強烈的'各向異性，短的相干長度，不均勻性等等。現代在液氫溫區大規模應用超導體還需要努力，進一步發展製備工藝。

4． 高溫超導的技術簡介

高溫超導是相對於常規的超導材料而言，其達到超導態溫度比較高。

人們提出疑問，臨界溫度一直在十幾 K、二十幾K。對於這麼低的臨界溫度超導材料的應用價值何在？能否有更高的臨界溫度？能否在常溫下就有超導現象產生？由此誕生了高溫超導的概念。 1986 年 10 月，柏諾茲等人提出了他們在 Ba-La-Cu-O 系統中獲得了Tc爲 33K 左右的報道。同年 12 月 15 日，休斯頓大學報告了在處於壓力下的 La-Ba-Cu-O 化合物體系中獲得 40.2K的超導轉變。同年 12 月 26 日，中科院物理研究所宣佈，他們成功地獲得轉變溫度 48.6K 的超導材料。到 1987 年 2 月 16 日。朱經武的試驗小組在 92K 處觀察到了超導轉變。同年 2 月 24 日，中科院物理研究所趙忠賢領導的研究集體宣佈，液氮溫區超導體起始轉變溫度在 100K 左右。這時期超導臨界溫度突破液氮沸點 77K大關，對人類具有劃時代的意義。

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