超導(物質狀態)

1911年，荷蘭萊頓大學的H·卡茂林·昂內斯意外地發現，將汞冷卻到-268.98℃（4.2K）時，汞的電阻突然消失。後來他又發現許多金屬和合金都具有與上述汞相類似的低溫下失去電阻的特性，由於它的特殊導電性能，H·卡茂林·昂內斯稱之為超導態。昂內斯由於他的這一發現獲得了1913年諾貝爾獎。

基本介紹

• 中文名：超導
• 外文名：superconductivity
• 時間：1911年
• 國籍：荷蘭
• 人物：H·卡茂林·昂內斯
• 貢獻：諾貝爾獎
• 性能：低溫下失去電阻

基本介紹

人們把處於超導狀態的導體稱之為“超導體”。超導體的直流電阻率在一定的低溫下突然消失，被稱作零電阻效應。導體沒有了電阻，電流流經超導體時就不發生熱損耗，電流可以毫無阻力地在導線中形成強大的電流，從而產生超強磁場。

實現超導的過程

超導是指某些物質在一定溫度條件下（一般為較低溫度）電阻降為零的性質。1911年荷蘭物理學家H·卡茂林·昂內斯發現汞在溫度降至4.2K附近時突然進入一種新狀態，其電阻小到實際上測不出來，他把汞的這一新狀態稱為超導態。以後又發現許多其他金屬也具有超導電性。

1933年，荷蘭的邁斯納和奧森菲爾德共同發現了超導體的另一個極為重要的性質——當金屬處在超導狀態時，超導體內的磁感應強度為零，卻把原來存在於體內的磁場排擠出去。對單晶錫球進行實驗發現：錫球過渡到超導態時，錫球周圍的磁場突然發生變化，磁力線似乎一下子被排斥到超導體之外去了，人們將這種現象稱之為“邁斯納效應”。

後來人們還做過這樣一個實驗：在一個淺平的錫盤中，放入一個體積很小但磁性很強的永久磁體，然後把溫度降低，使錫盤出現超導性，這時可以看到，小磁鐵竟然離開錫盤表面，慢慢地飄起，懸浮不動。

邁斯納效應有著重要的意義，它可以用來判別物質是否具有超導性。

為了使超導材料有實用性，人們開始了探索高溫超導的歷程，從1911年至1986年，超導溫度由水銀的4.2K提高到23.22K（0K=-273.15℃；K開爾文溫標，起點為絕對零度）。1986年1月發現鋇鑭銅氧化物超導溫度是30K，12月30日，又將這一紀錄刷新為40.2K，1987年1月升至43K，不久美國華裔科學家朱經武與台灣物理學家吳茂昆以及大陸科學家趙忠賢相繼在釔－鋇－銅－氧系材料上把臨界超導溫度提高到90K以上，液氮的“溫度壁壘”（77K）也被突破了。1987年底，鉈－鋇－鈣－銅－氧系材料又把臨界超導溫度的記錄提高到125K。從1986年－1987年的短短一年多的時間裡，臨界超導溫度提高了近100K。大約1993年，鉈－汞－銅－鋇－鈣－氧系材料又把臨界超導溫度的記錄提高到138K。高溫超導體取得了巨大突破，使超導技術走向大規模套用。

大功率超導高頻腔輸入耦合器

超導材料和超導技術有著廣闊的套用前景。超導現象中的邁斯納效應使人們可以用此原理製造超導列車和超導船，由於這些交通工具將在懸浮無摩擦狀態下運行，這將大大提高它們的速度和安靜性，並有效減少機械磨損。利用超導懸浮可製造無磨損軸承，將軸承轉速提高到每分鐘10萬轉以上。超導列車已於70年代成功地進行了載人可行性試驗，1987年開始，日本開始試運行，但經常出現失效現象，出現這種現象可能是由於高速行駛產生的顛簸造成的。超導船已於1992年1月27日下水試航，目前尚未進入實用化階段。利用超導材料製造交通工具在技術上還存在一定的障礙，但它勢必會引發交通工具革命的一次浪潮。

超導材料的零電阻特性可以用來輸電和製造大型磁體。超高壓輸電會有很大的損耗，而利用超導體則可最大限度地降低損耗，但由於臨界溫度較高的超導體還未進入實用階段，從而限制了超導輸電的採用。隨著技術的發展，新超導材料的不斷湧現，超導輸電的希望能在不久的將來得以實現。

現有的高溫超導體還處於必須用液態氮來冷卻的狀態，但它仍舊被認為是20世紀最偉大的發現之一。

發展前景

超導現象早在1911年就為世人所知。目前我國關於超導技術的各項研發均已步入正軌，且進入產業化運作，現已普遍運營在電力行業、通信領域、軍事領域以及醫療領域等。

在我國關於超導的研發中，超導材料經營經歷了低溫到高溫的研發，第一代材料已經研究成熟，第二代材料由於其成本低更適用於產業化運作而被市場看好;超導產品品類逐漸增加，現已進行產業化運作的有超導電纜、超導限流器、超導濾波器、超導儲能等。雖然與國際尚有一定的差距，但部分領域的研發已經處於國際先進水平。

由於超導技術被認為將在一定程度上決定一個國家智慧型電網的競爭力，因此，對於超導產業而言，“十二五”期間，我國智慧型電網的全面建設將給該產業的發展提供良好的發展契機。

超導產業或將迎來“十年十倍”的快速增長，未來十年我國超導市場的規模約為1300-1600億元，預計到2020年，該產值將達到750億美元。

由於超導技術壁壘高，雖然各類超導材料企業以及電線電纜類生產企業相繼進入超導產業市場，但全球僅少數研究機構掌握相關技術，且尚未有企業實現大規模商業化生產，市場呈現壟斷格局，因此市場的最先進入者將因豐富的運行經驗占據明顯的優勢地位，成為市場的領導者。

分類與套用

分類

超導材料按其化學成分可分為元素材料、合金材料、化合物材料和超導陶瓷。①超導元素：在常壓下有28種元素具超導電性，其中鈮（Nb）的Tc最高，為9.26K。電工中實際套用的主要是鈮和鉛(Pb，Tc=7.201K)，已用於製造超導交流電力電纜、高Q值諧振腔等。② 合金材料： 超導元素加入某些其他元素作合金成分， 可以使超導材料的全部性能提高。如最先套用的鈮鋯合金(Nb-75Zr)，其Tc為10.8K，Hc為8.7特。繼後發展了鈮鈦合金，雖然Tc稍低了些，但Hc高得多，在給定磁場能承載更大電流。其性能是Nb-33Ti，Tc=9.3K，Hc=11.0特；Nb-60Ti，Tc=9.3K，Hc=12特(4.2K)。如今鈮鈦合金是用於7～8特磁場下的主要超導磁體材料。鈮鈦合金再加入鉭的三元合金，性能進一步提高，Nb-60Ti-4Ta的性能是，Tc=9.9K，Hc=12.4特（4.2K）；Nb-70Ti-5Ta的性能是，Tc=9.8K，Hc=12.8特。③超導化合物:超導元素與其他元素化合常有很好的超導性能。如已大量使用的Nb3Sn，其Tc=18.1K，Hc=24.5特。其他重要的超導化合物還有V3Ga，Tc=16.8K，Hc=24特；Nb3Al，Tc=18.8K，Hc=30特。④超導陶瓷：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Tc=35K的超導電性。1987年，中國、美國、日本等國科學家在鋇－釔－銅氧化物中發現Tc處於液氮溫區有超導電性，使超導陶瓷成為極有發展前景的超導材料。

套用

超導材料具有的優異特性使它從被發現之日起，就向人類展示了誘人的套用前景。但要實際套用超導材料又受到一系列因素的制約，這首先是它的臨界參量，其次還有材料製作的工藝等問題（例如脆性的超導陶瓷如何製成柔細的線材就有一系列工藝問題）。到80年代，超導材料的套用主要有：①利用材料的超導電性可製作磁體，套用於電機、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（功率可達10000MVA）；可製作通信電纜和天線，其性能優於常規材料。②利用材料的完全抗磁性可製作無摩擦陀螺儀和軸承。③利用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積體電路的快10-20倍，功耗只有四分之一。

超導現象

超導現象出現的基本標誌是零電阻效應和邁斯納效應，但還伴隨著多種特徵的出現。物體在低溫出現超導現象仍然有一些問題沒有弄清，但人們已經知道了很多。首先，有一些低溫超導現象是由於電聲作用，可以用BCS理論做出解釋，而象銅基超導體、重費米子超導體中的超導原因，如今仍在研究之中。由於超導體對環境的要求非常高，如今它還只能在科學家們的實驗室中進行，並不能夠大規模的套用到我們的日常生活中，但科學的發展是永無止境的，科學家們還正朝著提高超導體的溫度以達到將超導套用於生活中，為人類造福。相信隨著科學的發展，超導一定會廣泛地套用與我們的生活。到那時候，例如超導電纜、超導電機、超導儲能器以及粒子加速器和受控熱核反應的超大型強磁體；還有時速高達500多公里的超導磁懸浮列車，無摩擦超導陀螺儀，超導軸承等等。1962年，英國劍橋大學研究生布里安·戴維·約瑟夫森（1940～ 年）的一項重大發現，使超導套用更加令人眼花繚亂。這項發現叫做“約瑟夫森效應”，它使超導體可像半導體那樣做成二極體、三極體和一種奇妙的探測器件——超導量子干涉儀，用於弱磁場測量、超導計算機等微電子領域。可以構想，這些套用一旦實現，世界將改變模樣：超導儲能器收集太陽能，並將它儲藏起來，通過強大的電網完好無損地把電流送往用戶。

發展歷程

1911年卡末林—昂內斯意外地發現，將汞冷卻到－268.98℃時，汞的電阻突然消失；後來他發現許多金屬和合金都具有與上述汞相類似的低溫下電阻突然消失的現象。昂內斯同時也聲稱低溫下金屬電阻的消失“不是逐漸的，而是突然的”。

1932年霍爾姆和卡末林—昂內斯都在實驗中發現，隔著極薄一層氧化物的兩塊處於超導狀態的金屬，沒有外加電壓時也有電流流過。

1933年 荷蘭的邁斯納和奧森菲爾德共同發現了超導體的一個極為重要的性質。

1935年 德國人倫敦兄弟提出了一個超導電性的唯象理論。

1950年 美籍德國人弗茹里赫與美國伊利諾斯大學的巴丁經過複雜的研究和推論後，同時提出：超導電性是電子與聲子相互作用而產生的。他們認為金屬中的電子在點陣中被正離子所包圍，正離子被電子吸引而影響到正離子振動，並吸引其它電子形成了超導電流。接著，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，他們認為：在超導態金屬中電子以晶格波為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，電子對作為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，成功地解釋了超導現象，被科學家界稱作“巴庫斯理論”。這一理論的提出標誌著超導理論的正式建立，使超導研究進入了一個新的階段。

1953年 畢派德推廣了倫敦的概念並得到與實驗基本相符的超導穿透深度的數值。

1960-1961年 美籍挪威人賈埃瓦用鋁做成隧道元件進行超導實驗，直接觀測到了超導能隙，證明了巴庫斯理論。他在大量實驗中，曾多次測量到零電壓的超導電流，但未引起他的重視。

1962年 年僅20多歲的劍橋大學實驗物理研究生約瑟夫遜在著名科學家安德森指導下研究超導體能隙性質，他提出在超導結中，電子對可以通過氧化層形成無阻的超導電流，這個現象稱作直流約瑟夫遜效應。當外加直流電壓為V時，除直流超導電流之外，還存在交流電流，這個現象稱作交流約瑟夫遜效應。將超導體放在磁場中，磁場透入氧化層，這時超導結的最大超導電流隨外磁場大小作有規律的變化。約瑟夫遜的這一重要發現為超導體中電子對運動提供了證據，使對超導現象本質的認識更加深入。約瑟夫森效應成為微弱電磁信號探測和其他電子學套用的基礎。

70年代 超導列車成功地進行了載人可行性試驗。超導列車是在車上安裝強大的超導磁體，地上安放一系列金屬環狀線圈。當車輛行進時，車上的磁體在地上的線圈中感應起相反的磁極，使兩者的斥力將車子浮出地面。車輛在電機牽引下無摩擦地前進，時速可高達500千米。

1986年1月 在美國國際商用機器公司設在瑞士蘇黎世實驗室中工作的科學家柏諾茲和繆勒，首先發現鋇鑭銅氧化物是高溫超導體，將超導溫度提高到30K；緊接著，日本東京大學工學部又將超導溫度提高到37K。

1987年1月初 日本川崎國立分子研究所將超導溫度提高到43K；不久日本綜合電子研究所又將超導溫度提高到46K和53K。中國科學院物理研究所由趙忠賢、陳立泉領導的研究組，獲得了48.6K的鍶鑭銅氧系超導體，並看到這類物質有在70K發生轉變的跡象。

1987年2月16日 美國國家科學基金會宣布，朱經武與吳茂昆獲得轉變溫度為98K的超導體。

1987年2月20日中國也宣布發現100K以上超導體。1987年3月3日，日本宣布發現123K超導體。

1987年3月12日 中國北京大學成功地用液氮進行超導磁懸浮實驗。

1987年3月27日美國華裔科學家又發現在氧化物超導材料中有轉變溫度為240K的超導跡象。

1987年12月30日 美國休斯敦大學宣布，美籍華裔科學家朱經武又將超導溫度提高到140.2K

1987年 日本鐵道綜合技術研究所的“MLU002”號磁懸浮實驗車開始試運行。

1991年3月 日本住友電氣工業公司展示了世界上第一個超導磁體。

1991年10月 日本原子能研究所和東芝公司共同研製成核聚變堆用的新型超導線圈。該線圈電流密度達到每平方毫米40安培，為過去的3倍多，達到世界最高水準。該研究所把這個線圈大型化後提供給國際熱核聚變堆使用。這個新型磁體使用的超導材料是鈮和錫的化合物。

1992年1月27日 第一艘由日本船舶和海洋基金會建造的超導船“大和”1號在日本神戶下水試航。超導船由船上的超導磁體產生強磁場，船兩側的正負電極使水中電流從船的一側向另一側流動，磁場和電流之間的洛倫茲力驅動船舶高速前進。這種高速超導船直到目前尚未進入實用化階段，但實驗證明，這種船舶有可能引發船舶工業爆發一次革命，就像當年富爾頓發明輪船最後取代了帆船那樣。

1992年 一個以巨型超導磁體為主的超導超級對撞機特大型設備，於美國德克薩斯州建成並投入使用，耗資超過82億美元。

1996年 改進高溫超導電線的研究工作取得進展，製成了第一條地下輸電電纜。歐洲電纜巨頭皮雷利電纜公司、美國超導體公司和舊金山的電力研究所的工人，共同把6000米長的鉍、鍶、鈣、銅和氧製成的線纏繞到一根保持超導溫度的液氮的空管子上。

2001年4月，340米鉍系高溫超導線在清華大學套用超導研究中心研製成功，並於年末建成第一條鉍系高溫線材生產線。

2001年5月，北京有色金屬研究總院採用自行設計研製的設備，成功地製備出國內最大面積的高質量雙面釔鋇銅氧超導薄膜，達到國際同類材料的先進水平

2001年7月，香港科技大學宣布成功開發出全球最細的納米超導線。

我國超導臨界溫度已提高到零下120℃即153K左右 。