試談超導(dǎo)材料的應(yīng)用(doc 7頁).doc

1、超導(dǎo)材料的應(yīng)用1962年，年僅20多歲的劍橋大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理研究生約瑟夫遜在著名科學(xué)家安德森指導(dǎo)下研究超導(dǎo)體能隙性質(zhì)，他提出在超導(dǎo)結(jié)中，電子對(duì)可以通過氧化層形成無阻的超導(dǎo)電流，這個(gè)現(xiàn)象稱作直流約瑟夫遜效應(yīng)。當(dāng)外加直流電壓為V時(shí)，除直流超導(dǎo)電流之外，還存在交流電流，這個(gè)現(xiàn)象稱作交流約瑟夫遜效應(yīng)。將超導(dǎo)體放在磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)透入氧化層，這時(shí)超導(dǎo)結(jié)的最大超導(dǎo)電流隨外磁場(chǎng)大小作有規(guī)律的變化。約瑟夫遜的這一重要發(fā)現(xiàn)為超導(dǎo)體中電子對(duì)運(yùn)動(dòng)提供了證據(jù)，使對(duì)超導(dǎo)現(xiàn)象本質(zhì)的認(rèn) 識(shí)更加深入。約瑟夫森效應(yīng)成為微弱電磁信號(hào)探測(cè)和其他電子學(xué)應(yīng)用的基礎(chǔ)。 70年代超導(dǎo)列車成功地進(jìn)行了載人可行性試驗(yàn)。超導(dǎo)列車是在車上安裝強(qiáng)大的超導(dǎo)磁

2、體，地上安放一系列金屬環(huán)狀線圈。當(dāng)車輛行進(jìn)時(shí)，車上的磁體在地上的線圈中感應(yīng)起相反的磁極，使兩者的斥力將車子浮出地面。車輛在電機(jī)牽引下無摩擦地前進(jìn)，時(shí)速可高達(dá)500千米。 1987年3月12日中國北京大學(xué)成功地用液氮進(jìn)行超導(dǎo)磁懸浮實(shí)驗(yàn)。 1987年日本鐵道綜合技術(shù)研究所的“MLU002”號(hào)磁懸浮實(shí)驗(yàn)車開始試運(yùn)行 1991年3月日本住友電氣工業(yè)公司展示了世界上第一個(gè)超導(dǎo)磁體。 1991年10月日本原子能研究所和東芝公司共同研制成核聚變堆用的新型超導(dǎo)線圈。該線圈電流密度達(dá)到每平方毫米40安培，為過去的3倍多，達(dá)到世界最高水準(zhǔn)。該研究所把這個(gè)線圈大型化后提供給國際熱核聚變堆使用。這個(gè)新型磁體使用的超導(dǎo)

3、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(huì)建造的超導(dǎo)船“大和”1號(hào)在日本神戶下水試航。超導(dǎo)船由船上的超導(dǎo)磁體產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)，船兩側(cè)的正負(fù)電極使水中電流從船的一側(cè)向另一側(cè)流動(dòng)，磁場(chǎng)和電流之間的洛化茲力驅(qū)動(dòng)船舶高速前進(jìn)。這種高速超導(dǎo)船直到目前尚未進(jìn)入實(shí)用化階段，但實(shí)驗(yàn)證明，這種船舶有可能引發(fā)船舶工業(yè)爆發(fā)一次革命，就像當(dāng)年富爾頓發(fā)明輪船最后取代了帆船那樣。 1992年一個(gè)以巨型超導(dǎo)磁體為主的超導(dǎo)超級(jí)對(duì)撞機(jī)特大型設(shè)備，于美國得克薩斯州建成并投入使用，耗資超過82億美元。 1996年改進(jìn)高溫超導(dǎo)電線的研究工作取得進(jìn)展，制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

4、導(dǎo)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、銅和氧制成的線纏繞到一根保持超導(dǎo)溫度的液氮的空管子上。 目前國內(nèi)外的研究狀況及發(fā)展趨勢(shì) 強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置是開展強(qiáng)磁場(chǎng)下物理實(shí)驗(yàn)的最基本條件。建立20T以上的穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)裝置是復(fù)雜的涉及多學(xué)科和高難度的大型綜合性科學(xué)工程，其建設(shè)費(fèi)用高，磁體裝置的運(yùn)行費(fèi)用也很高。正因?yàn)槿绱耍壳皣H上擁有20T以上的穩(wěn)態(tài)磁體的強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中心僅分布在主要的工業(yè)大國。世界上第一個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室于1960年建于美國的MIT。隨后，歐州的英國、荷蘭、法國和德國以及東歐和蘇聯(lián)相繼在70年代建立了強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室。日本的強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室建于80年代初。磁場(chǎng)水平由60年代的

5、20T，提高到80年代的30T。90年代初，美國政府決定在Florida建立新的國家強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室,日本在筑波建立了新的強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室,強(qiáng)場(chǎng)磁體技術(shù)有了長足的進(jìn)步和發(fā)展，穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)水平近期可望達(dá)到40-50T。 伴隨著強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室的建立，強(qiáng)磁場(chǎng)下的物理研究也在不斷深入。量子霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)得到了1985年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。它是在20T穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)中研究金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管輸運(yùn)過程時(shí)觀測(cè)到的。近年來，有關(guān)強(qiáng)磁場(chǎng)下物理工作的文章對(duì)每個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室來說平均每年都在上百篇，其中有很多重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。目前的發(fā)展趨勢(shì)普遍是將凝聚態(tài)物理學(xué)領(lǐng)域中前沿的研究對(duì)象如高溫超導(dǎo)材料、納米材料、低維系統(tǒng)等同強(qiáng)磁場(chǎng)極端條件相

6、結(jié)合加以研究。在Grenoble強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室，半導(dǎo)體材料和半導(dǎo)體超晶格中的光電特性以及元激發(fā)及其互作用等是其主要的研究?jī)?nèi)容，而在美國、日本等強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室，則側(cè)重在高溫超導(dǎo)材料、低維系統(tǒng)、強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子系統(tǒng)、人造超晶格以及新材料等方面。同時(shí)，強(qiáng)磁場(chǎng)下的化學(xué)反應(yīng)過程、生物效應(yīng)等方面的研究也逐漸為人們所重視。 在中國雖有一些6T-12T的超導(dǎo)磁體分散在全國各地，但尚未形成一個(gè)全國性的強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中心，我國在10T以上穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)下的系統(tǒng)的科學(xué)研究工作尚屬空白。為滿足國內(nèi)強(qiáng)磁場(chǎng)研究工作的需要，早在1984年中國科學(xué)院數(shù)理學(xué)部就組織論證，決策在等離子體物理研究所建立以20T穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)裝置為主體的強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室。該

7、裝置于1992年建成并投入運(yùn)行。與此同時(shí)，實(shí)驗(yàn)室相繼建成了多個(gè)能滿足不同物理實(shí)驗(yàn)、場(chǎng)強(qiáng)在15T左右的穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)裝置，配備了相應(yīng)的輸運(yùn)和磁化測(cè)量系統(tǒng)以及低溫系統(tǒng)。中國科學(xué)院院士、著名物理學(xué)家馮端先生在了解了合肥強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室的情況后非常感慨地說：過去中國沒有強(qiáng)磁場(chǎng)條件，對(duì)有關(guān)強(qiáng)磁場(chǎng)下的物理工作連想都不敢想，現(xiàn)在有了強(qiáng)磁場(chǎng)條件我們應(yīng)該好好的考慮考慮這方面的問題了。 超導(dǎo)科學(xué)研究 1.非常規(guī)超導(dǎo)體磁通動(dòng)力學(xué)和超導(dǎo)機(jī)理 主要研究混合態(tài)區(qū)域的磁通線運(yùn)動(dòng)的機(jī)理，不可逆線性質(zhì)、起因及其與磁場(chǎng)和溫度的關(guān)系，臨界電流密度與磁場(chǎng)和溫度的依賴關(guān)系及各向異性。超導(dǎo)機(jī)理研究側(cè)重于研究正常態(tài)在強(qiáng)磁場(chǎng)下的磁阻、霍爾效應(yīng)、漲落效應(yīng)、