超導(dǎo)材料——當代科學的明珠()

1、, ,是指某些材料被冷卻到一定溫度下是指某些材料被冷卻到一定溫度下, , 電流通過時這些材料出電流通過時這些材料出現(xiàn)現(xiàn), ,即失去電阻的現(xiàn)象即失去電阻的現(xiàn)象, ,同時材料內(nèi)部失去磁通成為同時材料內(nèi)部失去磁通成為的物質(zhì)。相的物質(zhì)。相應(yīng)地應(yīng)地, ,具有超導(dǎo)電性的材料稱為具有超導(dǎo)電性的材料稱為超導(dǎo)材料在電阻消失前的狀態(tài)稱為常導(dǎo)超導(dǎo)材料在電阻消失前的狀態(tài)稱為常導(dǎo)狀態(tài)狀態(tài), , 電阻消失后的狀態(tài)稱為電阻消失后的狀態(tài)稱為是是21 21 世紀具有戰(zhàn)略意義的綜合世紀具有戰(zhàn)略意義的綜合性高新技術(shù)，可廣泛用于能源、信息、醫(yī)療、電力工業(yè)、交通、國防、科研及國性高新技術(shù)，可廣泛用于能源、信息、醫(yī)療、電力工業(yè)、交通、國

2、防、科研及國防軍工等重大工程方面。防軍工等重大工程方面。會同會同2020世紀半導(dǎo)體技術(shù)一樣具有重要意義。世紀半導(dǎo)體技術(shù)一樣具有重要意義。一方面，高溫超導(dǎo)一方面，高溫超導(dǎo)線材通電能力超出相同截面積銅導(dǎo)線線材通電能力超出相同截面積銅導(dǎo)線100 100 倍以上，倍以上， 因而在能源領(lǐng)域應(yīng)用潛力巨大，因而在能源領(lǐng)域應(yīng)用潛力巨大， 并有可能引發(fā)電力系統(tǒng)的革命。另一方面，超導(dǎo)元器件的高靈敏特性使得其在移并有可能引發(fā)電力系統(tǒng)的革命。另一方面，超導(dǎo)元器件的高靈敏特性使得其在移動通信、航空航天、資源勘探、醫(yī)療診斷以及軍事國防等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。動通信、航空航天、資源勘探、醫(yī)療診斷以及軍事國防等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)

3、用前景?，F(xiàn)代人們的生活、工作離不開現(xiàn)代人們的生活、工作離不開電力必須靠良導(dǎo)體傳輸。電工手冊規(guī)定電力必須靠良導(dǎo)體傳輸。電工手冊規(guī)定截面額定電流不能超過截面額定電流不能超過5 5A Acmcm2 2，否則過熱會導(dǎo)致電線或絕緣層溶解引否則過熱會導(dǎo)致電線或絕緣層溶解引起失火等災(zāi)難。對遠距離輸電起失火等災(zāi)難。對遠距離輸電( (只能使用小尺寸導(dǎo)線只能使用小尺寸導(dǎo)線) )必須加高壓，使用大電流的必須加高壓，使用大電流的機器必須接大截面尺寸的銅導(dǎo)體，這使得銅線繞制的磁體體積龐大！機器必須接大截面尺寸的銅導(dǎo)體，這使得銅線繞制的磁體體積龐大！19081908年年7 7月月1010日荷蘭萊頓實驗室在物理學家日荷蘭萊

4、頓實驗室在物理學家領(lǐng)導(dǎo)下將氦液化成功，獲得了領(lǐng)導(dǎo)下將氦液化成功，獲得了4.254.251.15 1.15 K K的極低溫的極低溫，從此開創(chuàng)了，從此開創(chuàng)了極低溫下物性的研究。極低溫下物性的研究。圖圖7.1 極低溫度下汞的電阻與溫度關(guān)系極低溫度下汞的電阻與溫度關(guān)系 這一發(fā)現(xiàn)立即引起全世界范圍的震動。后來在這一發(fā)現(xiàn)立即引起全世界范圍的震動。后來在SnSn、PbPb及不純汞等金屬中也發(fā)現(xiàn)及不純汞等金屬中也發(fā)現(xiàn)了電阻消失的現(xiàn)象。昂尼斯由于該項具有歷史意義的發(fā)現(xiàn)而獲得了電阻消失的現(xiàn)象。昂尼斯由于該項具有歷史意義的發(fā)現(xiàn)而獲得19131913年度諾貝年度諾貝爾物理學獎。昂尼斯在諾貝爾領(lǐng)獎演說中指出：低溫下金屬

5、電阻的消失爾物理學獎。昂尼斯在諾貝爾領(lǐng)獎演說中指出：低溫下金屬電阻的消失“不是逐不是逐漸的，而是突然的漸的，而是突然的”，水銀在，水銀在-269“-269“進入了一種新狀態(tài)，由于其特殊導(dǎo)電性能，進入了一種新狀態(tài)，由于其特殊導(dǎo)電性能，可稱為超導(dǎo)態(tài)可稱為超導(dǎo)態(tài)”。因此，人們把這種現(xiàn)象稱為。因此，人們把這種現(xiàn)象稱為超導(dǎo)現(xiàn)象超導(dǎo)現(xiàn)象，具有超導(dǎo)性質(zhì)的材料即，具有超導(dǎo)性質(zhì)的材料即超導(dǎo)體超導(dǎo)體。超導(dǎo)體從此問世于人間。超導(dǎo)體從此問世于人間。超導(dǎo)體開始失去電阻的溫度為超導(dǎo)體開始失去電阻的溫度為超導(dǎo)臨界轉(zhuǎn)變溫度（簡稱臨界溫度）超導(dǎo)臨界轉(zhuǎn)變溫度（簡稱臨界溫度）T TC C（如圖（如圖7.17.1示）。示）。超導(dǎo)體的

6、直流電阻率在一定的低溫下突然消失，被稱為超導(dǎo)體的直流電阻率在一定的低溫下突然消失，被稱為零電阻效應(yīng)。零電阻效應(yīng)。 導(dǎo)體沒有了電阻，電流流經(jīng)超導(dǎo)體時就不導(dǎo)體沒有了電阻，電流流經(jīng)超導(dǎo)體時就不發(fā)生熱損耗，電流可以毫無阻力地在導(dǎo)線中發(fā)生熱損耗，電流可以毫無阻力地在導(dǎo)線中流動。這樣就能以極小的功率在線圈中通過流動。這樣就能以極小的功率在線圈中通過巨大的電流，從而產(chǎn)生高達幾特以至幾十特巨大的電流，從而產(chǎn)生高達幾特以至幾十特的超強磁場，這是人們長期以來夢寐以求的。的超強磁場，這是人們長期以來夢寐以求的。圖圖7.1 極低溫度下汞的電阻極低溫度下汞的電阻與溫度關(guān)系與溫度關(guān)系 為什么低溫下的超導(dǎo)態(tài)汞會在弱磁場中失

7、去超導(dǎo)能力呢？為什么低溫下的超導(dǎo)態(tài)汞會在弱磁場中失去超導(dǎo)能力呢？從從19111911年到年到19121912年，年，盡管發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)體的數(shù)目在不斷增加，但人們還是沒有解決這一問題，卻盡管發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)體的數(shù)目在不斷增加，但人們還是沒有解決這一問題，卻一直認一直認為溫度是對超導(dǎo)有影響為溫度是對超導(dǎo)有影響，而，而磁力線可以穿過超導(dǎo)體磁力線可以穿過超導(dǎo)體, ,如圖如圖7.27.2( (a)a)所示所示。直到直到19331933年，荷蘭的年，荷蘭的W.W.邁斯納和邁斯納和R.R.奧克森菲爾德奧克森菲爾德兩位科學家在測定金屬錫和兩位科學家在測定金屬錫和鉛在磁場中冷卻到超導(dǎo)溫度下的內(nèi)外磁通量分布時，共同發(fā)現(xiàn)了超

8、導(dǎo)體的一個極鉛在磁場中冷卻到超導(dǎo)溫度下的內(nèi)外磁通量分布時，共同發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)體的一個極為重要的性質(zhì)：為重要的性質(zhì)：當金屬處在超導(dǎo)狀態(tài)時，這一超導(dǎo)體內(nèi)的磁感應(yīng)強度為零，即能當金屬處在超導(dǎo)狀態(tài)時，這一超導(dǎo)體內(nèi)的磁感應(yīng)強度為零，即能把原來存在于體內(nèi)的磁場排擠出去。把原來存在于體內(nèi)的磁場排擠出去。他們對圍繞球形導(dǎo)體（單晶錫）的磁場分布他們對圍繞球形導(dǎo)體（單晶錫）的磁場分布進行了實驗測試，結(jié)果驚奇地發(fā)現(xiàn)：錫球過渡到超導(dǎo)態(tài)時，錫球周圍的磁場都突進行了實驗測試，結(jié)果驚奇地發(fā)現(xiàn)：錫球過渡到超導(dǎo)態(tài)時，錫球周圍的磁場都突然發(fā)生了變化，磁力線似乎一下子被排斥到超導(dǎo)體之外去了。于是，人們將這種然發(fā)生了變化，磁力線似乎一下

9、子被排斥到超導(dǎo)體之外去了。于是，人們將這種當金屬變成超導(dǎo)體時磁力線自動排出金屬之外而超導(dǎo)體內(nèi)的磁感應(yīng)強度為零現(xiàn)象當金屬變成超導(dǎo)體時磁力線自動排出金屬之外而超導(dǎo)體內(nèi)的磁感應(yīng)強度為零現(xiàn)象（如（如圖圖7.27.2所示），稱為所示），稱為“邁斯納效應(yīng)邁斯納效應(yīng)”。 圖圖7.3 7.3 趙忠賢（中）與繆勒和柏諾茲在一起；圖趙忠賢（中）與繆勒和柏諾茲在一起；圖7.4 7.4 趙忠賢與科研小組在一起趙忠賢與科研小組在一起 超導(dǎo)領(lǐng)域取得了突破性發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)領(lǐng)域取得了突破性發(fā)現(xiàn), , 歷史進入高溫超導(dǎo)時代。歷史進入高溫超導(dǎo)時代。19871987年獲得了年獲得了92K (92K (氮的氮的沸點為沸點為7K)7K)的超

10、導(dǎo)材料的超導(dǎo)材料, , 繼銅基超導(dǎo)材料后繼銅基超導(dǎo)材料后, 2008 , 2008 年日本和中國科學家相繼報告發(fā)現(xiàn)了一類新年日本和中國科學家相繼報告發(fā)現(xiàn)了一類新的高溫超導(dǎo)材料的高溫超導(dǎo)材料, , 這是高溫超導(dǎo)研究領(lǐng)域的一個這是高溫超導(dǎo)研究領(lǐng)域的一個20082008年年2 2月月, , 東京工業(yè)大學教授細野秀雄的研究小組合成了氟摻雜杉氧鐵砷化合物。該化合物是一東京工業(yè)大學教授細野秀雄的研究小組合成了氟摻雜杉氧鐵砷化合物。該化合物是一種由絕緣的氧化斕層和導(dǎo)電的砷鐵層交錯層疊而成的結(jié)晶化合物，純粹的這種物質(zhì)沒有超種由絕緣的氧化斕層和導(dǎo)電的砷鐵層交錯層疊而成的結(jié)晶化合物，純粹的這種物質(zhì)沒有超導(dǎo)性能導(dǎo)性

11、能, , 但如把化合物中的一部分氧離子轉(zhuǎn)換成氟離子但如把化合物中的一部分氧離子轉(zhuǎn)換成氟離子, , 它就開始表現(xiàn)出超導(dǎo)性它就開始表現(xiàn)出超導(dǎo)性, , 且在且在26K 26K ( (247247) ) 時具超導(dǎo)特性。時具超導(dǎo)特性。領(lǐng)導(dǎo)的科研小組又報告領(lǐng)導(dǎo)的科研小組又報告, , 氟摻雜杉氧鐵砷化合物在氟摻雜杉氧鐵砷化合物在臨界溫度臨界溫度43k (43k (230.15230.15) ) 時也變成超導(dǎo)體。時也變成超導(dǎo)體。領(lǐng)導(dǎo)的領(lǐng)導(dǎo)的科研小組報告科研小組報告, , 氟摻雜鐠氧鐵砷化合物的高溫超導(dǎo)臨界溫度可達氟摻雜鐠氧鐵砷化合物的高溫超導(dǎo)臨界溫度可達52K (52K (221.15221.15 ) )。4

12、 4月月1313日該科研小組又有新發(fā)現(xiàn)日該科研小組又有新發(fā)現(xiàn): : 氟摻雜杉氧鐵砷化合物假如在壓力環(huán)境下產(chǎn)生作用氟摻雜杉氧鐵砷化合物假如在壓力環(huán)境下產(chǎn)生作用, , 其超導(dǎo)其超導(dǎo)臨界溫度可進一步提升至臨界溫度可進一步提升至55K(55K(2 18.152 18.15) ) 。此外。此外, , 領(lǐng)導(dǎo)的科研小組領(lǐng)導(dǎo)的科研小組還報告還報告, , 鍶摻雜鑭氧鐵砷化合物的超導(dǎo)臨界溫度為鍶摻雜鑭氧鐵砷化合物的超導(dǎo)臨界溫度為25k (25k (248 .15248 .15) )。在于在于 材料在一定溫度以下，材料在一定溫度以下，稱為材料的稱為材料的。在。在一定溫度下具有零電阻超導(dǎo)電現(xiàn)象的材料，稱為一定溫度下具

13、有零電阻超導(dǎo)電現(xiàn)象的材料，稱為。由于超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變溫度還與外部環(huán)。由于超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變溫度還與外部環(huán)境條件有關(guān)，定義在外部環(huán)境條件（電流，磁場和應(yīng)力等）維持在足夠低的數(shù)值時，測得的境條件有關(guān)，定義在外部環(huán)境條件（電流，磁場和應(yīng)力等）維持在足夠低的數(shù)值時，測得的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度稱為超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度稱為。 如果用磁場在超導(dǎo)環(huán)中引發(fā)感性電流如果用磁場在超導(dǎo)環(huán)中引發(fā)感性電流, , 這一電流可毫不衰減地維持下去。這種這一電流可毫不衰減地維持下去。這種“持續(xù)電流持續(xù)電流”已多次在實驗中觀察到。已多次在實驗中觀察到。 1933 1933 年，年，（W.MeissnerW.Meissner）發(fā)現(xiàn)：當置于）發(fā)現(xiàn)：當置于磁場中

14、的導(dǎo)體通過冷卻過渡到超導(dǎo)態(tài)時，原來進入此導(dǎo)體中的磁力線會一下子被完全排斥到磁場中的導(dǎo)體通過冷卻過渡到超導(dǎo)態(tài)時，原來進入此導(dǎo)體中的磁力線會一下子被完全排斥到超導(dǎo)體之外，超導(dǎo)體內(nèi)磁感應(yīng)強度變?yōu)榱悖@表明超導(dǎo)體是完全抗磁體，這個現(xiàn)象稱為超導(dǎo)體之外，超導(dǎo)體內(nèi)磁感應(yīng)強度變?yōu)榱?，這表明超導(dǎo)體是完全抗磁體，這個現(xiàn)象稱為。 在低于在低于T TC C 的任一溫度的任一溫度T T下，當外加磁場下，當外加磁場強度強度H H 小于某一臨界值小于某一臨界值H HC C 時，超導(dǎo)態(tài)可以保持；當時，超導(dǎo)態(tài)可以保持；當HH大于大于HHC C 時，超導(dǎo)態(tài)會被突然破壞而時，超導(dǎo)態(tài)會被突然破壞而轉(zhuǎn)變成正常態(tài)。轉(zhuǎn)變成正常態(tài)。超導(dǎo)材料

15、性能由臨超導(dǎo)材料性能由臨界溫度界溫度T TC C 和臨界磁場和臨界磁場H HC C 兩個參數(shù)決定，高于臨界值時是一般導(dǎo)體，低于此數(shù)值時成為超導(dǎo)兩個參數(shù)決定，高于臨界值時是一般導(dǎo)體，低于此數(shù)值時成為超導(dǎo)體。人們從零電阻現(xiàn)象出發(fā)，一直把超導(dǎo)體和完全導(dǎo)體體。人們從零電阻現(xiàn)象出發(fā)，一直把超導(dǎo)體和完全導(dǎo)體( (或稱無阻導(dǎo)體或稱無阻導(dǎo)體) )完全等同起來，完全完全等同起來，完全導(dǎo)體中不能存在電場即導(dǎo)體中不能存在電場即E=0E=0。 當施加一外磁場時，在樣品內(nèi)不出現(xiàn)凈磁通量密度的特性稱為當施加一外磁場時，在樣品內(nèi)不出現(xiàn)凈磁通量密度的特性稱為這與完全導(dǎo)這與完全導(dǎo)體性質(zhì)迥然不同，這種體性質(zhì)迥然不同，這種。 超導(dǎo)

16、體的臨界溫度超導(dǎo)體的臨界溫度T TC C 與其同位素質(zhì)量與其同位素質(zhì)量M M 有關(guān)。有關(guān)。這稱為這稱為例如，原子量為例如，原子量為199.55199.55的汞同位素，它的的汞同位素，它的T TC C是是4.18K4.18K，而原子，而原子量為量為203.4203.4的汞同位素，的汞同位素，T TC C為為4.146 K4.146 K。M M 與與T TC C有近似關(guān)系：有近似關(guān)系：T TC C M M1/2 1/2 常常數(shù)。數(shù)。 這種現(xiàn)象稱為這種現(xiàn)象稱為，相應(yīng)的裝置稱為相應(yīng)的裝置稱為 當通以低于臨界電流值當通以低于臨界電流值I I0 0 時，在絕緣薄層上的電壓為零；但當電流時，在絕緣薄層上的電

17、壓為零；但當電流IIII0 0 時，時，會從超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)，出現(xiàn)電壓降，呈現(xiàn)有阻態(tài)，同時直流電流變成高頻會從超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)，出現(xiàn)電壓降，呈現(xiàn)有阻態(tài)，同時直流電流變成高頻交流電并向外輻射電磁波。這種器件具有顯著的非線性電阻特性，可制成高靈交流電并向外輻射電磁波。這種器件具有顯著的非線性電阻特性，可制成高靈敏度的磁敏感器件，應(yīng)用在超高速計算機等場合。這些特性構(gòu)成了超導(dǎo)材料在敏度的磁敏感器件，應(yīng)用在超高速計算機等場合。這些特性構(gòu)成了超導(dǎo)材料在科技領(lǐng)域越來越引人注目的各類應(yīng)用的依據(jù)?？萍碱I(lǐng)域越來越引人注目的各類應(yīng)用的依據(jù)。示出了實驗所得電阻率示出了實驗所得電阻率 ，所加磁場強度所加磁場強度H

18、H，導(dǎo)體的電流密度導(dǎo)體的電流密度J J與溫與溫度度T T的關(guān)系。的關(guān)系。 圖圖7.6(a)7.6(a)是汞在液氦溫度附近電阻的變化行為。由圖可是汞在液氦溫度附近電阻的變化行為。由圖可見，見，T T有一特征值有一特征值T TC C。當當T TT TC C時，導(dǎo)體的時，導(dǎo)體的=0=0，具有超具有超導(dǎo)性。當導(dǎo)性。當T TT TC C時，導(dǎo)體的時，導(dǎo)體的OO，即失去超導(dǎo)性。圖中即失去超導(dǎo)性。圖中汞的汞的T TC C = 4.20K = 4.20K 。從正常態(tài)從正常態(tài)( (電阻態(tài)電阻態(tài)) )過渡到過渡到( (零電阻態(tài)零電阻態(tài)) )的轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)變叫做正常變叫做正常超導(dǎo)轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變時的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變時的溫度溫度T

19、 TC C稱為這種稱為這種超導(dǎo)超導(dǎo)體的臨界溫度體的臨界溫度。顯然。顯然T TC C高，有利于超導(dǎo)體的應(yīng)用。高，有利于超導(dǎo)體的應(yīng)用。應(yīng)當說明，應(yīng)當說明，T TC C是在外部磁場、電流、應(yīng)力和輻射等條是在外部磁場、電流、應(yīng)力和輻射等條件維持足夠低時，電阻突然為零時的溫度。件維持足夠低時，電阻突然為零時的溫度。除溫度外，足夠強的磁場也能破壞超導(dǎo)態(tài)。除溫度外，足夠強的磁場也能破壞超導(dǎo)態(tài)。使超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變成使超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變成正常態(tài)的最小磁場強度正常態(tài)的最小磁場強度H HC C(T)(T)叫做此溫度下該超導(dǎo)體的臨界磁叫做此溫度下該超導(dǎo)體的臨界磁場。場。絕對零度下的臨界磁場記作絕對零度下的臨界磁場記作H HC C(

20、O)(O)。經(jīng)驗證明經(jīng)驗證明HHC C(T)(T)與與T T具有如下關(guān)系：具有如下關(guān)系： H HC C(T) = H(T) = HC C(O)1(T/T(O)1(T/TC C) )2 2 超導(dǎo)體的超導(dǎo)體的HTHT關(guān)系如圖關(guān)系如圖7.6(b)7.6(b)所示，一般可近似表示為拋所示，一般可近似表示為拋物線關(guān)系。物線關(guān)系。如果施加磁場給正處于超導(dǎo)態(tài)的超導(dǎo)體后，可使如果施加磁場給正處于超導(dǎo)態(tài)的超導(dǎo)體后，可使其電阻恢復(fù)正常，即磁場可以破壞超導(dǎo)態(tài)。也就是說，其電阻恢復(fù)正常，即磁場可以破壞超導(dǎo)態(tài)。也就是說，磁場磁場的存在可以使臨界溫度降低，磁場越大，臨界溫度也越低的存在可以使臨界溫度降低，磁場越大，臨界溫

21、度也越低。對于所有的金屬，對于所有的金屬，H HC CTT曲線幾乎有相同的形狀，其經(jīng)驗公曲線幾乎有相同的形狀，其經(jīng)驗公式為式為 H HC C(T) = H(T) = HO O1(T/T1(T/TC C) )2 2 (H (HO O為經(jīng)驗系數(shù)為經(jīng)驗系數(shù)) )利用這個性質(zhì)，可以制成超導(dǎo)體的電子學元件。利用這個性質(zhì)，可以制成超導(dǎo)體的電子學元件。實驗證明當超導(dǎo)電流超過某臨界值實驗證明當超導(dǎo)電流超過某臨界值J JC C時，也可以使金屬從超導(dǎo)態(tài)恢復(fù)到正常時，也可以使金屬從超導(dǎo)態(tài)恢復(fù)到正常態(tài)。態(tài)。J JC C 稱為臨界電流密度稱為臨界電流密度，臨界電流密度臨界電流密度J JC C本質(zhì)上是超導(dǎo)體在產(chǎn)生超導(dǎo)態(tài)時

22、臨本質(zhì)上是超導(dǎo)體在產(chǎn)生超導(dǎo)態(tài)時臨界磁場的電流，也就是界磁場的電流，也就是超導(dǎo)態(tài)允許流動的最大電流密度超導(dǎo)態(tài)允許流動的最大電流密度。若若T TT TC C并有外加磁場并有外加磁場H HH H C C時，時，J JC C = f = f（T T，H H）即臨界電流密度是溫度和即臨界電流密度是溫度和磁場的函數(shù)，如磁場的函數(shù)，如圖圖7.67.6（C C）所示。所示。J JC C實質(zhì)是無阻負載的最大電流密度。實質(zhì)是無阻負載的最大電流密度。也可用臨界電流也可用臨界電流I IC C表示（超導(dǎo)體中如果通入足夠強的電流，超導(dǎo)電性也會遭到表示（超導(dǎo)體中如果通入足夠強的電流，超導(dǎo)電性也會遭到破壞，此時的電流稱為臨界

23、電流）。破壞，此時的電流稱為臨界電流）?？傊?，要使超導(dǎo)體處于超導(dǎo)狀態(tài)，必須將條件控制在總之，要使超導(dǎo)體處于超導(dǎo)狀態(tài)，必須將條件控制在T TC C、HHC C、J JC C（或或I IC C）三三個臨界參數(shù)之下，不滿足任何一個條件，超導(dǎo)狀態(tài)都會立即消失。個臨界參數(shù)之下，不滿足任何一個條件，超導(dǎo)狀態(tài)都會立即消失。是三者是三者的關(guān)系圖，臨界面以下為超導(dǎo)態(tài)，其余為常態(tài)。的關(guān)系圖，臨界面以下為超導(dǎo)態(tài)，其余為常態(tài)。 迄今，迄今，如鎢的臨界溫，如鎢的臨界溫度為度為0.012K0.012K，鋅為，鋅為0.75K0.75K，鋁為，鋁為1.196K1.196K，鉛，鉛( (PbPb) )為為7.193K7.193

24、K，其中，其中材材 料料TC/ KHC2/(kAm-1)材材 料料TC/ KHC2/(kAm-1)Mo-33Re10.82228Pb-50Bi 8.4 2387Mo-50Re12.62149NbN17.011141Nb-25Ti 9.85809V3Si17.0 Nb-60Ti 9.39152V3Ga16.819099Nb-60Ti-4Ta 9.99868Nb3Al18.823873Nb-70Ti-5Ta 9.810186Nb3Sn18.1 1950Nb-25Zr11.0 7242Nb3Al0.75Ge0.2521.033422Nb-75Zr10.862628 Pb-35Bi 8.7 2069

25、超導(dǎo)合金或化合物，可使超導(dǎo)材料的臨界溫度提高。例如鈮鈦合金超導(dǎo)合金或化合物，可使超導(dǎo)材料的臨界溫度提高。例如鈮鈦合金NbTiNbTi，其，其TcTc為為9.3K9.3K，鈮鋯合金鈮鋯合金( (NbZrNbZr) )，TcTc=10.8K=10.8K，NbNb3 3SnSn，TcTc=18.1K=18.1K。到目前為止，。到目前為止，TcTc最高的超導(dǎo)化合物是最高的超導(dǎo)化合物是 Nb3Ge, Nb3Ge, TcTc=23.22K=23.22K。20012001年，日本的人發(fā)現(xiàn)一年，日本的人發(fā)現(xiàn)一種很簡單的化合物種很簡單的化合物。 母母 相相高高 TC 相相導(dǎo)電類型導(dǎo)電類型最高的最高的TC/KLa

26、2CuO4La2-xAXCuO4(A:Sr,Ba,Ca)p36R2CuO4 *R2-XMXCuO4-y(M:Th,Ce)n25BaBiO3Ba1-xKxBiO3p30RBa2Cu3O6.5P95 YBa2Cu4O8P80BiRSrCuO R:稀土稀土Bi2Sr2(CaxR1-X)nCun+1O2N+6P112TlRBaCuO R:稀土稀土Tl2Ba2(CaxR1-X)nCun+1O2n+6 TlBa2(CaxR1-X)nCun+1O2n+5Pp125Pb2SrRCu3O8Pb2Sr2Ca1-xRxCu3O8+P7019871987年年2 2月美國和中國相繼報道了月美國和中國相繼報道了TcTc超

27、過了超過了98K98K的的超導(dǎo)體，這種材料就是釔、鋇、銅和氧的化合物（超導(dǎo)體，這種材料就是釔、鋇、銅和氧的化合物（YBaYBa2 2CuCu3 3O O7878），此后對超導(dǎo)材料的研究主要是以），此后對超導(dǎo)材料的研究主要是以Y Y系超導(dǎo)體展開的，系超導(dǎo)體展開的，。19871987到到19881988年，年，BiSrCuOBiSrCuO、BiSrCaCuOBiSrCaCuO、TlBaCaCuOTlBaCaCuO等系列更高臨界溫度的超導(dǎo)體相繼被發(fā)現(xiàn)等系列更高臨界溫度的超導(dǎo)體相繼被發(fā)現(xiàn)，19931993年后，年后，Chu CWChu CW在高壓下合成了臨界溫度高達在高壓下合成了臨界溫度高達164K1

28、64K的的HgBaCaCuOHgBaCaCuO高溫超導(dǎo)體，它是目前公認的具高溫超導(dǎo)體，它是目前公認的具最高最高TcTc的超導(dǎo)材料。此時高溫超導(dǎo)體均為銅基氧化物的超導(dǎo)材料。此時高溫超導(dǎo)體均為銅基氧化物，比如，比如(RE)Ba(RE)Ba2 2CuCu3 3O O7-x7-x，BiBi2 2SrSr2 2CaCan-1n-1CuCun nOO2 2，TlTl2 2BaBa2 2CaCan-1n-1CuCun nO O2n+42n+4，HgBaHgBa2 2CaCan-1n-1CuCun nOO2n+2+x2n+2+x。20082008年年2 2月，日、中科學家相繼報告發(fā)現(xiàn)了一類月，日、中科學家相繼

29、報告發(fā)現(xiàn)了一類新高溫超導(dǎo)材料新高溫超導(dǎo)材料, , 這是這是 東京工業(yè)大學教授細野秀雄研究組合成了氟摻雜杉氧鐵砷化合物，東京工業(yè)大學教授細野秀雄研究組合成了氟摻雜杉氧鐵砷化合物，它是一種由絕緣氧化鑭層和導(dǎo)電的砷鐵層交錯層疊而成的結(jié)晶化合物。純粹的這它是一種由絕緣氧化鑭層和導(dǎo)電的砷鐵層交錯層疊而成的結(jié)晶化合物。純粹的這種物質(zhì)無超導(dǎo)性能種物質(zhì)無超導(dǎo)性能, , 但如把化合物中的一部分氧離子轉(zhuǎn)換成氟離子但如把化合物中的一部分氧離子轉(zhuǎn)換成氟離子, , 它就開始現(xiàn)出它就開始現(xiàn)出超導(dǎo)性超導(dǎo)性, , 且在且在26K (-24726K (-247) ) 時具超導(dǎo)特性。時具超導(dǎo)特性。 中國科技大陳仙輝小組中國科技大

30、陳仙輝小組又將氟摻雜杉氧鐵砷化合物在臨界溫度又將氟摻雜杉氧鐵砷化合物在臨界溫度43k (-230.1543k (-230.15) ) 時也變成超導(dǎo)體。時也變成超導(dǎo)體。 中科院物理所趙忠賢小組將氟摻雜鐠氧鐵砷化合物的高溫超導(dǎo)臨界溫度達中科院物理所趙忠賢小組將氟摻雜鐠氧鐵砷化合物的高溫超導(dǎo)臨界溫度達52K (-221.1552K (-221.15) )。氟摻雜杉氧鐵砷化合物在壓力環(huán)境下產(chǎn)生作用氟摻雜杉氧鐵砷化合物在壓力環(huán)境下產(chǎn)生作用, , 其超導(dǎo)臨界溫度可進一步提至其超導(dǎo)臨界溫度可進一步提至5 5 K (-218.155 5 K (-218.15) )。此外。此外, , 鍶摻雜鑭氧鐵砷化合物的超導(dǎo)

31、臨界溫度為鍶摻雜鑭氧鐵砷化合物的超導(dǎo)臨界溫度為25k (-248.1525k (-248.15) )。對推廣常溫超導(dǎo)的實際應(yīng)用具對推廣常溫超導(dǎo)的實際應(yīng)用具重大意義。重大意義。19571957年由物理學家巴?。暧晌锢韺W家巴?。˙ardeenBardeen）、庫伯（）、庫伯（CooperCooper）和施里弗（）和施里弗（SchriefferSchrieffer）提出的關(guān)于呈現(xiàn)超導(dǎo)電性的微觀解釋，故稱）提出的關(guān)于呈現(xiàn)超導(dǎo)電性的微觀解釋，故稱。當。當T TTCTC時，自由電子時，自由電子不能完全無序運動，由于晶格振動作用，有一部分正常電子會兩兩形成一個電量不能完全無序運動，由于晶格振動作用，有一部

32、分正常電子會兩兩形成一個電量為為2e2e的庫伯電子對（的庫伯電子對（T=0T=0時，電子全部形成庫伯對）。當庫伯電子對與晶格相互時，電子全部形成庫伯對）。當庫伯電子對與晶格相互作用時，兩電子的動量可彼長此消，但他們的總動量始終保持不變。因此電子對作用時，兩電子的動量可彼長此消，但他們的總動量始終保持不變。因此電子對的的2e2e幾乎不受晶格的散射作用，宏觀上便表現(xiàn)為直流電阻為零。幾乎不受晶格的散射作用，宏觀上便表現(xiàn)為直流電阻為零。超導(dǎo)電性來源于電子間通過聲子作媒介所產(chǎn)生的相互吸引作用，當這種作用超超導(dǎo)電性來源于電子間通過聲子作媒介所產(chǎn)生的相互吸引作用，當這種作用超過電子之間的庫侖排斥作用時，電子

33、會形成束縛對，即庫伯電子對，從而出現(xiàn)超過電子之間的庫侖排斥作用時，電子會形成束縛對，即庫伯電子對，從而出現(xiàn)超導(dǎo)電性。庫伯電子對回到支能隙存在，超導(dǎo)臨界場、電磁學性質(zhì)和熱力學性質(zhì)都導(dǎo)電性。庫伯電子對回到支能隙存在，超導(dǎo)臨界場、電磁學性質(zhì)和熱力學性質(zhì)都是庫伯電子對作用的結(jié)果。元素或合金的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度與費米面附近電子能態(tài)密是庫伯電子對作用的結(jié)果。元素或合金的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度與費米面附近電子能態(tài)密度度EFEF和電子聲子相互作用能和電子聲子相互作用能U U有關(guān)。有關(guān)。因它涉及電子的電荷、自旋和道之間及它們與晶格之間十分因它涉及電子的電荷、自旋和道之間及它們與晶格之間十分強烈的耦合，及電子與電子，電子與聲子以

34、及聲子之間的互作用等，強烈的耦合，及電子與電子，電子與聲子以及聲子之間的互作用等，需要用到強關(guān)聯(lián)系統(tǒng)來研究。需要用到強關(guān)聯(lián)系統(tǒng)來研究。 20082008，我國超導(dǎo)除鐵器研制成功。，我國超導(dǎo)除鐵器研制成功。 在高強度磁場在高強度磁場下，超導(dǎo)體的電流密度超過銅的電流密度，這表明下，超導(dǎo)體的電流密度超過銅的電流密度，這表明不僅對于不僅對于大規(guī)模電力工程是重要的，而且對于航海、航空的各種船舶、飛機特大規(guī)模電力工程是重要的，而且對于航海、航空的各種船舶、飛機特別理想。美國率先制成別理想。美國率先制成3000 3000 馬力的超導(dǎo)電機，我國科學家在馬力的超導(dǎo)電機，我國科學家在20 20 世紀世紀80 80

35、 年代末已經(jīng)制成了超導(dǎo)發(fā)電機的模型實驗機。年代末已經(jīng)制成了超導(dǎo)發(fā)電機的模型實驗機。 發(fā)展超導(dǎo)變壓器，可提高電力變壓器的性能。從經(jīng)發(fā)展超導(dǎo)變壓器，可提高電力變壓器的性能。從經(jīng)濟上看，濟上看，超導(dǎo)材料的低阻抗特性有利于超導(dǎo)材料的低阻抗特性有利于減小變壓器的減小變壓器的總損耗，高電流密度可以提高電力系統(tǒng)的效率，采用總損耗，高電流密度可以提高電力系統(tǒng)的效率，采用超導(dǎo)變壓器將會大大節(jié)約能源，減少其運作費用超導(dǎo)變壓器將會大大節(jié)約能源，減少其運作費用；從從絕緣運行壽命上看，絕緣運行壽命上看，的繞組和固體絕緣材料都運行于深的繞組和固體絕緣材料都運行于深度低溫下，度低溫下，不存在絕緣老化問題不存在絕緣老化問題，

36、即使在兩倍于額定功率下運行也不會影響運行，即使在兩倍于額定功率下運行也不會影響運行壽命；壽命；從對電力系統(tǒng)的貢獻來看，從對電力系統(tǒng)的貢獻來看，正常工作時超導(dǎo)變壓器的內(nèi)限很低，增大了電正常工作時超導(dǎo)變壓器的內(nèi)限很低，增大了電壓調(diào)節(jié)范圍，有利于提高電力系統(tǒng)的性能；壓調(diào)節(jié)范圍，有利于提高電力系統(tǒng)的性能；從環(huán)保角度看，從環(huán)保角度看，超導(dǎo)變壓器采用液氮超導(dǎo)變壓器采用液氮進行冷卻，取代了常規(guī)變壓器所用的強迫油循環(huán)冷卻或空冷，進行冷卻，取代了常規(guī)變壓器所用的強迫油循環(huán)冷卻或空冷，降低了噪聲，避免降低了噪聲，避免了變壓器可能引起的火災(zāi)危險和由于泄露造成的環(huán)境污染。了變壓器可能引起的火災(zāi)危險和由于泄露造成的環(huán)境

37、污染。20022002年年, ,中科院電工研究所還完成了中科院電工研究所還完成了1Om /1.5kA1Om /1.5kA三相高溫超導(dǎo)交流輸電電纜的研制三相高溫超導(dǎo)交流輸電電纜的研制。結(jié)合高溫超導(dǎo)電纜的研制。結(jié)合高溫超導(dǎo)電纜的研制, , 中科院電工所還進行了高溫超導(dǎo)電纜帶材電流分布的均勻中科院電工所還進行了高溫超導(dǎo)電纜帶材電流分布的均勻性問題性問題電纜的電磁屏蔽技術(shù)電纜的電磁屏蔽技術(shù)電纜的高電壓絕緣和終端絕緣技術(shù)電纜的高電壓絕緣和終端絕緣技術(shù) 高溫超導(dǎo)高溫超導(dǎo)電纜的焊接技術(shù)電纜的焊接技術(shù) 高溫超導(dǎo)電纜的繞制技術(shù)高溫超導(dǎo)電纜的繞制技術(shù)高溫超導(dǎo)電纜冷卻技術(shù)高溫超導(dǎo)電纜冷卻技術(shù)高溫超高溫超導(dǎo)輸電電纜系

38、統(tǒng)監(jiān)控保護技術(shù)以及高溫超導(dǎo)帶材臨界電流和均勻性無接觸測量技術(shù)等研導(dǎo)輸電電纜系統(tǒng)監(jiān)控保護技術(shù)以及高溫超導(dǎo)帶材臨界電流和均勻性無接觸測量技術(shù)等研究究20 0 5 20 0 5 年年, , 中科院電工所與甘肅長通電纜公司中科院電工所與甘肅長通電纜公司 中科院理化技術(shù)研究所等合中科院理化技術(shù)研究所等合作作, , 研制出研制出75 m10. sk v/ 1.sk A 75 m10. sk v/ 1.sk A 三相交流高溫超導(dǎo)輸電電纜三相交流高溫超導(dǎo)輸電電纜, , 并于并于2 0 5 2 0 5 年底安裝在年底安裝在甘肅白銀長通電纜公司向車間供電運行。甘肅白銀長通電纜公司向車間供電運行。20052005年

39、年4 4月月, , 北京云電英納電纜公司研發(fā)出北京云電英納電纜公司研發(fā)出3 3 m 3 5k V /2 kA m 3 5k V /2 kA 三相交流高溫超導(dǎo)輸電電纜三相交流高溫超導(dǎo)輸電電纜, ,安裝在云南普吉變電站試驗運行。安裝在云南普吉變電站試驗運行。 近年來近年來, 有科學家以有科學家以YBCO陶瓷為材料陶瓷為材料, 做成的做成的 已應(yīng)用于臨床已應(yīng)用于臨床, 通過計算機將信號收集和處理后通過計算機將信號收集和處理后, 繪制出病人的心磁圖波形等心電圖形繪制出病人的心磁圖波形等心電圖形, 幫助醫(yī)生了解病人的情況。儀器成本低幫助醫(yī)生了解病人的情況。儀器成本低, 效果好效果好, 對冠心病的無創(chuàng)傷診

40、對冠心病的無創(chuàng)傷診斷、心肌缺血診斷、心肌影像形成等效果良好斷、心肌缺血診斷、心肌影像形成等效果良好, 具有很好的應(yīng)用前景。具有很好的應(yīng)用前景。 是一項是一項可縮小國內(nèi)外鋁型材加工企業(yè)技術(shù)水可縮小國內(nèi)外鋁型材加工企業(yè)技術(shù)水平差距，提高企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量、檔次和平差距，提高企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量、檔次和利潤附加值的創(chuàng)新技術(shù)（利潤附加值的創(chuàng)新技術(shù)（。（）與電磁剎車的原理類似，）與電磁剎車的原理類似， ，由于超導(dǎo)線圈在，由于超導(dǎo)線圈在超導(dǎo)態(tài)時運行電阻幾乎為零，所以在超導(dǎo)態(tài)時運行電阻幾乎為零，所以在線圈上大約線圈上大約10W10W的能耗就可以產(chǎn)生棒的能耗就可以產(chǎn)生棒材加熱需要的強磁場，超導(dǎo)感應(yīng)加熱材加熱需要的強磁場，超導(dǎo)感應(yīng)加熱器全部能耗的器全部能耗的 80%80%都轉(zhuǎn)換到鋁棒上了。都轉(zhuǎn)換到鋁棒上了。與傳統(tǒng)交流感應(yīng)加熱相比，用戶反饋與傳統(tǒng)交流感應(yīng)加熱相比，用戶反饋 目前世界上磁浮列車大致為兩種：目前世界上磁浮列車大致為兩種：一種以日本為代表，利用磁體排斥力的電動懸浮。一種以日本為代表，利用磁體排斥力的電動懸浮。是把電磁鐵安裝是把電磁鐵安裝在車體上，