超導(dǎo)體寧夏大學(xué)

1、 超 導(dǎo) 體班 級(jí)：02級(jí)化教（2）班1一.超導(dǎo)的定義 從著名的萊頓大學(xué)低溫實(shí)驗(yàn)室里傳出了一個(gè)驚人的消息：水銀在零下269 攝氏度的條件下，它的電阻消失了,象這樣的現(xiàn)象就被稱為超導(dǎo)現(xiàn)象。2二.超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn) 高溫超導(dǎo)陶瓷化金屬材料的出現(xiàn)，使人們第一次可在液氮溫區(qū)應(yīng)用超導(dǎo)材料，從而引起了科學(xué)界的高度重視，成為20世紀(jì)80年代最重大的科技成果被載入史冊(cè)，同時(shí)也促進(jìn)了科學(xué)家們開始思考“室溫超導(dǎo)體是否存在”的問題。 3 自1911年荷蘭物理學(xué)家?？丝职耗崴故状伟l(fā)現(xiàn)汞在4.2K(-268.8)下出現(xiàn)超導(dǎo)性能后，科學(xué)家們一直在致力于探索高臨界溫度的超導(dǎo)材料。但在發(fā)現(xiàn)物質(zhì)具有超導(dǎo)性以后的最初20多年時(shí)間里，

2、由于科學(xué)家們家們始終把目光鎖定在金屬材料中，以致一直沒有找到臨界溫度能超過最初發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)體。4 直到1930年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)一種化合物氧化鋁在15K的溫度下能產(chǎn)生超導(dǎo)性后，豁然開悟：原來化合物的起始轉(zhuǎn)變溫度要高于所有元素。在此后50多年的時(shí)間里，一系列具有超導(dǎo)性的化合物被陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，一些金屬及合金的超導(dǎo)性能也相繼被發(fā)現(xiàn)。5 到了1986年，米勒和貝德諾爾茨終于打破了尋找高溫超導(dǎo)體的僵局：他們不僅首次使物質(zhì)的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度超過30K達(dá)到了35K，而且成為大量發(fā)現(xiàn)高溫超導(dǎo)體的第一例，真正向世人展示了超導(dǎo)體廣泛應(yīng)用的美好前景。1987年，美國科學(xué)家保羅楚發(fā)現(xiàn)了另一種起始轉(zhuǎn)變溫度在-179的陶瓷材料。隨后的

3、發(fā)現(xiàn)便一發(fā)不可收拾，90K、110K、125K、135K超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的紀(jì)錄不斷被刷新。此時(shí)，BCS理論就較難用于解釋高溫超導(dǎo)電性了，人類對(duì)高溫超導(dǎo)的機(jī)制研究還有待發(fā)展。 6由于絕大多數(shù)的有機(jī)化合物都是絕緣體，所以長期以來，在人們的觀念中不會(huì)把超導(dǎo)性和有機(jī)固體聯(lián)系起來。事實(shí)上，自1972年第一個(gè)具有金屬電導(dǎo)性的有機(jī)晶體問世后，科學(xué)家又進(jìn)入了對(duì)有機(jī)導(dǎo)體的研究階段。在1979年，巴黎大學(xué)和哥本哈根大學(xué)的兩位科學(xué)家合作發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)有機(jī)超導(dǎo)體，轉(zhuǎn)變溫度為0.9K，它是電荷轉(zhuǎn)移鹽類的有機(jī)單晶。這個(gè)發(fā)現(xiàn)結(jié)束了人們關(guān)于有機(jī)超導(dǎo)體是否存在的疑慮，大大促進(jìn)了有機(jī)超導(dǎo)體研究工作的發(fā)展。7 到目前為止，科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)

4、現(xiàn)了40多種電荷轉(zhuǎn)移鹽類的超導(dǎo)體，最高轉(zhuǎn)變溫度也已超過了30K。 高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)，為超導(dǎo)材料的廣泛應(yīng)用開辟了廣闊前景?？茖W(xué)家們相信，它在研制高性能電腦、聚變反應(yīng)堆、發(fā)電站及電動(dòng)機(jī)等領(lǐng)域?qū)?huì)產(chǎn)生巨大的效益。事實(shí)上，到20世紀(jì)末，采用超導(dǎo)技術(shù)建造的超導(dǎo)發(fā)電站已經(jīng)在安裝之中了。 8三.超導(dǎo)及超導(dǎo)材料 超導(dǎo)是指某些物體當(dāng)溫度下降至一定溫度時(shí)，電阻突然趨近于零的現(xiàn)象。具有這種特性的材料稱為超導(dǎo)材料。9超導(dǎo)材料的應(yīng)用 近十年來，超導(dǎo)材料在超導(dǎo)輸電、超導(dǎo)強(qiáng)磁場(chǎng)的產(chǎn)生、超導(dǎo)儲(chǔ)能、超導(dǎo)體的磁懸浮列車等方面得到了廣泛的應(yīng)用。10高溫超導(dǎo)材料 科學(xué)家們一直在努力尋找轉(zhuǎn)變溫度在一196以上的超導(dǎo)材料、因?yàn)楦哂谶@個(gè)溫

5、度，就可以用廉價(jià)的液氮來冷卻，一旦發(fā)現(xiàn)液氮溫區(qū)超導(dǎo)材料，就意味著向?qū)嵱没~進(jìn)了一大步。80年代后期，液氮溫區(qū)超導(dǎo)電性的發(fā)現(xiàn)、在超導(dǎo)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中開辟了實(shí)際應(yīng)用的廣闊前景，在全世界范圍興起超導(dǎo)熱。在發(fā)現(xiàn)液氮溫區(qū)超導(dǎo)氧化物材料中，我國科學(xué)家曾做出過重要的貢獻(xiàn)。11 我國在新型高臨界溫度超導(dǎo)材料的探索，高溫超導(dǎo)機(jī)理，銅氧化物超導(dǎo)材料的相關(guān)系和晶體結(jié)構(gòu)，釔系、鉍系和鉈系超導(dǎo)銅氧化物材料實(shí)用成材技術(shù)、薄膜技術(shù)有關(guān)的材料科學(xué)基礎(chǔ)性研究，高臨界溫度超導(dǎo)電性研究等領(lǐng)域一直保持或接近世界前沿。12四.國科技50年超導(dǎo)之戰(zhàn) 電，是現(xiàn)代社會(huì)最重要的動(dòng)力來源，人類一直在竭力追求強(qiáng)大電流的應(yīng)用，但線路中的電阻，卻是一個(gè)

6、很大的障礙。目前我國發(fā)電量的15要浪費(fèi)在輸電線路上，每年損失電能達(dá)900多億度，主要原因就是電阻。如果能把電阻降低到零，一個(gè)全新的世界將出現(xiàn)在我們面前。 13 由于輸電線路電力消耗的減少，我國每年節(jié)省的電能相當(dāng)于現(xiàn)有核電站發(fā)電總量的6倍；用超導(dǎo)材料制造發(fā)電機(jī)，輸出功率將提高20倍以上；超導(dǎo)磁懸浮列車實(shí)現(xiàn)商業(yè)運(yùn)行，從北京到廣州只需靜悄悄的45個(gè)小時(shí)；用超導(dǎo)體制造天線，可使效率提高幾百倍，傳統(tǒng)天線將實(shí)現(xiàn)小型化、輕量化，在軍事和民用領(lǐng)域都將有廣闊的市場(chǎng)；目前，能發(fā)現(xiàn)剛剛出現(xiàn)的小腫瘤的超導(dǎo)核磁共振儀已經(jīng)上市，從而許多腫瘤都能及時(shí)治療。14 導(dǎo)應(yīng)用已經(jīng)在世界范圍內(nèi)開始。預(yù)計(jì)在2010年，世界超導(dǎo)材料將達(dá)

7、900億美元，2020年將達(dá)2000億美元。誰研究得快，誰就占有更多的機(jī)會(huì)。15 新中國成立后我國科學(xué)家在低溫技術(shù)領(lǐng)域取得了很大進(jìn)步，1959年靠自力更生實(shí)現(xiàn)了氦的液化，使中國具備了研究超導(dǎo)的基本條件，并研制出了超導(dǎo)線材。 16 1987年1月，中科院物理所率先獲得了48.6K的高溫超導(dǎo)體，并觀察到70K的超導(dǎo)現(xiàn)象，已經(jīng)接近77K的液氮溫區(qū)，前景一片光明。 17五.我國制成米長的鉍系高溫超導(dǎo)長導(dǎo)線 近日，清華近大學(xué)應(yīng)用超導(dǎo)研究中心成功研制成米鉍系高溫超導(dǎo)導(dǎo)線。這是我國目前高溫超導(dǎo)長導(dǎo)線的最新記錄，標(biāo)志著我國已掌握了處于世界先進(jìn)水平的超導(dǎo)線材產(chǎn)業(yè)化技術(shù)。 18 此次研制成功的高溫超導(dǎo)導(dǎo)線為芯，長

8、米、寬毫米，厚毫米，截面面積為平方毫米。在零外磁場(chǎng)下導(dǎo)線的臨界電流大于安培，工程臨界電流密度達(dá)每平方厘米安培（測(cè)試溫度為零下攝氏度）。相比其它使用純銀包縛的導(dǎo)線，這種導(dǎo)線由于使用了銀合金，其機(jī)械強(qiáng)度更高。導(dǎo)線表面均勻涂有絕緣物質(zhì)，無氣泡等缺陷，具有較好的使用性能。這表明此長導(dǎo)線的綜合性能已達(dá)到世界先進(jìn)水平。 19 高溫超導(dǎo)材料一般是指在液氮溫度（零下攝氏度）電阻可接近零的超導(dǎo)材料。同樣直徑的高溫超導(dǎo)材料和普通銅材料相比，前者的導(dǎo)電能力是后者的倍以上。正因?yàn)槠鋼p耗小，制成器件的體積小、重量輕、效率高，高溫超導(dǎo)材料可廣泛應(yīng)用于民用和國防領(lǐng)域，如制造超導(dǎo)變壓器、超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)電機(jī)、超導(dǎo)磁懸浮列車等，

9、是對(duì)國民經(jīng)濟(jì)、國防建設(shè)具有重大戰(zhàn)略意義的新材料。 20 科學(xué)家認(rèn)為，正如光纖的發(fā)明催生出嶄新的信息時(shí)代，高溫超導(dǎo)材料也將帶來電力工業(yè)史上劃時(shí)代的革命。 21六.超導(dǎo)材料的應(yīng)用 超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展概況 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)。 22放在將超導(dǎo)體磁場(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

10、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)。23 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。24 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。25 1991年10月日本原子能

11、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)材料是鈮和錫的化合物。26 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。27 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。 28目前國內(nèi)外的研究狀況及

12、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。 29 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)

13、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40-50T30 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。 31 該裝置于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

14、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。32超導(dǎo)科學(xué)研究1.非常規(guī)超導(dǎo)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。 332.強(qiáng)磁場(chǎng)下的低維凝聚態(tài)特性研究 低維性使得低維體系表現(xiàn)出三維體系所沒有的特性。低維不穩(wěn)定性導(dǎo)致了多種有序相。強(qiáng)磁場(chǎng)是揭示低維凝聚態(tài)特性的有效手段。 343.強(qiáng)磁場(chǎng)下的半導(dǎo)體材料的光、電等特性 強(qiáng)磁場(chǎng)技術(shù)對(duì)半導(dǎo)體科學(xué)的發(fā)展愈益變得重要，因?yàn)樵诟鞣N物理因素中，外磁場(chǎng)是唯一在保持晶體結(jié)構(gòu)

15、不變的情況下改變動(dòng)量空間對(duì)稱性的物理因素，因而在半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)研究以及元激發(fā)及其互作用研究中，磁場(chǎng)有著特別重要的作用。 354.強(qiáng)磁場(chǎng)下極微細(xì)尺度中的物理問題 極微細(xì)尺度體系中出現(xiàn)許多常規(guī)材料不具備的新現(xiàn)象和奇異特性，這與這類材料的微結(jié)構(gòu)特別是電子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。強(qiáng)磁場(chǎng)為研究極微細(xì)尺度體系的電子態(tài)和輸運(yùn)特性提供強(qiáng)有力的手段，不但能進(jìn)一步揭示這類材料在常規(guī)條件下難以出現(xiàn)的奇異現(xiàn)象，而且為在更深層次下認(rèn)識(shí)其物理特性提供豐富的科學(xué)信息。 365.強(qiáng)磁場(chǎng)化學(xué) 強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)化學(xué)反應(yīng)電子自旋和核自旋的作用，可導(dǎo)致相應(yīng)化學(xué)鍵的松馳，造成新鍵生成的有利條件，誘發(fā)一般條件下無法實(shí)現(xiàn)的物理化學(xué)變化，獲得原來無法制備的新

16、材料和新化合物。 376.磁場(chǎng)下的生物學(xué)、生物醫(yī)學(xué)研究等38磁體科學(xué)和技術(shù) 強(qiáng)磁場(chǎng)的價(jià)值在于對(duì)物理學(xué)知識(shí)有重要貢獻(xiàn)。八十年代的一個(gè)概念上的重要進(jìn)展是量子霍爾效應(yīng)和分?jǐn)?shù)量子霍耳效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)。這是在強(qiáng)磁場(chǎng)下研究二維電子氣的輸運(yùn)現(xiàn)象時(shí)發(fā)現(xiàn)的（獲85年諾貝爾獎(jiǎng)）。 39 量子霍爾效應(yīng)和分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)激起物理學(xué)家探索其起源的熱情，并在建立電阻的自然基準(zhǔn)，精確測(cè)定基本物理常數(shù)，和精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)(/(等應(yīng)用方面，已顯示巨大意義。高溫超導(dǎo)電性機(jī)理的最終揭示在很大程度上也將依賴于人們?cè)趶?qiáng)磁場(chǎng)下對(duì)高溫超導(dǎo)體性能的探索。40 因此，研究強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)化學(xué)反應(yīng)過程、表面催化過程、材料特別是磁性材料的生成過程、生物效應(yīng)以

17、及液晶的生成過程等的影響，有可能取得新的發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生交叉學(xué)科的新課題。強(qiáng)磁場(chǎng)應(yīng)用于材料科學(xué)為新的功能材料的開發(fā)另辟新徑，這方面的工作在國外備受重視，在國內(nèi)也開始有所要求。 41 高溫超導(dǎo)體也正是因?yàn)樵谖磥淼膹?qiáng)電領(lǐng)域中蘊(yùn)藏著不可估量的應(yīng)用前景才引起科技界乃至各國政府的高度重視。因此，強(qiáng)磁場(chǎng)下的物理、化學(xué)等研究，無論是從基礎(chǔ)研究的角度還是從應(yīng)用角度考慮都具有非常重要的科學(xué)和技術(shù)上的意義，通過這一研究，不僅有助于將當(dāng)代的基礎(chǔ)性研究向更深層次開拓，而且還會(huì)對(duì)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著重要的推動(dòng)作用。42近期的研究課題1.強(qiáng)磁場(chǎng)下低維系統(tǒng)的輸運(yùn)性質(zhì)和Shubnikov-deHaas效應(yīng) 層狀鈣鈦結(jié)構(gòu)La-M-Mn

18、 O(M=Ca,Sr,Ba)體系是1994年剛觀察到巨大的巨磁阻效應(yīng)的單位體系，其形成機(jī)制尚不清楚，并且到目前為止僅限于電阻的磁場(chǎng)關(guān)系和溫度關(guān)系研究，其他輸運(yùn)性質(zhì)的測(cè)量尚未見報(bào)道。 43 有機(jī)導(dǎo)體和超導(dǎo)體，由于小的電子有效質(zhì)量和高的遷移率，1020T強(qiáng)磁場(chǎng)可以滿足觀察量子振蕩現(xiàn)象的必要條件。我們將利用磁阻測(cè)量中的Shubnikov-deHaas效應(yīng)，研究有機(jī)導(dǎo)體和有機(jī)超導(dǎo)體的費(fèi)米面性質(zhì)作為主要目標(biāo)，并研究其它輸運(yùn)性質(zhì)。44 以上研究中微弱信號(hào)的檢測(cè)是這一研究中的關(guān)鍵技術(shù)之一，我們已經(jīng)建立，有待進(jìn)一步提高。高的樣品質(zhì)量是這研究的另一重要問題。否則，量子振蕩會(huì)因?yàn)榱孔榆壍朗艿脚鲎捕：磺?。我們擬利用高質(zhì)量的單晶或外延薄膜滿足這一要求。452.高溫超導(dǎo)體磁通動(dòng)力學(xué)及高溫超導(dǎo)機(jī)理的探索 高溫超導(dǎo)機(jī)理雖進(jìn)行了大量的