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多歲的劍橋大學實驗物理研究生約瑟夫遜在著名科學家安德森指導(dǎo)下研究超導(dǎo)體能隙性質(zhì)，他提出在超導(dǎo)結(jié)中，電子對可以通過氧化層形成無阻的超導(dǎo)電流，這個現(xiàn)象稱作直流約瑟夫遜效應(yīng)。當外加直流電壓為V時，除直流超導(dǎo)電流之外，還存在交流電流，這個現(xiàn)象稱作交流約瑟夫遜效應(yīng)。將超導(dǎo)體放在磁場中，磁場透入氧化層，這時超導(dǎo)結(jié)的最大超導(dǎo)電流隨外磁場大小作有規(guī)律的變化。約瑟夫遜的這一重要發(fā)現(xiàn)為超導(dǎo)體中電子對運動提供了證據(jù)，使對超導(dǎo)現(xiàn)象本質(zhì)的認 識更加深入。約瑟夫森效應(yīng)成為微弱電磁信號探測和其他電子學應(yīng)用的基礎(chǔ)。 70年代超導(dǎo)列車成功地進行了載人可行性試驗。超導(dǎo)列車是在車上安裝強大的超導(dǎo)磁

2、體，地上安放一系列金屬環(huán)狀線圈。當車輛行進時，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。車輛在電機牽引下無摩擦地前進，時速可高達500千米。 1987年3月12日中國北京大學成功地用液氮進行超導(dǎo)磁懸浮實驗。 1987年日本鐵道綜合技術(shù)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(yè)公司展示了世界上第一個超導(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后提供給國際熱核聚變堆使用。這個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建造的超導(dǎo)船“大和”1號在日本神戶下水試航。超導(dǎo)船由船上的超導(dǎo)磁體產(chǎn)生強磁場，船兩側(cè)的正負電極使水中電流從船的一側(cè)向另一側(cè)流動，磁場和電流之間的洛化茲力驅(qū)動船舶高速前進。這種高速超導(dǎo)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(fā)船舶工業(yè)爆發(fā)一次革命，就像當年富爾頓發(fā)明輪船最后取代了帆船那樣。 1992年一個以巨型超導(dǎo)磁體為主的超導(dǎo)超級對撞機特大型設(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年改進高溫超導(dǎo)電線的研究工作取得進展，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 強磁場實驗裝置是開展強磁場下物理實驗的最基本條件。建立20T以上的穩(wěn)態(tài)強磁場裝置是復(fù)雜的涉及多學科和高難度的大型綜合性科學工程，其建設(shè)費用高，磁體裝置的運行費用也很高。正因為如此，目前國際上擁有20T以上的穩(wěn)態(tài)磁體的強磁場實驗中心僅分布在主要的工業(yè)大國。世界上第一個強磁場實驗室于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年代建立了強磁場實驗室。日本的強磁場實驗室建于80年代初。磁場水平由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建立新的國家強磁場實驗室,日本在筑波建立了新的強磁場實驗室,強場磁體技術(shù)有了長足的進步和發(fā)展，穩(wěn)態(tài)磁場水平近期可望達到40-50T。 伴隨著強磁場實驗室的建立，強磁場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年諾貝爾物理學獎。它是在20T穩(wěn)態(tài)強磁場中研究金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管輸運過程時觀測到的。近年來，有關(guān)強磁場下物理工作的文章對每個強磁場實驗室來說平均每年都在上百篇，其中有很多重要的科學發(fā)現(xiàn)。目前的發(fā)展趨勢普遍是將凝聚態(tài)物理學領(lǐng)域中前沿的研究對象如高溫超導(dǎo)材料、納米材料、低維系統(tǒng)等同強磁場極端條件相

6、結(jié)合加以研究。在Grenoble強磁場實驗室，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內(nèi)容，而在美國、日本等強磁場實驗室，則側(cè)重在高溫超導(dǎo)材料、低維系統(tǒng)、強關(guān)聯(lián)電子系統(tǒng)、人造超晶格以及新材料等方面。同時，強磁場下的化學反應(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，但尚未形成一個全國性的強磁場實驗中心，我國在10T以上穩(wěn)態(tài)強磁場下的系統(tǒng)的科學研究工作尚屬空白。為滿足國內(nèi)強磁場研究工作的需要，早在1984年中國科學院數(shù)理學部就組織論證，決策在等離子體物理研究所建立以20T穩(wěn)態(tài)強磁場裝置為主體的強磁場實驗室。該

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