超導體寧夏大學

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

2、由于科學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)現的超導體。4 直到1930年，科學家發(fā)現一種化合物氧化鋁在15K的溫度下能產生超導性后，豁然開悟：原來化合物的起始轉變溫度要高于所有元素。在此后50多年的時間里，一系列具有超導性的化合物被陸續(xù)發(fā)現，一些金屬及合金的超導性能也相繼被發(fā)現。5 到了1986年，米勒和貝德諾爾茨終于打破了尋找高溫超導體的僵局：他們不僅首次使物質的超導轉變溫度超過30K達到了35K，而且成為大量發(fā)現高溫超導體的第一例，真正向世人展示了超導體廣泛應用的美好前景。1987年，美國科學家保羅楚發(fā)現了另一種起始轉變溫度在-179的陶瓷材料。隨后的

3、發(fā)現便一發(fā)不可收拾，90K、110K、125K、135K超導轉變溫度的紀錄不斷被刷新。此時，BCS理論就較難用于解釋高溫超導電性了，人類對高溫超導的機制研究還有待發(fā)展。 6由于絕大多數的有機化合物都是絕緣體，所以長期以來，在人們的觀念中不會把超導性和有機固體聯系起來。事實上，自1972年第一個具有金屬電導性的有機晶體問世后，科學家又進入了對有機導體的研究階段。在1979年，巴黎大學和哥本哈根大學的兩位科學家合作發(fā)現了第一個有機超導體，轉變溫度為0.9K，它是電荷轉移鹽類的有機單晶。這個發(fā)現結束了人們關于有機超導體是否存在的疑慮，大大促進了有機超導體研究工作的發(fā)展。7 到目前為止，科學家們已經發(fā)

4、現了40多種電荷轉移鹽類的超導體，最高轉變溫度也已超過了30K。 高溫超導體的發(fā)現，為超導材料的廣泛應用開辟了廣闊前景?？茖W家們相信，它在研制高性能電腦、聚變反應堆、發(fā)電站及電動機等領域將會產生巨大的效益。事實上，到20世紀末，采用超導技術建造的超導發(fā)電站已經在安裝之中了。 8三.超導及超導材料 超導是指某些物體當溫度下降至一定溫度時，電阻突然趨近于零的現象。具有這種特性的材料稱為超導材料。9超導材料的應用 近十年來，超導材料在超導輸電、超導強磁場的產生、超導儲能、超導體的磁懸浮列車等方面得到了廣泛的應用。10高溫超導材料 科學家們一直在努力尋找轉變溫度在一196以上的超導材料、因為高于這個溫

5、度，就可以用廉價的液氮來冷卻，一旦發(fā)現液氮溫區(qū)超導材料，就意味著向實用化邁進了一大步。80年代后期，液氮溫區(qū)超導電性的發(fā)現、在超導科學技術領域中開辟了實際應用的廣闊前景，在全世界范圍興起超導熱。在發(fā)現液氮溫區(qū)超導氧化物材料中，我國科學家曾做出過重要的貢獻。11 我國在新型高臨界溫度超導材料的探索，高溫超導機理，銅氧化物超導材料的相關系和晶體結構，釔系、鉍系和鉈系超導銅氧化物材料實用成材技術、薄膜技術有關的材料科學基礎性研究，高臨界溫度超導電性研究等領域一直保持或接近世界前沿。12四.國科技50年超導之戰(zhàn) 電，是現代社會最重要的動力來源，人類一直在竭力追求強大電流的應用，但線路中的電阻，卻是一個

6、很大的障礙。目前我國發(fā)電量的15要浪費在輸電線路上，每年損失電能達900多億度，主要原因就是電阻。如果能把電阻降低到零，一個全新的世界將出現在我們面前。 13 由于輸電線路電力消耗的減少，我國每年節(jié)省的電能相當于現有核電站發(fā)電總量的6倍；用超導材料制造發(fā)電機，輸出功率將提高20倍以上；超導磁懸浮列車實現商業(yè)運行，從北京到廣州只需靜悄悄的45個小時；用超導體制造天線，可使效率提高幾百倍，傳統(tǒng)天線將實現小型化、輕量化，在軍事和民用領域都將有廣闊的市場；目前，能發(fā)現剛剛出現的小腫瘤的超導核磁共振儀已經上市，從而許多腫瘤都能及時治療。14 導應用已經在世界范圍內開始。預計在2010年，世界超導材料將達

7、900億美元，2020年將達2000億美元。誰研究得快，誰就占有更多的機會。15 新中國成立后我國科學家在低溫技術領域取得了很大進步，1959年靠自力更生實現了氦的液化，使中國具備了研究超導的基本條件，并研制出了超導線材。 16 1987年1月，中科院物理所率先獲得了48.6K的高溫超導體，并觀察到70K的超導現象，已經接近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長導線 近日，清華近大學應用超導研究中心成功研制成米鉍系高溫超導導線。這是我國目前高溫超導長導線的最新記錄，標志著我國已掌握了處于世界先進水平的超導線材產業(yè)化技術。 18 此次研制成功的高溫超導導線為芯，長

8、米、寬毫米，厚毫米，截面面積為平方毫米。在零外磁場下導線的臨界電流大于安培，工程臨界電流密度達每平方厘米安培（測試溫度為零下攝氏度）。相比其它使用純銀包縛的導線，這種導線由于使用了銀合金，其機械強度更高。導線表面均勻涂有絕緣物質，無氣泡等缺陷，具有較好的使用性能。這表明此長導線的綜合性能已達到世界先進水平。 19 高溫超導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材料。同樣直徑的高溫超導材料和普通銅材料相比，前者的導電能力是后者的倍以上。正因為其損耗小，制成器件的體積小、重量輕、效率高，高溫超導材料可廣泛應用于民用和國防領域，如制造超導變壓器、超導電纜、超導電機、超導磁懸浮列車等，

9、是對國民經濟、國防建設具有重大戰(zhàn)略意義的新材料。 20 科學家認為，正如光纖的發(fā)明催生出嶄新的信息時代，高溫超導材料也將帶來電力工業(yè)史上劃時代的革命。 21六.超導材料的應用 超導技術的發(fā)展概況 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。 22放在將超導體磁場中，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(guī)律的變化。約瑟夫遜的這一重要發(fā)現為超導體中電

10、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應用的基礎。23 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(huán)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。24 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(yè)公司展示了世界上第一個超導磁體。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材料是鈮和錫的化合物。26 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，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年改進高溫超導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、銅和氧制成的線纏繞到一根保持超導溫度的液氮的空管子上。 28目前國內外的研究狀況及

12、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)強磁場裝置是復雜的涉及多學科和高難度的大型綜合性科學工程，其建設費用高，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。 29 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

13、磁體技術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40-50T30 在中國雖有一些6T-12T的超導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。為滿足國內強磁場研究工作的需要，早在1984年中國科學院數理學部就組織論證，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。 31 該裝置于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

14、情況后非常感慨地說：過去中國沒有強磁場條件，對有關強磁場下的物理工作連想都不敢想，現在有了強磁場條件我們應該好好的考慮考慮這方面的問題了。32超導科學研究1.非常規(guī)超導力學和超導機理 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、起因及其與磁場和溫度的關系，臨界電流密度與磁場和溫度的依賴關系及各向異性。 332.強磁場下的低維凝聚態(tài)特性研究 低維性使得低維體系表現出三維體系所沒有的特性。低維不穩(wěn)定性導致了多種有序相。強磁場是揭示低維凝聚態(tài)特性的有效手段。 343.強磁場下的半導體材料的光、電等特性 強磁場技術對半導體科學的發(fā)展愈益變得重要，因為在各種物理因素中，外磁場是唯一在保持晶體結構

15、不變的情況下改變動量空間對稱性的物理因素，因而在半導體能帶結構研究以及元激發(fā)及其互作用研究中，磁場有著特別重要的作用。 354.強磁場下極微細尺度中的物理問題 極微細尺度體系中出現許多常規(guī)材料不具備的新現象和奇異特性，這與這類材料的微結構特別是電子結構密切相關。強磁場為研究極微細尺度體系的電子態(tài)和輸運特性提供強有力的手段，不但能進一步揭示這類材料在常規(guī)條件下難以出現的奇異現象，而且為在更深層次下認識其物理特性提供豐富的科學信息。 365.強磁場化學 強磁場對化學反應電子自旋和核自旋的作用，可導致相應化學鍵的松馳，造成新鍵生成的有利條件，誘發(fā)一般條件下無法實現的物理化學變化，獲得原來無法制備的新

16、材料和新化合物。 376.磁場下的生物學、生物醫(yī)學研究等38磁體科學和技術 強磁場的價值在于對物理學知識有重要貢獻。八十年代的一個概念上的重要進展是量子霍爾效應和分數量子霍耳效應的發(fā)現。這是在強磁場下研究二維電子氣的輸運現象時發(fā)現的（獲85年諾貝爾獎）。 39 量子霍爾效應和分數量子霍爾效應的發(fā)現激起物理學家探索其起源的熱情，并在建立電阻的自然基準，精確測定基本物理常數，和精細結構常數(/(等應用方面，已顯示巨大意義。高溫超導電性機理的最終揭示在很大程度上也將依賴于人們在強磁場下對高溫超導體性能的探索。40 因此，研究強磁場對化學反應過程、表面催化過程、材料特別是磁性材料的生成過程、生物效應以

17、及液晶的生成過程等的影響，有可能取得新的發(fā)現，產生交叉學科的新課題。強磁場應用于材料科學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，在國內也開始有所要求。 41 高溫超導體也正是因為在未來的強電領域中蘊藏著不可估量的應用前景才引起科技界乃至各國政府的高度重視。因此，強磁場下的物理、化學等研究，無論是從基礎研究的角度還是從應用角度考慮都具有非常重要的科學和技術上的意義，通過這一研究，不僅有助于將當代的基礎性研究向更深層次開拓，而且還會對國民經濟的發(fā)展起著重要的推動作用。42近期的研究課題1.強磁場下低維系統(tǒng)的輸運性質和Shubnikov-deHaas效應 層狀鈣鈦結構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的單位體系，其形成機制尚不清楚，并且到目前為止僅限于電阻的磁場關系和溫度關系研究，其他輸運性質的測量尚未見報道。 43 有機導體和超導體，由于小的電子有效質量和高的遷移率，1020T強磁場可以滿足觀察量子振蕩現象的必要條件。我們將利用磁阻測量中的Shubnikov-deHaas效應，研究有機導體和有機超導體的費米面性質作為主要目標，并研究其它輸運性質。44 以上研究中微弱信號的檢測是這一研究中的關鍵技術之一，我們已經建立，有待進一步提高。高的樣品質量是這研究的另一重要問題。否則，量子振蕩會因為量子軌道受到碰撞而模糊不清。我們擬利用高質量的單晶或外延薄膜滿足這一要求。452.高溫超導體磁通動力學及高溫超導機理的探索 高溫超導機理雖進行了大量的