超导体的发展历程

1911年：超导电性的发现1933年，迈斯纳和奥克森菲尔德两位科学家发现，如果把超导体放在磁场中冷却，则在材料电阻消失的同时，磁感应线将从超导体中排出，不能通过超导体，这种现象称为抗磁性。经过科学家们的努力，超导材料的磁电障碍已被跨越，下一个难关是突破温度障碍，即寻求高温超导材料。 超导现象 　1911年，荷兰科学家卡末林—昂内斯(Heike Kamerlingh-Onnes)用液氦冷却汞，当温度下降到4.2K时，水银的电阻完全消失，这种现象称为超导电性，此温度称为临界温度。根据临界温度的不同，超导材料可以被分为：高温超导材料和低温超导材料[1]。但这里所说的「高温」，其实仍然是远低于冰点0℃的，对一般人来说算是极低的温度。 1973年，发现超导合金――铌锗合金，其临界超导温度为23.2K，这一记录保持了近13年。1986年 1986年，设在瑞士苏黎世的美国IBM公司的研究中心报道了一种氧化物（镧钡铜氧化物）具有35K的高温超导性。此后，科学家们几乎每隔几天，就有新的研究成果出现。 1986年，美国贝尔实验室研究的超导材料，其临界超导温度达到40K，液氢的“温度壁垒”（40K）被跨越。 1987年 1987年，美国华裔科学家朱经武以及中国科学家赵忠贤相继在钇－钡－铜－氧系材料上把临界超导温度提高到90K以上，液氮的“温度壁垒”（77K）也被突破了。1987年底，铊－钡－钙－铜－氧系材料又把临界超导温度的记录提高到125K。从1986－1987年的短短一年多的时间里，临界超导温度提高了近100K。 来自德国、法国和俄罗斯的科学家利用中子散射技术，在高温超导体的一个成员单铜氧层Tl2Ba2CuO6＋δ中观察到了所谓的磁共振模式，进一步证实了这种模式在高温超导体中存在的一般性。该发现有助于对铜氧化物超导体机制的研究。 高温超导体具有更高的超导转变温度（通常高于氮气液化的温度），有利于超导现象在工业界的广泛利用。高温超导体的发现迄今已有16年，而对其不同于常规超导体的许多特点及其微观机制的研究，却仍处于相当“初级”的阶段。这一点不仅反映在没有一个单一的理论能够完全描述和解释高温超导体的特性，更反映在缺乏统一的、在各个不同体系上普遍存在的“本征”实验现象。本期Science所报道的结果意味着中子散射领域里一个长期存在的困惑很有可能得到解决。 超导体原料 早在1991年，法国物理学家利用中子散射技术在双铜氧层YBa2Cu3O6＋δ超导体单晶中发现了一个微弱的磁性信号。随后的实验证明，这种信号仅在超导体处于超导状态时才显著增强并被称为磁共振模式。这个发现表明电子的自旋以某种合作的方式产生一种集体的有序运动，而这是常规超导体所不具有的。这种集体运动有可能参与了电子的配对，并对超导机制负责，其作用类似于常规超导体内引起电子配对的晶格振动。但是，在另一个超导体La2－xSrxCuO4＋δ（单铜氧层）中，却无法观察到同样的现象。这使物理学家怀疑这种磁共振模式并非铜氧化物超导体的普遍现象。1999年，在Bi2Sr2CaCu2O8＋δ单晶上也观察到了这种磁共振信号。但由于Bi2Sr2CaCu2O8＋δ与YBa2Cu3O6＋δ一样，也具有双铜氧层结构，关于磁共振模式是双铜氧层的特殊表征还是“普遍”现象的困惑并未得到彻底解决。 理想的候选者应该是典型的高温超导晶体，结构尽可能简单，只具有单铜氧层。困难在于，由于中子与物质的相互作用很弱，只有足够大的晶体才可能进行中子散射实验。随着中子散射技术的成熟，对晶体尺寸的要求已降低到0.1厘米3的量级。晶体生长技术的进步，也使Tl2Ba2CuO6＋δ单晶体的尺寸进入毫米量级，而它正是一个理想的候选者。科学家把300个毫米量级的Tl2Ba2CuO6＋δ单晶以同一标准按晶体学取向排列在一起，构成一个“人造”单晶，“提前”达到了中子散射的要求。经过近两个月散射谱的搜集与反复验证，终于以确凿的实验数据显示在这样一个近乎理想的高温超导单晶上也存在磁共振模式。这一结果说明磁共振模式是高温超导的一个普遍现象。而La2－xSrxCuO4＋δ体系上磁共振模式的缺席只是“普遍”现象的例外，这可能与其结构的特殊性有关。 关于磁共振模式及其与电子间相互作用的理论和实验研究一直是高温超导领域的热点之一，上述结果将引起许多物理学家的关注与兴趣。 20世纪80年代是超导电性的探索与研究的黄金年代。1981年合成了有机超导体，1986年缪勒和柏诺兹发现了一种成分为钡、镧、铜、氧的陶瓷性金属氧化物LaBaCuO4，其临界温度约为35K。由于陶瓷性金属氧化物通常是绝缘物质，因此这个发现的意义非常重大，缪勒和柏诺兹因此而荣获了1987年度诺贝尔物理学奖。 1987年在超导材料的探索中又有新的突破，美国休斯顿大学物理学家朱经武小组与中国科学院物理研究所赵忠贤等人先后研制成临界温度约为90K的超导材料YBCO（钇铋铜氧）。 1988年 1988年初日本研制成临界温度达110K的Bi-Sr-Ca-Cu-O超导体。至此，人类终于实现了液氮温区超导体的梦想，实现了科学史上的重大突破。这类超导体由于其临界温度在液氮温度（77K）以上，因此被称为高温超导体。 自从高温超导材料发现以后，一阵超导热席卷了全球。科学家还发现铊系化合物超导材料的临界温度可达125K，汞系化合物超导材料的临界温度则高达135K。如果将汞置于高压条件下，其临界温度将能达到难以置信的164K。 1997年 1997年，研究人员发现，金铟合金在接近绝对零度时既是超导体同时也是磁体。1999年科学家发现钌铜化合物在45K时具有超导电性。由于该化合物独特的晶体结构，它在计算机数据存储中的应用潜力将是非常巨大的。 2007年 自２００７年１２月开始，中国科学院物理研究所的陈根富博士已投入到镧氧铁砷非掺杂单晶体的制备中。今年２月１８日，日本东京工业大学的细野秀雄教授和他的合作者在《美国化学会志》上发表了一篇两页的文章，指出氟掺杂镧氧铁砷化合物在零下247.15℃时即具有超导电性。在长期研究中保持着跨界关注习惯的陈根富和王楠林研究员立即捕捉到了这一消息的价值，王楠林小组迅速转向制作掺杂样品，他们在一周内实现了超导并测量了基本物理性质。 几乎与此同时，物理所闻海虎研究组通过在镧氧铁砷材料中用二价金属锶替换三价的镧，发现有临界温度为零下248.15℃以上的超导电性。 2008年 2008年３月２５日和３月２６日，中国科学技术大学陈仙辉组和物理所王楠林组分别独立发现临界温度超过零下233.15℃的超导体，突破麦克米兰极限，证实为非传统超导。 2008年３月２９日，中国科学院院士、物理所研究员赵忠贤领导的小组通过氟掺杂的镨氧铁砷化合物的超导临界温度可达零下２２１.１５℃，４月初该小组又发现无氟缺氧钐氧铁砷化合物在压力环境下合成超导临界温度可进一步提升至零下２１８.１５℃。

1911年，许多科学家发现，金属的电阻和它的温度条件有很大关系。温度高时，它的电阻就增加，温度低时电阻减少。并总结出一个金属电阻与温度之间的关系的理论公式。这时，荷兰物理学家昂尼斯为检验这个理论公式是否正确，就用水银作试验。他将水银冷却到-40℃时，亮晶晶的液体水银像“结冰”一样变成了固体，然后，他把水银拉成细丝，并继续降低温度。同时测量不同温度下固体水银的电阻，当温度降低到4K时，一个奇怪的现象发生了，水银的电阻突然变成了零。开始他不太相信这一结果，于是反复试验，但都是一样。这一发现轰动了世界的物理学界，后来科学家把这个现象叫超导现象，把电阻等于零的材料叫超导材料，而把出现超导现象的温度叫超导材料的“临界温度”。

昂尼斯和许多科学家后来又发现了28种超导元素和8000多种超导化合物材料。但出现超导现象的临界温度大多在接近绝对零度的极低温，没有什么经济价值，因为制造这种极低温本身就很花钱而且很困难。

为了寻找临界温度比较高的没有电阻的材料，世界上无数科学家奋斗了近60年，也没有取得什么进展。直到1973年，英美一些科学家才找到一种在23K出现超导现象的铌锗合金。此后这一记录又保持了10多年。

到了1986年，在瑞士国际商用公司实验室工作的贝特诺茨和缪勒从别人多次失败中吸取教训，放弃了在金属和合金中寻找超导材料的老观念，解放思想，终于发现一种镧铜钡氧陶瓷氧化物材料在43K这一较高温度下出现超导现象。这是一个了不起的成就，因此他们两人同时获得了1987年的诺贝尔物理学奖。

此后，美籍华人学者朱经武，中国物理学家赵忠贤在1987年相继发现了在78.5K和98K时出现超导现象的钇钡铜氧系高温超导材料。不久又发现铋锶钙氧铜系高温超导合金，在110K的温度就有超导现象；而后来发现的铊钡钙铜氧系合金的超导温度更接近室温，达120K。这样，超导材料就可以在液氮中工作了。这可以说是20世纪内科学技术上的重大突破，也是超导技术发展史上的一个新的里程碑。

至今，对高温超导材料的研究仍然方兴未艾。1991年，美国和日本的科学家又发现了球状碳分子C-60在掺钾、铯、钕等元素后，也有超导性。有些科学家预料，球状碳分子C-60经过掺金属后，将来有可能在室温下出现超导现象，那时，超导材料就有可能像半导体材料一样，在世界引起一场工业和技术革命。

超导材料应用的社会效益和经济效益，首先将表现在大功率远距离输电方面。前面我们已经谈到，目前全世界仅在电力输送上，由于线路电阻而消耗的电能约为全世界总发电量的20%左右，如果利用超导材料制成新型输电线材，那么，必将节省大量的电能损耗，对促进社会、经济的发展，将发挥十分巨大的作用。

利用超导线圈储能是超导材料的又一大作用。据有关专家估算，超导线圈的储能效果是通常水冷铜导线线圈储能的100～1000倍，而超导线圈本身并无电能损耗，只需消耗一定的制冷功率即可。对此，有位美国科学家已经实验成功。这一实验给人们很大的启示：在日常生活中，白天和傍晚，人们用电总是最多的，而到了深夜，电就用得少了。要是有一个很大的电力“仓库”，能及时地把多余的电能储存起来，到了急需时再放出来，那该有多好啊！

于是，科学家们提出了超导线圈储能的设想——

在地下很深的地方，挖一个直径有100多米，上中下分三层的大坑，里面充满着超低温的液态氦气，把超导金属做成的线圈浸没在里面，这就做成了超导储能装置。要是平时有多余的电能，就可以存到超导线圈里面去，需要时随时都可以拿出来使用。由于它没有电阻的损耗，还可以长期地保存下去。有关科学家估计，到那时，世界上将出现可储存100万度电的超导设备，人们就再也不要为用电的不平衡而烦恼了。

55为什么超导材料能把几十上百吨的列车浮起来呢？

超导材料的另一个非常有前途的用处是制造磁悬浮列车。其实道理很简单。摆弄过磁铁的人，对这一点一定很容易理解。当把一块磁铁的北极（或南极）和另一块磁铁的南极（或北极）挨近时，它们会立即吸在一起。但如果把一块磁铁的北极和另一块磁铁的北极靠近，它们就总是挨不到一块，即使用力把他们挤在一起，只要一松手，它们就会立即分开。这是因为在它们之间有一种排斥力。磁悬浮列车就是利用磁铁同极相斥的原理制成的。

但磁悬浮列车上的磁铁不是常见的那种磁铁块（即永久磁铁），而是电磁铁。电磁铁外有一个用导线绕成的线圈，线圈中有电流通过时，铁就产生磁力，只要线圈中一断电，铁就立即失去磁力。

电磁铁的线圈有两种，一种是普通的铜导线绕成的，另一种则是用超导材料导线制成的。要想把几十上百吨的列车悬空浮起来，电磁铁之间的排斥力起码得有几十上百吨。而电磁铁之间的排斥力和通过电磁线圈中的电流有直接关系，也就是说，只有通过很大的电流，才能产生很大的磁力。

但普通的铜导线有电阻，电流一大，铜导线就会发热，电流过大时，还可能使导线烧毁。所以铜导线通过的电流大小受到限制，例如直径1毫米的铜导线，只能通过6安培左右的电流，否则就会过热烧毁。

为了使铜导线通过更大的电流，需要加大导线直径，增加冷却设备，这样就会使磁悬浮列车本身的重量加重，这对提高列车的行驶速度不利。怎样才能使磁悬浮列车本身的重量减轻，又能让电磁铁产生很大的磁力呢？这似乎是一个难以克服的困难。但自从有了超导材料后，就有了克服这一困难的希望。

因为超导材料没有电阻，多大的电流通过它也不会产生焦耳热，也不会有电阻产生的损耗。因此，目前世界上许多国家都在争先恐后地研究和开发超导磁悬浮列车。超导磁悬浮列车因为不和铁轨接触，没有摩擦力，只有空气产生的阻力，因此时速可达到550公里，和普通的民航飞机的速度差不多。如果将磁悬浮列车装在真空隧道中运行，速度可达每小时1600公里，比超音速飞机还快。但建造这种隧道很难，因而不易实现。

我国在90年代初开始研制磁悬浮列车，并在“八五”末期研制出第一辆试验性磁悬浮列车，它没有车轮，依靠磁排斥力使车体浮起来10毫米左右。用直线电动机推进。这辆磁悬浮列车是由铁道部长春客车工厂制造的，铁道科学院、国防科技大学、西南交通大学、长沙铁道学院、大连铁道学院等单位共同参加了研制。

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