超导体 (英语:Superconductor ),指可以在特定温度以下,呈现电阻 为零的导体 。零电阻和完全抗磁性 是超导体的两个重要特性。超导体电阻转变为零的温度,称为超导临界温度,据此超导材料可以分为低温超导体 和高温超导体 。这里的“高温”是相对于绝对零度 而言的,其实远低于冰点 摄氏 0℃。科学家一直在寻求提高超导材料的临界温度,目前高温超导体的最高温度记录是马克普朗克研究所的203K(-70°C)。因为零电阻特性,超导材料在生成强磁场方面有许多应用,如MRI核磁共振成像 等。
超导迈斯纳效应
1911年,荷兰 科学家海克·卡末林·昂内斯 用液氦 冷却汞 ,当温度下降到绝对温标 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。
1933年,瓦尔特·迈斯纳 和罗伯特·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,这种抗磁性 现象称为迈斯纳效应 。目前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。
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,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,阿拉巴马大学亨茨维尔分校 的台湾科学家吴茂昆 及其研究生(Ashburn和Torng),与休斯顿大学 的台湾科学家朱经武 和他的学生共同发现了钇钡铜氧 ,这是首个超导温度在77K以上的材料,突破了液氮的“温度壁垒”(77K)。[ 1] [ 2] [ 3] [ 4] [ 5] [ 6] [ 7] [ 8] 从此,科学家可以使用便宜的液氮而非昂贵的液氦研究超导体,这引发了对新型高温超导材料的研究热潮。随后,中国大陆科学家赵忠贤 以及台湾科学家朱经武 相继在钇 -钡-铜-氧系材料上把临界超导温度提高到90K以上。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。
2001年,二硼化镁(MgB2 )被发现其超导临界温度达到39K [ 9] 。此化合物的发现,打破了非铜氧化物超导体(non-cuprate superconductor)的临界温度纪录。
1990至2000年代,具ZrCuAsSi结构的稀土过渡金属氮磷族化合物(rare-earth transition-metal oxypnictide, ReTmPnO)陆续被发现[ 10] [ 11] 。但并未有人发现其中的超导现象。
2008年,日本的细野秀雄 团队发现在铁基氮磷族氧化物 (iron-based oxypnictide)中,将部分氧以掺杂的方式用氟作部分取代,可使LaFeAsO1-x Fx 的临界温度达到26K[ 12] ,在加压后(4 GPa)甚至可达到43K[ 13] 。其后,中国的闻海虎 团队,发现在以锶取代稀土元素之后,La1-x Srx FeAsO亦可达到临界温度25K[ 14] 。其后,中国的科学家陈仙辉 、赵忠贤 等人,发现将镧以其他稀土元素作取代,则可得到更高的临界温度;其中,SmFeAs[O0.9 F0.1 ]可达55K[ 15] [ 16] 。另外,将铁以钴取代(LaFe1-x Cox AsO),稀土元素以钍取代(Gd1-x Thx FeAsO),或是利用氧缺陷(LaFeAsO1-δ )等方式,也都可以引发超导[ 17] [ 18] [ 19] 。此系统亦被简称为“1111系统”。此化合物的发现,非但再度打破了由MgB2 保持的非铜氧化物超导体(non-cuprate superconductor)的临界温度纪录,其含铁却有超导的特性也受人注目。
同样在2008年,受到上述“1111系统”的启发,ThCr2 Si2 结构的碱土金属氮磷族化合物(ATm2 Pn2 )亦被发现。另外,将BaFe2 As2 中将碱土金属 (IIA)以碱金属 (IA)部分取代,亦可得到临界温度约30至40K的高温超导体,如Ba1-x Kx Fe2 As2 (38 K) [ 20] 。此系统亦被简称为“122系统”。如同氧化物超导体,“1111”与“122”系统的超导来源也是由层状结构中的FeAs层贡献,借由不同价数的离子掺杂或是氧缺陷,可提升FeAs层载子的浓度,进而引发超导。
2015年,德国普朗克研究所的V. Ksenofontov和S. I. Shylin研究组创下新的超导温度记录:203K(-70°C)。其物质为硫化氢 ,论文发表在《自然》期刊。[ 21]
2018年,德国化学家发现十氢化镧 在压力170GPa,温度250K(-23℃) 下有超导性出现,是目前已知最高温度的超导体 [ 22] 。
一块超导材料沿着磁道道前进
现在对于超导体的分类并没有统一的标准,通常的分类方法有以下几种:
通过材料对于磁场的相应可以把它们分为第一类超导体 和第二类超导体 :对于第一类超导体 只存在一个单一的临界磁场,超过临界磁场的时候,超导性消失;对于第二类超导体 ,他们有两个临界磁场值,在两个临界值之间,材料允许部分磁场穿透材料。
通过解释的理论不同可以把它们分为:传统超导体 (如果它们可以用BCS理论 或其推论解释)和非传统超导体 (如果它们不能用上述理论解释)。
通过材料达到超导的临界温度可以把它们分为高温超导体 和低温超导体 :高温超导体 通常指它们的转变温度达到液氮温度(大于77K);低温超导体 通常指它们需要其他特殊的技术才可以达到它们的转变温度。
通过材料可以将它们分为化学材料超导体 比如:铅和水银;合金超导体 比如:铌钛合金;氧化物超导体 ,比如钇钡铜氧化物;有机超导体 ,比如:碳纳米管。
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超导材料临界温度T c 总表
材料
符号
T c (K)
晶胞中Cu-O平面数目
结构
YBa2 Cu3 O7
123
92
2
正交晶系
Bi2 Sr2 CuO6
Bi-2201
20
1
四方晶系
Bi2 Sr2 CaCu2 O8
Bi-2212
85
2
四方晶系
Bi2 Sr2 Ca2 Cu3 O6
Bi-2223
110
3
四方晶系
Tl2 Ba2 CuO6
Tl-2201
90
1
四方晶系
Tl2 Ba2 CaCu2 O8
Tl-2212
108
2
四方晶系
Tl2 Ba2 Ca2 Cu3 O10
Tl-2223
125
3
四方晶系
TlBa2 Ca3 Cu4 O11
Tl-1234
122
4
四方晶系
HgBa2 CuO4
Hg-1201
94
1
四方晶系
HgBa2 CaCu2 O6
Hg-1212
128
2
四方晶系
HgBa2 Ca2 Cu3 O8
Hg-1223
134
3
四方晶系
Close
美国物理学家约翰·巴丁 、利昂·库珀 、约翰·施里弗 提出BCS理论 ,指出电声耦合 的关键作用,较圆满的解释了低温超导 。高温超导 的理论研究仍在进行中。
2012年9月,德国莱比锡大学的研究人员宣布了一项进展:石墨颗粒能在室温下表现出超导性。研究人员将石墨粉浸入水中后滤除干燥,置于磁场中,结果一小部分(大约占0.01%)样本表现出抗磁性,而抗磁性是超导材料的标志性特征之一。
虽然表现出超导性的石墨颗粒很少,但这一发现仍然具有重要意义。迄今为止,超导体只有在温度低于-70°C下才能够发挥作用。如果像石墨粉这样便宜且容易获得的材料真能在室温下实现超导,将引发一次新的现代工业革命。[ 23]
2023年7月,韩国科学技术院 院士李石培等人制造出名为LK-99 的材料,据称能在370K(97℃,206℉)以下作为超导体。[ 24]
[ 25]
超导输电线路 - 理论上能免除所有输电损耗,大幅压低发电量需求,但成本与保持低温问题使其处于概念研发前沿阶段。[ 26] 中国河南巩义市 一间电解铝工厂内目前建有试验超导输电线,仅有360米但已经是世界最长的商用线路,除去保持低温的用电后依然比传统电线节约了65%电量。[ 27]
超导发电机 - 超导磁体可用于制作交流超导发电机、磁流体发电 机让其效率更上一个台阶。1985年日本造船促进基金会(JAFSA)就已经成立了超导电磁发动机船舶(SEMP)开发委员会,目前技术开发尚未达到可商业化水准[ 28] 。
超导量子干涉仪 (SQUID) - 目前已经产业化。
作为低温超导材料的主要代表NbTi合金和Nb3 Sn量子干涉仪,在商业领域主要应用于医学领域的MRI(核磁共振成像仪)。
基础科学研究领域,已经应用于欧洲的大型项目LHC项目,帮助人类寻求宇宙的起源等科学问题。
探勘地底石油与矿物。
军事上有增强反潜机 探测潜艇的能力,但还在理论阶段。[ 29]
超导滤波器 - 目前已经产业化。民用手机和无线网的普及造成大气中电磁讯号极度复杂化,许多通讯装置和气象观测机受到干扰,超导滤波器有很强的滤波能力使这些旧型装置重新发挥功能。[ 30]
超导磁浮列车 -用于磁浮列车可以说是超导界的圣杯,由于超导体天然就有磁浮效应,几乎不用任何机械设计,理论上能建造极度廉价却又超过飞机速度的列车,永远改变人类的生活方式。[ 31] 2017年中国航天科工集团宣布展开研发专案,利用超导磁悬浮和真空管道双重技术建造时速达4000公里的列车。
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published 2023027536A1 ,이석배 ; 김지훈 & 권영완 ,“Ceramic composite with superconductivities over room temperature at atmospheric condition and method of manufacturing the ceramic composite”,发表于2023-03-02 互联网档案馆 的存档 ,存档日期2023-07-26.