超導體 (英語:Superconductor ),指可以在特定溫度以下,呈現電阻 為零的導體 。零電阻和完全抗磁性 是超導體的兩個重要特性。超導體電阻轉變為零的溫度,稱為超導臨界溫度,據此超導材料可以分為低溫超導體 和高溫超導體 。這裏的「高溫」是相對於絕對零度 而言的,其實遠低於冰點 攝氏 0℃。科學家一直在尋求提高超導材料的臨界溫度,目前高溫超導體的最高溫度記錄是馬克普朗克研究所的203K(-70°C)。因為零電阻特性,超導材料在生成強磁場方面有許多應用,如MRI核磁共振成像 等。
超導邁斯納效應
1911年,荷蘭 科學家海克·卡末林·昂內斯 用液氦 冷卻汞 ,當溫度下降到絕對溫標 4.2K 時水銀的電阻完全消失,這種現象稱為超導電性 ,此溫度稱為臨界溫度。
1933年,瓦爾特·邁斯納 和羅伯特·奧克森菲爾德 兩位科學家發現,如果把超導體放在磁場 中冷卻,則在材料電阻消失的同時,磁感應線將從超導體中排出,不能通過超導體,這種抗磁性 現象稱為邁斯納效應 。目前超導材料的磁電障礙 已被跨越,下一個難關是突破溫度障礙,即尋求高溫超導材料。
1973年,發現超導合金――鈮 鍺 合金,其臨界超導溫度為23.2K,這一記錄保持了近13年。
1986年,設在瑞士 蘇黎世 的美國IBM 公司的研究中心報道了一種氧化物(鑭 鋇 銅 氧 化物)具有35K的高溫超導性。此後幾乎每隔幾天就有新的研究成果出現。
1986年,美國貝爾實驗室 研究的超導材料,其臨界超導溫度達到40K,液氫的「溫度壁壘 」(40K)被跨越。
1987年,阿拉巴馬大學亨茨維爾分校 的台灣科學家吳茂昆 及其研究生(Ashburn和Torng),與休斯頓大學 的台灣科學家朱經武 和他的學生共同發現了釔鋇銅氧 ,這是首個超導溫度在77K以上的材料,突破了液氮的「溫度壁壘」(77K)。[1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] 從此,科學家可以使用便宜的液氮而非昂貴的液氦研究超導體,這引發了對新型高溫超導材料的研究熱潮。隨後,中國大陸科學家趙忠賢 以及台灣科學家朱經武 相繼在釔 -鋇-銅-氧系材料上把臨界超導溫度提高到90K以上。1987年底,鉈 -鋇-鈣 -銅-氧系材料又把臨界超導溫度的記錄提高到125K。從1986-1987年的短短一年多的時間裏,臨界超導溫度提高了近100K。
2001年,二硼化鎂(MgB2 )被發現其超導臨界溫度達到39K [9] 。此化合物的發現,打破了非銅氧化物超導體(non-cuprate superconductor)的臨界溫度紀錄。
1990至2000年代,具ZrCuAsSi結構的稀土過渡金屬氮磷族化合物(rare-earth transition-metal oxypnictide, ReTmPnO)陸續被發現[10] [11] 。但並未有人發現其中的超導現象。
2008年,日本的細野秀雄 團隊發現在鐵基氮磷族氧化物 (iron-based oxypnictide)中,將部份氧以摻雜的方式用氟作部份取代,可使LaFeAsO1-x Fx 的臨界溫度達到26K[12] ,在加壓後(4 GPa)甚至可達到43K[13] 。其後,中國的聞海虎 團隊,發現在以鍶取代稀土元素之後,La1-x Srx FeAsO亦可達到臨界溫度25K[14] 。其後,中國的科學家陳仙輝 、趙忠賢 等人,發現將鑭以其他稀土元素作取代,則可得到更高的臨界溫度;其中,SmFeAs[O0.9 F0.1 ]可達55K[15] [16] 。另外,將鐵以鈷取代(LaFe1-x Cox AsO),稀土元素以釷取代(Gd1-x Thx FeAsO),或是利用氧缺陷(LaFeAsO1-δ )等方式,也都可以引發超導[17] [18] [19] 。此系統亦被簡稱為「1111系統」。此化合物的發現,非但再度打破了由MgB2 保持的非銅氧化物超導體(non-cuprate superconductor)的臨界溫度紀錄,其含鐵卻有超導的特性也受人注目。
同樣在2008年,受到上述「1111系統」的啟發,ThCr2 Si2 結構的鹼土金屬氮磷族化合物(ATm2 Pn2 )亦被發現。另外,將BaFe2 As2 中將鹼土金屬 (IIA)以鹼金屬 (IA)部分取代,亦可得到臨界溫度約30至40K的高溫超導體,如Ba1-x Kx Fe2 As2 (38 K) [20] 。此系統亦被簡稱為「122系統」。如同氧化物超導體,「1111」與「122」系統的超導來源也是由層狀結構中的FeAs層貢獻,藉由不同價數的離子摻雜或是氧缺陷,可提升FeAs層載子的濃度,進而引發超導。
2015年,德國普朗克研究所的V. Ksenofontov和S. I. Shylin研究組創下新的超導溫度記錄:203K(-70°C)。其物質為硫化氫 ,論文發表在《自然》期刊。[21]
2018年,德國化學家發現十氫化鑭 在壓力170GPa,溫度250K(-23℃) 下有超導性出現,是目前已知最高溫度的超導體 [22] 。
一塊超導材料沿着磁軌道前進
現在對於超導體的分類並沒有統一的標準,通常的分類方法有以下幾種:
通過材料對於磁場的相應可以把它們分為第一類超導體 和第二類超導體 :對於第一類超導體 只存在一個單一的臨界磁場,超過臨界磁場的時候,超導性消失;對於第二類超導體 ,他們有兩個臨界磁場值,在兩個臨界值之間,材料允許部分磁場穿透材料。
通過解釋的理論不同可以把它們分為:傳統超導體 (如果它們可以用BCS理論 或其推論解釋)和非傳統超導體 (如果它們不能用上述理論解釋)。
通過材料達到超導的臨界溫度可以把它們分為高溫超導體 和低溫超導體 :高溫超導體 通常指它們的轉變溫度達到液氮溫度(大於77K);低溫超導體 通常指它們需要其他特殊的技術才可以達到它們的轉變溫度。
通過材料可以將它們分為化學材料超導體 比如:鉛和水銀;合金超導體 比如:鈮鈦合金;氧化物超導體 ,比如釔鋇銅氧化物;有機超導體 ,比如:碳納米管。
More information 材料, 符號 ...
超導材料臨界溫度T c 總表
材料
符號
T c (K)
晶胞中Cu-O平面數目
結構
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
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美國物理學家約翰·巴丁 、利昂·庫珀 、約翰·施里弗 提出BCS理論 ,指出電聲耦合 的關鍵作用,較圓滿的解釋了低溫超導 。高溫超導 的理論研究仍在進行中。
2012年9月,德國萊比錫大學的研究人員宣佈了一項進展:石墨顆粒能在室溫下表現出超導性。研究人員將石墨粉浸入水中後濾除乾燥,置於磁場中,結果一小部分(大約佔0.01%)樣本表現出抗磁性,而抗磁性是超導材料的標誌性特徵之一。
雖然表現出超導性的石墨顆粒很少,但這一發現仍然具有重要意義。迄今為止,超導體只有在溫度低於-70°C下才能夠發揮作用。如果像石墨粉這樣便宜且容易獲得的材料真能在室溫下實現超導,將引發一次新的現代工業革命。[23]
2023年7月,韓國科學技術院 院士李石培等人製造出名為LK-99 的材料,據稱能在370K(97℃,206℉)以下作為超導體。[24]
[25]
超導輸電線路 - 理論上能免除所有輸電損耗,大幅壓低發電量需求,但成本與保持低溫問題使其處於概念研發前沿階段。[26] 中國河南鞏義市 一間電解鋁工廠內目前建有試驗超導輸電線,僅有360米但已經是世界最長的商用線路,除去保持低溫的用電後依然比傳統電線節約了65%電量。[27]
超導發電機 - 超導磁體可用於製作交流超導發電機、磁流體發電 機讓其效率更上一個台階。1985年日本造船促進基金會(JAFSA)就已經成立了超導電磁發動機船舶(SEMP)開發委員會,目前技術開發尚未達到可商業化水準[28] 。
超導量子干涉儀 (SQUID) - 目前已經產業化。
作為低溫超導材料的主要代表NbTi合金和Nb3 Sn量子干涉儀,在商業領域主要應用於醫學領域的MRI(核磁共振成像儀)。
基礎科學研究領域,已經應用於歐洲的大型項目LHC項目,幫助人類尋求宇宙的起源等科學問題。
探勘地底石油與礦物。
軍事上有增強反潛機 探測潛艇的能力,但還在理論階段。[29]
超導濾波器 - 目前已經產業化。民用手機和無線網的普及造成大氣中電磁訊號極度複雜化,許多通訊裝置和氣象觀測機受到干擾,超導濾波器有很強的濾波能力使這些舊型裝置重新發揮功能。[30]
超導磁浮列車 -用於磁浮列車可以說是超導界的聖盃,由於超導體天然就有磁浮效應,幾乎不用任何機械設計,理論上能建造極度廉價卻又超過飛機速度的列車,永遠改變人類的生活方式。[31] 2017年中國航天科工集團宣佈展開研發專案,利用超導磁懸浮和真空管道雙重技術建造時速達4000公里的列車。
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Drozdov, A. P.; Kong, P. P.; Minkov, V. S.; Besedin, S. P.; Kuzovnikov, M. A.; Mozaffari, S.; Balicas, L.; Balakirev, F.; Graf, D.; Prakapenka, V. B.; Greenberg, E.; Knyazev, D. A.; Tkacz, M.; Eremets, M. I. Superconductivity at 250 K in lanthanum hydride under high pressures . arXiv:1812.01561 [cond-mat]. 2018-12-04 [2018-12-13 ] . (原始內容 存檔於2018-12-12).
published 2023027536A1 ,이석배 ; 김지훈 & 권영완 ,「Ceramic composite with superconductivities over room temperature at atmospheric condition and method of manufacturing the ceramic composite」,發表於2023-03-02 互聯網檔案館 的存檔 ,存檔日期2023-07-26.