超导材料


超导材料 （正體）

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超导材料，又称为超导体（superconductor）。当某导体在一温度下，可使电阻为零而称之。零电阻和抗磁性是超导体的两个重要特性。使超导体电阻为零的温度，叫超导临界温度。

目录

演进史

1911年，荷兰科学家昂内斯(Onnes)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。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。但这里所说的“高温”，其实仍然是远低于冰点摄氏0℃的，对一般人来说算是极低的温度。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。

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，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，中国科学家赵忠贤以及美国华裔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，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。

2001年，二硼化镁(MgB2)被发现其超导临界温度达到39K [1]。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[2] [3]。但并未有人发现其中的超导现象。

直到2008年，日本的Hideo Hosono团队发现在铁基氮磷族氧化物(iron-based oxypnictide中，将部份氧以掺杂的方式用氟作部份取代，可使LaFeAsO1-xFx的临界温度达到26K[4]，在加压后(4 GPa)甚至可达到43K[5]。其后，中国的闻海虎团队，发现在以锶取代稀土元素之后，La1-xSrxFeAsO亦可达到临界温度25K[6]。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[O0.9F0.1]可达55K[7] [8]。另外，将铁以钴取代(LaFe1-xCoxAsO)，稀土元素以钍取代(Gd1-xThxFeAsO)，或是利用氧缺陷(LaFeAsO1-δ)等方式，也都可以引发超导[9] [10] [11]。

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，ThCr2Si2结构的碱土金属氮磷族化合物(ATm2Pn2)亦被发现，在将BaFe2As2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-xKxFe2As2(38 K) [12]。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。

理论进展

美国物理学家巴丁、库珀、希佛提出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。

用途

超导磁体可用于制作交流超导发电机、磁流体发电机和超导输电线路等。目前超导量子干涉仪（SQUID）已经产业化。

超导体与常规导体

常规导体做磁体时，要产生10万高斯以上的稳态强磁场，需要消耗3.5兆瓦的电能及大量的冷却用水，投资巨大；而超导材料在超导状态下具有零电阻和抗磁性，因此只需消耗极少的电能，就可以获得这么大的稳态强磁场。

参考文献

  1. ^ J. Nagamatsu, N. Nakagawa, T. Muranaka, Y. Zenitani, and J. Akimitsu, Nature 410, 63 (2001)
  2. ^ B.I. Zimmer,W. Jeitschko, J.H. Albering, R. Glaum, M. Reehuis, J. Alloys Comp. 229, 238 (1995)
  3. ^ P. Quebe, L. J. Terbüchte, and W. Jeitschko, J. Alloys Comp. 302, 70 (2000)
  4. ^ Y. Kamihara, T. Watanabe, M. Hirano, and H. Hosono, J. Am. Chem. Soc. 130, 3296 (2008)
  5. ^ H. Takahashi, K. Igawa, K. Arii, Y. Kamihara, M. Hirano, and H. Hosono, Nature 453, 376 (2008)
  6. ^ H. H. Wen, G. Mu, L. Fang, H. Yang, and X. Zhu, Europhys. Lett. 83, 17009 (2008)
  7. ^ X. H. Chen, T. Wu, G. Wu, R. H. Liu, H. Chen, and D. F. Fang, Nature 453, 761 (2008)
  8. ^ Z. A. Ren, W. Lu, J. Yang, W. Yi, X. L. Shen, Z. C. Li, G. C. Che, X. L. Dong, L. L. Sun, F. Zhou, and Z. X. Zhao, Chin. Phys. Lett. 25, 2215 (2008)
  9. ^ G. Cao, C. Wang, Z. Zhu, S. Jiang, Y. Luo, S. Chi, Z. Ren, Q. Tao, Y. Wang, and Z. Xu arXiv:0807.1304
  10. ^ C. Wang, L. Li, S. Chi, Z. Zhu, Z. Ren, Y. Li, Y. Wang, X. Lin, Y. Luo, S. Jiang, X. Xu, G. Cao, and Z. Xu arXiv:0804.4290
  11. ^ T. A. Ren, G. C. Che, X. L. Dong, J. Yang, W. Lu, W. Yi, X. L. Shen, Z. C. Li, L. L. Sun, F. Zhou, and Z. X. Zhao, Europhys. Lett. 83, 17002 (2008)
  12. ^ M. Rotter, M. Tegel, and D. Johrend arXiv:0805.4630

延伸阅读







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