超導(dǎo)現(xiàn)象及超導(dǎo)材料的前世今生

最近韓國研究團隊的關(guān)于常溫超導(dǎo)材料的研究論文一經(jīng)發(fā)出，可謂一石激起千層浪，世界各地研究機構(gòu)紛紛按照其論文述及的辦法進(jìn)行復(fù)現(xiàn)，以驗證這個可謂“世界級”“世紀(jì)性”的重大技術(shù)突破，截至目前，暫未證實或證偽，我們翹首以盼，期待能有好的結(jié)果，以便引領(lǐng)下一次工業(yè)革命。對于非科研界的人士來說，我們應(yīng)至少了解以下知識，了解超導(dǎo)現(xiàn)象以及超導(dǎo)材料的前世今生。

一、超導(dǎo)材料的發(fā)展概況

1908年，萊頓實驗室成功制得可以獲得4.25K低溫的液氦（備注1K=-272℃，4.25K就是約零下267度），液氦技術(shù)成為了超導(dǎo)技術(shù)發(fā)展的開端。3年后，荷蘭物理學(xué)家Onnes在實驗中發(fā)現(xiàn)，在低溫4.2K時，汞的電阻突降為0，此時電流流經(jīng)導(dǎo)體時沒有電能損耗，這一現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)令世人震驚，由此開始了超導(dǎo)的研究，Onnes將“超導(dǎo)”定義為在一定溫度條件下電阻突然消失的現(xiàn)象，處于超導(dǎo)狀態(tài)的導(dǎo)體稱為超導(dǎo)體，具有這一性質(zhì)的材料稱為超導(dǎo)材料。

自超導(dǎo)材料的發(fā)現(xiàn)以來，隨著科技的進(jìn)步，超導(dǎo)材料的臨界溫度呈現(xiàn)逐步上升的趨勢?，F(xiàn)如今，擁有最高臨界溫度的超導(dǎo)材料是2015年AP．Drozdov等在155GPa（氣壓單位）的零場冷卻條件下得到的H2S，TC高達(dá)203K（約零下70攝氏度），這一發(fā)現(xiàn)為在以氫為基礎(chǔ)的其他材料中達(dá)到室溫超導(dǎo)性帶來了希望。2013年德國科學(xué)家制成了室溫下陶瓷超導(dǎo)體，維持了數(shù)百萬分之幾微秒。雖然只存在極短的時間，卻為室溫超導(dǎo)體的研究帶來了突破口。從1911年起，超導(dǎo)材料的臨界溫度TC的研究歷程如

1911-1932年，科學(xué)家相繼發(fā)現(xiàn)了除Hg（汞）之外的Sn、Pb、Ta、Ti、Nb等元素在低溫下的超導(dǎo)電性，目前元素周期表中的50多種元素有超導(dǎo)電性。1933-1953年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)許多具有超導(dǎo)電性的合金、過渡金屬碳化物和氮化物，這對于研究超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的提高有很大幫助。

有科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一系列具有A15結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)體，如Nb3Al，Nb3Ge，Nb3Sn，V3Ga等，至此超導(dǎo)材料的TC高達(dá)23．3K（約零下250攝氏度），也拓寬了超導(dǎo)材料研究的視野。這段時間一直用液氦做制冷劑以實現(xiàn)低溫條件，但因為氦難液化且資源匱乏，所以它不是理想的制冷劑。

1986年，超導(dǎo)材料研究進(jìn)入高溫超導(dǎo)研究階段，物理學(xué)家通過研究Ba-La-Cu-O系的超導(dǎo)電性，發(fā)現(xiàn)其TC高達(dá)38K（約零下234攝氏度），此后，中國科學(xué)家趙忠賢沖破了77K（約零下195攝氏度）的液氮溫度大關(guān)，實現(xiàn)了科學(xué)史上的重大突破，1987年，趙忠賢發(fā)現(xiàn)了TC高達(dá)100K（約零下172攝氏度）的Y-Ba-Cu-O高溫超導(dǎo)體。液氮制冷設(shè)備簡單，其價格僅相當(dāng)于液氦的百分之一，高溫超導(dǎo)體的應(yīng)用前景變廣。

2001年，Akimits的研究小組首次報道了MgB2的超導(dǎo)電性，MgB2的TC為39K（約零下233攝氏度），2008年日本科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了氟處理的LaO1-xFxFeAs具有26K（約零下246攝氏度）的TC，2014年中國陳仙輝教授研究組在鐵基超導(dǎo)研究領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)了一種新的鐵基超導(dǎo)材料OHFeSe，其TC高達(dá)40K（約零下232攝氏度），并確定了該新材料的晶體結(jié)構(gòu)。此為研究高溫超導(dǎo)體的超導(dǎo)機理提供了新的材料體系。2011年，中國科學(xué)家分別報道了在堿金屬摻雜菲紅中5K和多苯環(huán)化合物中33K的超導(dǎo)電性。

以上研究得到的高溫超導(dǎo)體皆是無機材料，那么有機材料中是不是也會存在高溫超導(dǎo)體呢?2017年王仁樹等通過將鉀摻雜到由C和H元素組成的對三苯基上，三個苯基環(huán)在一個位置上通過單C—C鍵連接，發(fā)現(xiàn)該材料可以具有臨界的超導(dǎo)相。這些發(fā)現(xiàn)為在鏈狀有機分子中尋找高溫超導(dǎo)體開辟蹊徑。2018年CaoY等人報道了在二維超晶格中實現(xiàn)本征非常規(guī)超導(dǎo)電性的方法，這種超導(dǎo)電性是由兩片石墨烯小角度疊加而成。

二、超導(dǎo)材料的超導(dǎo)電性及應(yīng)用

超導(dǎo)材料是指在一定的低溫條件下呈現(xiàn)出電阻等于零以及排斥磁力線的性質(zhì)的材料。超導(dǎo)態(tài)可以由導(dǎo)電材料的零電阻轉(zhuǎn)變確定，盡管不同的超導(dǎo)材料顯示出差異極大的物理性能，但是所有的超導(dǎo)材料都要遵循一些普遍的規(guī)律，這些規(guī)律揭示了超導(dǎo)態(tài)為某個特定的熱力學(xué)狀態(tài)。

（一）零電阻效應(yīng)

Onnes和他的助手將氦氣液化，得到4.25K以下的低溫，并發(fā)現(xiàn)汞電阻在4.2K附近突然消失，因而獲得了1913年的諾貝爾物理學(xué)獎。零電阻效應(yīng)是超導(dǎo)體的一個基本特性，由于沒有電阻，超導(dǎo)體作為導(dǎo)體傳輸電流時沒有能耗，是理想的導(dǎo)體。超導(dǎo)體的零電阻效應(yīng)使它備受科學(xué)家的青睞，并廣泛應(yīng)用于現(xiàn)實生活中。零電阻效應(yīng)讓電線電纜中的傳輸電流大且損耗小，超導(dǎo)電纜比常規(guī)電纜損耗降低60%，總費用可降低20%，經(jīng)濟效益可觀，能有效解決能源短缺的問題，同樣的超導(dǎo)材料運用于超導(dǎo)發(fā)電機降低能耗，超導(dǎo)儲能裝置是根據(jù)超導(dǎo)線圈存儲電磁能制造并根據(jù)需要釋放電磁能的一種電力設(shè)施，是每個發(fā)電站的必備裝置，但使用普通電線儲能必會有能量損失，若使用超導(dǎo)線圈儲存電能，儲存電磁能時電阻為零，理想狀態(tài)下線圈中所儲存的能量幾乎沒有損耗，并可以永久儲存下去直到需要釋放為止。

（二）完全抗磁性

1933年，有科學(xué)家通過磁測量實驗發(fā)現(xiàn)，不管加磁場的次序如何，超導(dǎo)體內(nèi)磁感應(yīng)強度總是零。超導(dǎo)體即使在外磁場中冷卻到超導(dǎo)態(tài)，也永遠(yuǎn)沒有內(nèi)部磁場，它與加磁場的歷史無關(guān)。這揭示了超導(dǎo)體有另外一個基本特性:完全抗磁性，又稱Meissner效應(yīng)。利用超導(dǎo)體的Meissner效應(yīng)制造出的磁懸浮列車實現(xiàn)了現(xiàn)代化零接觸的快速、便捷生活。

1、超導(dǎo)磁懸浮列車

磁懸浮列車是一種現(xiàn)代高科技軌道交通工具，利用超導(dǎo)材料在超導(dǎo)態(tài)時具有的零電阻效應(yīng)和Meissner效應(yīng)可以制造磁懸浮列車，它通過電磁力實現(xiàn)列車與軌道之間的無接觸的懸浮和導(dǎo)向，再利用直線電機產(chǎn)生的電磁力牽引列車運行。列車在懸浮無摩擦狀態(tài)下運行會很大程度地提高其速度和安靜性，并有效減少機械磨損。1922年，德國工程師HermannKemper提出了電磁懸浮原理，并申請了專利。1987年3月，日本進(jìn)行了超導(dǎo)磁懸浮列車的載人實驗并成功證明其可行性。2015年4月，日本東海公司在山梨磁懸浮試驗線進(jìn)行了超導(dǎo)磁懸浮列車的高速運行試驗，達(dá)到了載人行駛590km/h的世界最高速度，刷新了世界紀(jì)錄。2015年10月中國首條國產(chǎn)磁懸浮線路-長沙磁浮線成功試跑，并在2016年開通試運營，該線路也是世界上最長的中低速磁浮運營線。

2、核磁共振成像

隨著社會的發(fā)展，人們提升生活質(zhì)量需要醫(yī)學(xué)科技的進(jìn)步，醫(yī)生采用先進(jìn)的醫(yī)療設(shè)備可以獲得更精準(zhǔn)的診斷，而超導(dǎo)材料的發(fā)現(xiàn)及應(yīng)用推動了醫(yī)療設(shè)備的進(jìn)步，利用超導(dǎo)磁體制得的核磁共振儀已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療檢查中。核磁共振成像參數(shù)多、掃描速度快、組織分辨率高和圖像清晰，可以更好地滿足臨床應(yīng)用和科研工作。而且核磁共振是磁場成像，沒有放射性，對人體無傷害，非常安全。

3、超導(dǎo)磁體

迄今為止，超導(dǎo)材料實際應(yīng)用最多的一個領(lǐng)域是制作各種用途的超導(dǎo)磁體。超導(dǎo)磁體可以實現(xiàn)常規(guī)導(dǎo)體材料無法實現(xiàn)的磁場強度、磁場梯度和磁場均勻度，有著多種用途。除了磁懸浮列車和核磁共振成像，還有許多利用超導(dǎo)磁體性質(zhì)的應(yīng)用，例如協(xié)助氣泡室增強觀察力，為了研究微觀粒子，需要借助實驗儀器觀察粒子的運動過程，進(jìn)而了解粒子本性，氣泡室就是探測高能帶電粒子徑跡的一種有效的手段，超導(dǎo)磁體可以為氣泡室提供場強高、范圍大的磁場，根據(jù)粒子在磁場中的運動，推斷粒子的質(zhì)量、電荷等性質(zhì)。另外，超導(dǎo)磁體還協(xié)助加速，環(huán)形加速器里，粒子在磁場力繞圈，在電場的轉(zhuǎn)動下，每繞一圈，動能增加一些，但能量越大，就越難把粒子保持在圓形軌道上，所以需要的磁場越強，因此加速器越來越大型化，這時利用超導(dǎo)磁體制大型加速器，可以大大減少制造費用。

零電阻效應(yīng)和Meissner效應(yīng)是超導(dǎo)體的兩大基本特性，互相獨立，又密切聯(lián)系。實驗上判斷一個材料是否為超導(dǎo)體:沒有電阻且同時具有完全的抗磁性的材料才是一個超導(dǎo)體。

三、超導(dǎo)材料的分類及應(yīng)用

超導(dǎo)體的分類沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，通常按以下方法分類：

1、根據(jù)材料的臨界溫度的高低可以分為低溫超導(dǎo)材料和高溫超導(dǎo)材料，超導(dǎo)物理中將臨界溫度在液氦溫區(qū)(4.2K，約零下267攝氏度)的超導(dǎo)體稱為低溫超導(dǎo)體，也稱為常規(guī)超導(dǎo)體，將臨界溫度在液氮溫區(qū)(77K，約零下200攝氏度)的超導(dǎo)體稱為高溫超導(dǎo)體。根據(jù)微觀配對機制，超導(dǎo)理論符合BCS理論的超導(dǎo)體稱為常規(guī)超導(dǎo)體，其他的則稱為非常規(guī)超導(dǎo)體，一般低溫超導(dǎo)體都是常規(guī)超導(dǎo)體，高溫超導(dǎo)體為非常規(guī)超導(dǎo)體，但也有特殊，MgB2合金的臨界溫度高達(dá)39K，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過常規(guī)超導(dǎo)體，但BCS理論仍然可以解釋MgB2合金的超導(dǎo)機理，所以MgB2合金是高溫常規(guī)超導(dǎo)體

2、超導(dǎo)材料按其化學(xué)成分可分為金屬超導(dǎo)材料(元素、合金、化合物等)、超導(dǎo)陶瓷、有機超導(dǎo)體及半導(dǎo)體或絕緣超導(dǎo)材料四大類。對于金屬超導(dǎo)體，包括①超導(dǎo)元素:在常壓下具有超導(dǎo)電性的元素有28種，其中金屬Nb有最高的的TC，為9.26K。②合金材料:超導(dǎo)元素中加入其他元素形成合金，可以使超導(dǎo)材料的性能提高。如首先合成的NbZr合金，其TC為10．8K，臨界溫度為8.7T。后又合成NbTi合金，雖然NbTi合金的TC較低，但其臨界溫度很高，在一定的磁場下可以承載更大的電流。目前NbTi合金是用于7～8T磁場下的主要超導(dǎo)磁體材料。

3、根據(jù)超導(dǎo)體在磁場中表現(xiàn)出的邁斯納效應(yīng)，可以把超導(dǎo)體分成兩類：第Ⅰ類超導(dǎo)體和第II類超導(dǎo)體。