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高温超导材料的探索

时间:2019-06-20    点击: 次    来源:网络    作者:佚名 - 小 + 大

高温超导材料的探索

 

人类的发展史上曾经兴起过三次技术革命的风暴,它们已经被光荣地载

入史册。首次技术革命始于 18 世纪 60 年代,是以蒸汽机的广泛应用为标志,

推动了社会工业化的大革命。第二次技术革命发生在 19 世纪 70 年代,是以

电力的广泛应用和无线电通讯的发明为标志,把全球推进到了生产自动化的

文明社会。第三次技术革命的掀起是在 20 世纪 50 年代以后,科学家们进行

了一些重要的实验,以发现了原子结构、电子、原子核分裂产生原子能、电

子计算机、激光的广泛应用为标志,把人类社会推向了高度智能化的高度文

明年代。随着高温超导体的发现,科学家们凭着高度灵敏的科学灵感,第四

次技术革命即将到来!这是多么令人振奋的消息!在人类发展的历史长河中

又要增添闪光的新星。回想超导材料发展的艰难岁月,科学研究者作出了多

少艰辛的努力!

1911 年的一天,荷兰雷登大学的卡未林・翁纳斯皮(K.Onnes)突然向

世界宣布,他发现了超导现象!!!这个消息震撼了世界,人们以十分兴奋

而赞赏的目光注视着他的研究工作。1908 年前,翁纳斯成功地将气体氦进行

液化,使液体氦的温度接近绝对温标的绝对零度(零下 273 摄氏度)。这样,

当翁纳斯的助手在接近绝对零度的温区研究金属汞的电阻和温度的关系时,

发现在绝对温度 4.2K 附近,汞的电阻突然由 0.125 欧姆降到零。他的助手向

翁纳斯报告了这种奇怪的令人难以置信的现象。翁纳斯开始并未介意,认为

这可能是实验上的失误。但他还是以非常认真的态度,闭门谢客,把自己关

进了实验室,经过一天一夜的观测,次日清晨,他向全世界宣布了他的实验

结果。这个结果,具有无穷的凝聚力,吸引着许多富有探索精神的科学家,

在世界科技界,掀起了超导研究的热浪,有人努力寻求电阻为零的新超导材

料;有人探索超导材料的微观结构和微观机理;有人研究超导材料的电磁特

性并且开拓它的应用领域。科学家们经历了 75 年的艰难岁月,尝遍了甜酸苦

辣,已查明在元素周期表里的大部分元素本身都具有超导特性或在高压力作

用下呈超导现象。科学家们肯定了其中只有 33 种元素本身没有超导性。但

是,那些元素的超导转变温度极低,只有零点几度(绝对温度 K)至几度(绝

对温度 K)。随即,由巴丁(J.Bardeen)库柏(L.N.Cooper) 和 施 瑞 弗

(J.R.Sechrieffer)共同创立了解释超导转变的微观理论。这就是著名的

B.C.S 理论,这个理论在 1957 年问世,他们因此而荣获诺贝尔物理奖。在研

究导体的电磁特性方面,1933 年迈斯纳(W.Meissner)和奥克森菲尔德

(R.Ochsenfeld)的磁测量表明,超导体的磁性完全与导体不同,纠正了统

治超导界 22 年,认为超导体和导体的磁性能完全一致的观点。这个效应就被

称为迈斯纳效应,是现代悬浮超导列车能够飞速运行的理论基础。60 年代后

期,日本就开始执行超导磁悬浮列车计划,利用超导磁力使车厢在轨道上悬

浮起来,并推动车厢高速前进。1972 年第一台 MC—100 型实验车实验成功,

车长 400 米,浮起 10 厘米,但时速每小时只有 60 千米;1978 年时速达每小

时 347 千米;1987 年载人列车的时速已达每小时 400 千米。日本目前已计划

建设从东京到大阪的时速为每小时 500 千米的磁悬浮超导悬浮列车,在西欧

也处在实验阶段,各方面技术在实验过程中都得到不断的提高。人们期望这

种列车不久将会运行在铁路上。

此外,用超导材料制造的电动机、发电机、变压器、热开关、辐射检验


器以及无接触转换开关、国防军工仪器等已经投入使用。

超导现象刺激着科学家们的求知欲,但是由于超导转变温度太低,超导

的设备、仪器、元件还需要在液氦温区(4.2K)内工作,人们不得不以巨额

投资设计和建造庞大的液氦站,建立繁杂的辅助设备,把气态的氦转变成液

体氦,然后通过辅助设备送到使用的装置上去。所以当超导材料的超导转变

温度还是在 23.3K 的时候,科学家们的美梦,只好冻结在漂渺的脑海之中。

然而,要提高超导材料的超导转变温度,并不是一件轻而易举的事。经过 75

年的漫长岁月,超导材料的超导转变温度从 4.2K 到 23.2K,仅提高了 19K,

这种缓慢的进展速度,多么令人困扰!

1986 年秋,中国科学院物理研究所的赵忠贤、陈立泉等人在镧钡铜氧和

镧锶铜氧化物体系中观察到了在 46.3K 和 48.6K 下的超导转变,同时物理研

究所李林教授领导的研究小组,用溅射方法制备出超导转变温度为 25~27K

的镧锶钡氧超导薄膜。中国的科学家,在高科技的国际竞争中已进入角色。

1993 年,美国得克萨斯超导研究中心的美籍华人朱经武宣布,他制备出氧化

汞、钡钙铜的超导体超导转变温度为 153K(零下 120℃),这是目前的最高

纪录。

全球超导热的浪潮,实际上是一场综合国力和科学水平的竞争,形成了

美、中、日三国三足鼎立的格局。谁都不甘落后,新的研究,新的成果不断

涌现,尤其是在 1987~1988 年间,几乎是每三天都有高温超导研究的新突

破。还有一些科学家,如日本的科学家称曾发现锶钡钇铜氧超导体系有零下

60℃的超导转变,一些科技刊物多次报导发现室温超导的现象,美国休斯顿

大学的科学家也声称在铒钡铜氧体系中发现有 230K(零下 43℃)的超导转变

现象,遗憾的是,这些结果无法重复成功,超导研究的每个突破都牵动着无

数人的心,震撼着科技界、产业界,各国政府都为超导研究鸣锣开道,美国

原总统布什曾公开宣布他要亲自过问超导研究,可见其重视程度。

超导热持续升温,而且持续的时间在科学史上是最长的,涉及的人数也

是最多的,这是什么原因呢?正如高温超导体一出现,世界的科学家们就断

言:第四次工业革命即将到来。因为高温超导体实现了在强电方面的应用,

全球的电力输送,从发电到供配电模式都将全部改变,若能做到无损耗地输

电,仅美国一个国家一年即可节省 100 亿美元。采用超导材料建设超导电子

对撞机的电子贮存环,有可能使达到 40 万亿电子伏特的粒子发生对撞,对揭

示神奇的微观世界和物质结构元将有重大的贡献。超导在弱电应用方面,如

电子通讯、信息技术、精密仪表、核物理、医学、军工、宇航的应用均有着

广阔的前景。高温超导的超导量子干涉仪已经诞生,为在上述领域中制备有

关仪器打下了基础。日本东海铁道和铁路新研究所声称时速每小时为 550 千

米的悬浮列车已经研制成功,并在 1996 年完成全部试验,投入使用。超导材

料的成功应用。对电力工程、磁流体发电、超导电子学、地球物理、国防科

学、生物磁学、医学等十几个学科都带来重大影响,高 温超导材料在 21 世纪

无疑会大放异彩。

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