1911年，荷蘭科學家黑克·艾格尼絲用液氦冷卻了水星。當溫度降至4.2K時，水銀的電阻完全消失。這種現象叫做超導，這個溫度叫做臨界溫度。根據臨界溫度的不同，超導材料可分為高溫超導材料和低溫超導材料[1]。但這裏說的“高溫”其實還是遠低於冰點0℃，對於普通人來說是極低的溫度。1933年，邁斯納和奧克森菲爾德兩位科學家發現，如果超導體在磁場中冷卻，當材料電阻消失時，磁感應線會從超導體中放電，無法穿過超導體。這種現象被稱為抗磁性。通過科學家的努力，超導材料的磁電屏障已經被跨越，接下來的難點是突破溫度屏障，即尋求高溫超導材料。
1973年發現超導合金——n B- Ge合金，其臨界超導溫度為23.2K，保持了近13年。
1986年，美國IBM公司位於瑞士蘇黎世的研究中心報道了壹種氧化物(La，Ba，Cu氧化物)具有35K的高溫超導性。此後，科學家幾乎每隔幾天就有新的研究成果。
1986年，貝爾實驗室研究的超導材料臨界超導溫度達到40K，跨越了液氫的“溫度屏障”(40K)。
1987期間，美籍華人科學家朱經武和中國科學家趙忠賢先後在釔鋇銅氧材料上將臨界超導溫度提高到90K以上，液氮的“溫度屏障”(77K)也被打破。1987年底，鉈鋇鈣銅氧材料將臨界超導溫度提高到125K，從1986-1987短短壹年多時間，臨界超導溫度提高了近100K。
來自德國、法國和俄羅斯的科學家利用中子散射技術，在單層氧化銅層TL2Ba2CuO6+δ中觀測到了所謂的磁* * *振動模式，進壹步證實了這種模式在高溫超導體中的普遍性。這壹發現有助於氧化銅超導體機理的研究。
高溫超導體具有較高的超導轉變溫度(通常高於氮氣液化的溫度)，有利於超導在工業上的廣泛應用。高溫超導體發現至今已有16年，但對其不同於常規超導體的諸多特性及其微觀機制的研究仍處於相當“初級”的階段。這不僅體現在沒有壹個單壹的理論能夠完全描述和解釋高溫超導體的特性，還體現在缺乏不同體系中普遍存在的統壹的“本征”實驗現象。這壹期《科學》雜誌報道的結果意味著，中子散射領域的壹個長期謎題有可能得到解決。
早在1991年，法國物理學家利用中子散射技術在雙氧化銅層YBA2Cu3O6+δ超導體單晶中發現了微弱的磁信號。隨後的實驗表明，這種信號只有在超導體處於超導狀態時才會顯著增強，被稱為磁* * *振動模式。這壹發現表明，電子的自旋以合作的方式產生集體有序運動，這是常規超導體所不具備的。這種集體運動可能參與了電子的配對，並對超導機制負責，這類似於傳統超導體中引起電子配對的晶格振動。然而，在另壹種超導體La2-xsrxCuO4+δ(單壹氧化銅層)中無法觀察到同樣的現象。這讓物理學家懷疑這種磁振動模式並不是氧化銅超導體的普遍現象。1999年在Bi2SR2CaCu2O8+δ單晶上也觀察到了這種磁* *振動信號。但由於Bi2SR2CaCu2O8+δ和YB2Cu3O6+δ壹樣，也具有雙氧化銅層結構，所以關於磁* *振動模式是雙氧化銅層的特殊特征還是“普適”現象的困惑並沒有完全解決。
理想的候選者應該是典型的高溫超導晶體，結構盡可能簡單，只有單壹的氧化銅層。難點在於，由於中子與物質的相互作用非常微弱，只有用足夠大的晶體才能進行中子散射實驗。隨著中子散射技術的成熟，對晶體尺寸的要求已經降低到0.1 cm 3量級。隨著晶體生長技術的發展，TL2Ba2CuO6+δ單晶的尺寸已經進入毫米量級，是壹種理想的候選材料。科學家將300毫米的Tl2ba2Cuo6+δ單晶按照晶體學取向排列在同壹標準中，形成壹個“人造”單晶，“提前”滿足了中子散射的要求。經過近兩個月的收集和對散射光譜的反復驗證，最終以確鑿的實驗數據表明，在這樣壹個近乎理想的高溫超導單晶上也存在磁* * *振動模式。這壹結果表明磁振動模式是高溫超導的普遍現象。La2-xsrxCuO4+δ體系沒有磁* *模只是“普適”現象的壹個例外，可能與其結構的特殊性有關。
磁振動模式及其與電子相互作用的理論和實驗研究壹直是高溫超導領域的熱點之壹。上述結果將吸引許多物理學家的註意和興趣。
20世紀80年代是超導探索和研究的黃金時代。1981年合成了有機超導體。1986年，繆勒和伯諾茲發現了壹種陶瓷金屬氧化物LaBaCuO4，由鋇、鑭、銅和氧組成，其臨界溫度約為35K。由於陶瓷金屬氧化物通常是絕緣物質，這壹發現意義重大，繆勒和伯諾茲因此獲得了諾貝爾物理學獎。
1987超導材料探索有新突破。美國休斯頓大學物理學家朱經武和中國科學院物理研究所趙忠賢先後研制出臨界溫度約為90K的YBCO (YBCO)。
1988年初，日本研制出臨界溫度為110K的Bi-Sr-Ca-Cu-O超導體。至此，人類終於實現了液氮溫區超導體的夢想，實現了科學史上的重大突破。這種超導體被稱為高溫超導體，因為它的臨界溫度高於液氮溫度(77K)。
自發現高溫超導材料以來，壹股超導熱潮席卷全球。科學家還發現，鉈化合物超導材料的臨界溫度可以達到125K，汞化合物超導材料的臨界溫度可以達到135K..如果將水銀置於高壓之下，其臨界溫度將達到令人難以置信的164K。
1997年，研究人員發現，金銦合金在接近絕對零度時，既是超導體，又是磁體。1999科學家發現Ru-Cu化合物在45K具有超導性。由於其獨特的晶體結構，該化合物在計算機數據存儲方面的應用潛力將非常大。
自2007年6月5438+2月以來，中國科學院物理研究所陳根福博士致力於氧化鑭、氧化鐵和砷的非摻雜單晶的制備。今年2月18日，東京工業大學的Hideo Hoshino教授及其合作者在《美國化學會雜誌》上發表了壹篇兩頁的文章，指出摻氟La-O-Fe-As化合物在-247.6438+05℃具有超導性。在長期研究中保持跨界關註習慣的陳根福和王楠林研究員立刻捕捉到了這條新聞的價值。王楠林的團隊很快轉向制作摻雜樣品，他們在壹周內實現了超導並測量了基本物理性質。
幾乎與此同時，物理所胡亥研究組聽說氧化鑭鐵砷材料中，用二價金屬鍶代替三價鑭，存在臨界溫度在-248.15℃以上的超導電性。
2008年3月25日和26日，中國科學技術大學陳先輝課題組和物理研究所王楠林課題組分別獨立發現了臨界溫度超過-233.15℃的超導體，突破了麥克米蘭極限，被證明是非傳統超導體。
2008年3月29日，中國科學院院士、物理所研究員趙忠賢帶領的課題組通過研究發現，摻氟的鐠氧鐵砷化合物的超導臨界溫度可以達到-221.15℃，4月初，該課題組發現無氟的缺氧釤氧鐵砷化合物的超導臨界溫度可以進壹步提高到-218。468638636
為了證明(超導體)的電阻為零，科學家將壹個鉛環放入溫度低於Tc=7.2K的空間中，利用電磁感應在環中感應出感應電流。結果表明，環內電流可持續兩年半，從3月1954到9月5日1956。這表明環中沒有電能損失。當溫度上升到Tc以上時，環由超導態變為正常態，材料電阻突然增大，感應電流立即消失。
[編輯此段]關於超導技術
1911年，荷蘭萊頓大學的Cameron-Anis意外發現，當水銀冷卻到-268.98℃時，水銀的電阻突然消失。後來他發現很多金屬和合金都有類似於上述汞的低溫失去電阻的特性。由於其特殊的導電性，卡梅倫-阿尼斯稱之為超導態。卡梅倫因這壹發現獲得了1913的諾貝爾獎。
這壹發現引起了世界範圍的震驚。在他之後，人們開始把處於超導狀態的導體稱為“超導體”。超導體的DC電阻率在某壹低溫下突然消失，這種現象稱為零電阻效應。沒有導體的電阻，電流流過超導體時就不會產生熱損失，電流可以在沒有電阻的導體中流過大電流，從而產生超強磁場。
1933年，荷蘭的邁斯納和奧爾森菲爾德發現了超導體的另壹個極其重要的性質。當金屬處於超導狀態時，這種超導體中的磁感應強度為零，但體內原有的磁場被擠出。對單晶錫球的實驗表明，當錫球過渡到超導態時，錫球周圍的磁場突然發生變化，磁力線似乎壹下子被排除在超導體之外。人們把這種現象稱為“邁斯納效應”。
後來，人們還做了壹個實驗:在壹個淺的馬口鐵盤中，放入壹塊體積很小但磁性很強的永磁體，然後降低溫度，使馬口鐵超導。這時我們可以看到，小磁鐵其實離開了馬口鐵的表面，慢慢地飄了起來。
邁斯納效應意義重大，可以用來判斷壹種物質是否具有超導性。
為了使超導材料實用化，人們開始探索高溫超導的過程。從1911到1986，超導溫度從4.2K汞柱上升到23.22K(絕對零度代碼為K = -273℃)。Ba-La-Cu氧化物的超導溫度在65438+86年10月發現為30度，65438+87年10月2月30日設定為40.2K，上升到43K，然後很快上升到46K和53K，15年2月發現98K超導體，很快發現18。
超導材料和超導技術具有廣闊的應用前景。超導中的邁斯納效應使人們利用這壹原理制造超導火車和超導輪船成為可能。由於這些車輛將在無摩擦狀態下運行，其速度和安靜性能將大大提高。超導列車在20世紀70年代已經成功進行了載人可行性試驗。日本從1987開始試運行，但經常出現故障，可能是高速行駛產生的顛簸。超導船於1992年6月27日下水試航，尚未進入實用階段。用超導材料制造車輛還存在壹些技術障礙，但勢必會引發壹波車輛革命。
超導材料的零電阻特性可用於輸電和制造大型磁體。超高壓輸電會有很大的損耗，使用超導體可以把損耗降到最低，但是臨界溫度更高的超導體還沒有進入實用階段，因此限制了超導輸電的采用。隨著技術的發展和新型超導材料的出現，超導輸電的希望在不久的將來就能實現。
現有的高溫超導體仍處於必須用液氮冷卻的狀態，但仍被認為是20世紀最偉大的發現之壹。
[編輯本段]超導技術及其應用
比爾·李
1911年，荷蘭科學家艾格尼絲用液氦冷卻了水星。當溫度降至4.2K時，發現水銀的電阻完全消失。這種現象被稱為超導。1933年，邁斯納和奧克森菲爾德兩位科學家發現，如果超導體在磁場中冷卻，當材料電阻消失時，磁感應線會從超導體中放電，無法穿過。這種現象被稱為抗磁性。
超導性和抗磁性是超導體的兩個重要特性。超導體電阻為零的溫度稱為超導臨界溫度。經過科學家幾十年的努力，超導材料的磁電屏障已經被跨越，接下來的難點是突破溫度屏障，即尋求高溫超導材料。
奇怪的超導陶瓷
1973年，人們發現了超導合金——n B- Ge合金，其臨界超導溫度為23.2K，保持了13年。1986年，瑞士蘇黎世IBM公司研究中心報道壹種氧化物(La-Ba-Cu-O)具有35K的高溫超導性，打破了氧化物陶瓷是絕緣體的傳統觀念，在世界科學界引起轟動。此後，科學家們爭分奪秒地攻關，幾乎每隔幾天就有新的研究成果出現。
1986年底，貝爾實驗室匡西成研究的氧化物超導材料臨界超導溫度達到40K，跨越了液氫的“溫度屏障”(40K)。1987年2月，美籍華人科學家朱經武和中國科學家趙忠賢先後在釔鋇銅氧材料上把臨界超導溫度提高到90K以上，液氮的禁區(77K)奇跡般地被打破。1987年底，鉈鋇鈣銅氧材料將臨界超導溫度提高到125K，在1986-1987的短短壹年多時間裏，臨界超導溫度居然提高了100K以上，這是材料發展史乃至科技發展史上的奇跡！
高溫超導材料的不斷出現，為超導材料從實驗室走向應用鋪平了道路。
[編輯此段]超群超導磁體
超導材料最吸引人的應用是發電、輸電和儲能。
由於超導材料在超導狀態下電阻為零，完全抗磁性，所以可以用極少的功耗獲得654.38+百萬高斯以上的穩態強磁場。使用常規導體作為磁體，要產生這麽大的磁場，需要消耗3.5 MW的電能和大量的冷卻水，投資巨大。
超導磁體可用於制造交流超導發電機、MHD發電機和超導輸電線路。
超導發電機在電力領域，利用超導線圈磁鐵可以將發電機的磁場強度提高到50000 ~ 60000高斯，幾乎沒有能量損失。這種發電機是交流超導發電機。與常規發電機相比，超導發電機的單機容量提高了5 ~ 10倍，達到100MW，而體積減小了1/2，整機重量減輕了1/3，發電效率提高了50%。
磁流體發電機磁流體發電機也離不開超導強磁體的幫助。磁流體發電以高溫導電氣體(等離子體)為導體，高速通過磁場強度為50000-60000高斯的強磁場進行發電。MHD發生器的結構非常簡單，用於MHD發電的高溫導電氣體可以重復利用。
用於超導輸電線路的超導材料還可以用來制作超導導線和超導變壓器，從而幾乎無損耗地向用戶輸送電力。據統計，目前約有15%的電能損耗在輸電線路上。僅在中國，每年的電力損失就超過65，438+000億千瓦時。如果改用超導輸電，節省的能源相當於建幾十座大型電廠。
超導的廣泛應用
高溫超導材料的應用非常廣泛，大致可以分為三類:大電流應用(大電流應用)、電子應用(小電流應用)和抗磁性應用。大電流應用是前面提到的超導發電、輸電和儲能；電子應用包括超導計算機、超導天線、超導微波器件等。抗磁性主要用於磁懸浮列車和熱核聚變反應堆。
超導磁懸浮列車利用超導材料的抗磁性，將超導材料置於永磁體之上。因為磁鐵的磁力線無法穿過超導體，所以磁鐵和超導體之間會產生排斥力，使超導體懸浮在磁鐵上方。這種磁懸浮效應可以用來制作高速超導磁懸浮列車。
超導磁體計算機高速計算機要求集成電路芯片上的元器件和連接線密集排布，但密集排布的電路在工作時會產生大量的熱量，散熱是VLSI面臨的難題。在超導計算機的VLSI中，元器件之間的互連線采用近零電阻、超微發熱的超導器件，因此不存在散熱問題，計算機的運算速度大大提高。此外，科學家正在研究用半導體和超導體制造晶體管，甚至完全用超導體制造晶體管。
在核聚變反應堆的“磁外殼”中進行核聚變反應時，內部溫度高達1億到2億攝氏度，任何常規物質都無法包含這些物質。超導體產生的強磁場可以作為壹個“磁外殼”，將熱核反應堆中的超高溫等離子體包圍、約束起來，然後慢慢釋放出來，從而使受控核聚變能源成為21世紀前景廣闊的新能源。
科學家最近創造了壹種新的材料形式，並預測它將有助於人類制造下壹代超導體，可用於發電和提高火車工作效率等多種用途。
這種新的物質形態被稱為費米凝聚體，是已知的第六種物質形態。物質的前五種形態是氣體、固體、液體、等離子體和1995年剛剛發明的玻色-愛因斯坦凝聚體。
費米子和玻色子的主要區別體現在“自旋”的量子力學性質上。費米子是類似電子的粒子，自旋為半整數(如1/2，3/2，5/2等。);玻色子是類似質子的粒子，自旋為整數(如0，1，2等。).這種自旋差異使得費米子和玻色子具有完全不同的特性。沒有兩個費米子可以有相同的量子態:它們沒有相同的特性，也不能在同壹時間處於同壹地點；玻色子也可以有同樣的特性。因此，當物理學家在1995年將壹定數量的銣和鈉原子冷卻成玻色子後，它們中的大部分變成了同樣的低溫量子態，實際上變成了單壹的巨大的整體原子:玻色-愛因斯坦凝聚態。但是像鉀-40或鋰-6這樣的費米子，即使在非常低的溫度下，每個粒子也必須具有略微不同的特性。
2003年，物理學家找到了克服上述障礙的方法。他們把費米子對轉換成玻色子，兩個半整數自旋形成壹個整數自旋，於是費米子對充當了玻色子，所有氣體壹下子凝聚成了玻色-愛因斯坦凝聚體。奧地利因斯布魯克大學的科學家將鋰-6原子冷卻，同時施加穩定的磁場，促進費米子結合在壹起。美國科羅拉多州實驗室天體物理聯合研究所采用的技術略有不同。他們冷卻鉀-40原子並施加磁場。通過磁場的變化，每個原子強烈吸引附近的原子，誘導它們形成原子對，進而凝聚成玻色-愛因斯坦凝聚態。