超导材料的历史与未来- 大数跨境

中科富海

2022-08-03

什么是超导材料？

超导材料，是指具有在一定的低温条件下呈现出电阻等于零以及排斥磁力线的性质的材料。

气体液化问题是19世纪物理的热点之一。1894年荷兰莱顿大学实验物理学教授卡麦林·昂内斯建立了著名的低温试验室。1908年昂内斯成功地液化了地球上最后一种“永久气体”—氦气，并且获得了接近绝对零度（零下273.2摄氏度，标为0K）的低温：4.25K~1.15K（相当于零下摄氏度）。为此，朋友们风趣地称他为“绝对零度先生”。这样低的温度为超导现象的发现提供了有力保证。经过多次实验，1911年昂内斯发现：汞的电阻在4.2K左右的低温度时急剧下降，以致完全消失（即零电阻）。1913年他在一篇论文中首次以“超导电性”一词来表达这一现象。由于“对低温下物质性质的研究，并使氦气液化”方面的成就，昂内斯获1913年诺贝尔物理学奖。

一般来说，按照材料的常温电阻率从大到小可以分为绝缘体、半导体和导体。绝大部分金属都是良导体，他们在室温下的电阻率非常小但不为零，在10-12mΩ ∙ cm量级附近。

当把某种材料降到某个特定温度以下的时候，电阻突降为零，同时所有外磁场磁力线被排出材料外，导致体内磁感应强度为零，即同时出现零电阻态和完全抗磁性。这种状态下，即为材料进入超导态，这种材料就是超导材料。

超导体的一系列神奇特性意味着我们可以在低温下稳定地利用超导体，比如实现无损耗输电、稳恒强磁场和高速磁悬浮车等。正因如此，自从超导发现以来，人们对超导材料的探索脚步一直不断向前，对超导微观机理和超导应用的研究热情也从未衰减。

超导材料的发展历史

1911年，荷兰物理学家昂尼斯(H.K.Onnes)发现，汞的电阻率并不像预料的那样随温度降低逐渐减小，而是当温度降到4.15K附近时，汞的电阻突然降到零。超导现象和超导体被第一次发现了。

1986年，IBM公司的柏诺兹（J. Bednorz）和缪勒（K. Müller）独辟蹊径，在一般认为导电性不好的陶瓷材料中去探索超导电性。结果他们在La-Ba-Cu-O体系中首次发现了可能存在超导电性，其Tc（临界转变温度）高达35 K。这一发现引发了世界范围高温超导研究热潮。

1987年，美国休斯顿大学的朱经武、吴茂昆研究组和中国科学院物理研究所的赵忠贤研究团队分别独立发现在YBa₂Cu₃O₆⁺体系存在90 K以上的Tc。超导研究首次成功突破了液氮温区(液氮的沸点为77 K)，使得超导的大规模研究和应用成为可能。

1994年，朱经武研究组在高压条件下把Hg₂Ba₂Ca₂Cu₃O₁₀ 体系的Tc 提高到了164 K，这一最高Tc纪录一直保持至今。

2006年，日本的细野秀雄（H. Hosono）发现LaFePO存在4 K左右的超导电性，随后他们于2008年一月又发现LaFeAsO_1-xF_x中存在26 K的超导电性。开创了铁基超导的先河。之后在国际上引发了以铁基超导研究领衔的高温超导研究的第二波热潮。

在近100年的超导材料发展历史中，有10位科学家凭借杰出的研究获得了诺贝尔物理学奖。

目前发现的超导材料主要可以划分如下几大家族：金属和合金超导体、铜氧化物超导体、重费米子超导体、有机超导体、铁基超导体以及其他氧化物超导体。

超导材料的分类

超导材料分为低温超导材料和高温超导材料。

低温超导材料

何谓低温超导材料？低温超导材料是具有低临界转变温度(Tc<30K=在液氦温度条件下工作)的超导材料，分为金属、合金和化合物。具有实用价值的低温超导金属是Nb(铌)，Tc为9.3K已制成薄膜材料用于弱电领域。合金系低温超导材料是以Nb为基的二元或三元合金组成的β相固溶体，Tc在9K以上。低温超导材料一般都需在液氦环境下工作，低温超导材料的应用分为：强电应用，主要包括超导在强磁场中的应用和大电流输送；弱电应用，主要包括超导电性在微电子学和精密测量等方面的应用。

高温超导材料

高温超导体材料(HTS)具有超导电性和抗磁性两个重要特性。要让超导体得到现实的应用，首先要有容易找到的超导材料。即主要研究方向就是寻找能在较高温度下存在的超导体材料。高温超导材料用途非常广泛，大致可分三大类：大电流应用、电子学应用和抗磁性应用。大电流应用是由于超导材具有零电阻和完全的抗磁性，因此只需消耗极少的电能，就可以获得的稳定强磁场。超导体的基本特性之一是当它处于超导态时具有理想的导电性，同时由于其载流能力远远强于常规导体，因此，利用超导体可以传输大电流和产生强磁场，并且没有电阻热损耗。电工设备的基本特点是大电流、强磁场和高电压，因此在电工设备中使用超导材料可以减少电气损耗、提高效率、缩小体积、减轻重量、降低成本，还可以提高装置的极限容量。显然，超导材料的应用给电工技术带来了质的飞跃，许多过去无法实现的电工设备由于采用超导技术而成为现实，或即将成为现实。我国电力资源和负荷分布不均，因此长距离、低损耗的输电技术显得十分迫切。超导材料由于其零电阻特性以及比常规导体高得多的载流能力，可以输送极大的电流和功率而没有电功率损耗。据统计，按目前情况，如果将铜或铝导改为超导体，光是在中国节省电能相当于新建数十个大型发电厂。超导材料在这些方面的应用是最诱人的。

超导材料应用前景

超导技术的突破性进展和广泛应用，将引起一场新的技术革命，并对科技、经济、军事乃至社会发展产生不可估量的影响。超导技术的应用范围十分广阔，在输电、电机、交通运输、航天、微电子、电子计算机、通信、核物理、新能源、生物工程、医疗以及军事装备等领域，都已展现出灿烂夺目的前景。

超导材料的应用，将会在电力工业中引起一场革命。利用超导材料制成很细的导线，在无需变电所和变压器等配电设备下输电，免去由于常规输电造成的10%以上电力损失(送电、变电、配电等每一步都存在电阻，使一部分电能转化成热量而白白浪费)，电费开支节省15%以上。据估计，光是实现超导输电，美国每年就可减少100亿美元的电力损失。超导发电机、电动机和其他大型电机与现有同类产品比，不仅体积小、重量轻十分之九、造价低一半，而且可以大大提高电流效率。一台100万千瓦大型超导发电机，设计寿命为40年，光节约能量就相当于400万桶石油。

人们预计，超导将在能源工业上大有作为，超导储能可以调节电网的负荷。电力输入超导线圈中，电流可在里面长期流动而几乎不损耗电能，因此，可设计大容量的超导储能装置于地下岩石中，储存大量电能供电网调峰之用。超导体约束的等离子体可以引起核聚变以实现受控热核反应，为解决能源危机发挥重大作用。

超导体在电子学领域里大有用武之地。用超导芯片(约瑟夫森器件)代替普通芯片制成超导计算机，可以大大提高运算速度，减小计算机体积。美国研制的一台运算速度为800万次/秒的超导计算机，只有一部电话机那么大，运算速度提高了10～1000倍，而且元件不发热、功耗非常小、无故障、高效率运行时间要长得多。

超导技术可用于通信。一根超导线路传递数据的速率高达每秒1亿次，可供1500万部电话机同时通话，比现有光纤通信的通信速率还快100倍。

用超导器件制成的极其精密的超导量子干涉仪，可测出极其微弱的电磁波，被广泛用到电子工业中。超导量子干涉仪不但能探测出埋在地下的矿物，也能探测出人脑的高级神经活动，揭开人类大脑思维活动的奥秘。利用超导原理制造的新型红外探测器、超导磁强针、超导重力仪、超导滤波器及各种微波器件，将广泛应用于航空航天事业、地震预报、地质勘探及天文学领域。利用超导体的完全抗磁性可制造新型回旋加速器，把人们的视觉和感观延伸到微观世界深处，揭开物质起源、生命起源的奥秘。

超导磁悬浮列车是会“飞”的火车，由于磁悬浮列车与铁轨之间的磁力作用，使列车悬浮在铁轨上方，消除了铁轨与车轮之间的摩擦力，时速可达500千米，而且行车平稳、噪声小、安全舒适、所需牵引力小、不污染环境。将来的轮船、汽车也可以用超导电动机开动。如果用超导电动汽车来代替燃油汽车，那么全世界一年可节省汽油10亿吨。

专家们相信，超导材料在工业上大规模应用已经为期不远了。持乐观态度的人预计，到2l世纪中叶超导产业将会创造8000亿美元的巨大市场。

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