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超导体

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超导体（英语：Superconductor），指可以在特定温度以下，呈现电阻为零的导体。零电阻和完全抗磁性是超导体的两个重要特性。超导体电阻转变为零的温度，称为超导临界温度，据此超导材料可以分为低温超导体和高温超导体。这里的“高温”是相对于绝对零度而言的，其实远低于冰点摄氏0℃。科学家一直在寻求提高超导材料的临界温度，目前高温超导体的最高温度记录是马克普朗克研究所的203K（-70°C）。因为零电阻特性，超导材料在生成强磁场方面有许多应用，如MRI核磁共振成像等。

超导体演进史

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主条目：超导现象
超导迈斯纳效应
  • 1911年，荷兰科学家海克·卡末林·昂内斯用液氦冷却汞，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。
  • 1933年，瓦尔特·迈斯纳和罗伯特·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，这种抗磁性现象称为迈斯纳效应。目前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，阿拉巴马大学亨茨维尔分校的台湾科学家吴茂昆及其研究生（Ashburn和Torng），与休斯顿大学的台湾科学家朱经武和他的学生共同发现了钇钡铜氧，这是首个超导温度在77K以上的材料，突破了液氮的“温度壁垒”（77K）。[1][2][3][4][5][6][7][8]从此，科学家可以使用便宜的液氮而非昂贵的液氦研究超导体，这引发了对新型高温超导材料的研究热潮。随后，中国大陆科学家赵忠贤以及台湾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。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 [9]。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[10] [11]。但并未有人发现其中的超导现象。
  • 2008年，日本的细野秀雄团队发现在铁基氮磷族氧化物（iron-based oxypnictide）中，将部分氧以掺杂的方式用氟作部分取代，可使LaFeAsO1-xFx的临界温度达到26K[12]，在加压后(4 GPa)甚至可达到43K[13]。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[14]。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[15] [16]。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[17] [18] [19]。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。另外，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) [20]。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。
  • 2015年，德国普朗克研究所的V. Ksenofontov和S. I. Shylin研究组创下新的超导温度记录：203K（-70°C）。其物质为硫化氢，论文发表在《自然》期刊。[21]
  • 2018年，德国化学家发现十氢化镧在压力170GPa，温度250K（-23℃） 下有超导性出现，是目前已知最高温度的超导体[22]。

超导体的分类

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一块超导材料沿着磁道道前进

现在对于超导体的分类并没有统一的标准，通常的分类方法有以下几种：

超导材料临界温度

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超导材料临界温度Tc 总表
材料 符号 Tc (K) 晶胞中Cu-O平面数目 结构
YBa2Cu3O7 123 92 2 正交晶系
Bi2Sr2CuO6 Bi-2201 20 1 四方晶系
Bi2Sr2CaCu2O8 Bi-2212 85 2 四方晶系
Bi2Sr2Ca2Cu3O6 Bi-2223 110 3 四方晶系
Tl2Ba2CuO6 Tl-2201 90 1 四方晶系
Tl2Ba2CaCu2O8 Tl-2212 108 2 四方晶系
Tl2Ba2Ca2Cu3O10 Tl-2223 125 3 四方晶系
TlBa2Ca3Cu4O11 Tl-1234 122 4 四方晶系
HgBa2CuO4 Hg-1201 94 1 四方晶系
HgBa2CaCu2O6 Hg-1212 128 2 四方晶系
HgBa2Ca2Cu3O8 Hg-1223 134 3 四方晶系

理论进展

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未解决的化学问题：高温超导体在相图上各点的电子排布是什么？能否将转变温度提高到室温？

美国物理学家约翰·巴丁、利昂·库珀、约翰·施里弗提出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。

2012年9月，德国莱比锡大学的研究人员宣布了一项进展：石墨颗粒能在室温下表现出超导性。研究人员将石墨粉浸入水中后滤除干燥，置于磁场中，结果一小部分（大约占0.01％）样本表现出抗磁性，而抗磁性是超导材料的标志性特征之一。 虽然表现出超导性的石墨颗粒很少，但这一发现仍然具有重要意义。迄今为止，超导体只有在温度低于－70°C下才能够发挥作用。如果像石墨粉这样便宜且容易获得的材料真能在室温下实现超导，将引发一次新的现代工业革命。[23]

2023年7月，韩国科学技术院院士李石培等人制造出名为LK-99的材料，据称能在370K（97℃，206℉）以下作为超导体。[24] [25]

用途

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  • 超导输电线路- 理论上能免除所有输电损耗，大幅压低发电量需求，但成本与保持低温问题使其处于概念研发前沿阶段。[26]中国河南巩义市一间电解铝工厂内目前建有试验超导输电线，仅有360米但已经是世界最长的商用线路，除去保持低温的用电后依然比传统电线节约了65%电量。[27]
  • 超导发电机 - 超导磁体可用于制作交流超导发电机、磁流体发电机让其效率更上一个台阶。1985年日本造船促进基金会(JAFSA)就已经成立了超导电磁发动机船舶(SEMP)开发委员会，目前技术开发尚未达到可商业化水准[28]。
  • 超导量子干涉仪（SQUID） - 目前已经产业化。
    • 作为低温超导材料的主要代表NbTi合金和Nb3Sn量子干涉仪，在商业领域主要应用于医学领域的MRI（核磁共振成像仪）。
    • 基础科学研究领域，已经应用于欧洲的大型项目LHC项目，帮助人类寻求宇宙的起源等科学问题。
    • 探勘地底石油与矿物。
    • 军事上有增强反潜机探测潜艇的能力，但还在理论阶段。[29]
  • 超导滤波器 - 目前已经产业化。民用手机和无线网的普及造成大气中电磁讯号极度复杂化，许多通讯装置和气象观测机受到干扰，超导滤波器有很强的滤波能力使这些旧型装置重新发挥功能。[30]
  • 超导磁浮列车 -用于磁浮列车可以说是超导界的圣杯，由于超导体天然就有磁浮效应，几乎不用任何机械设计，理论上能建造极度廉价却又超过飞机速度的列车，永远改变人类的生活方式。[31]2017年中国航天科工集团宣布展开研发专案，利用超导磁悬浮和真空管道双重技术建造时速达4000公里的列车。

参考文献

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  1. ^ IN THE TRENCHES OF SCIENCE. 纽约时报. 1987-08-16 [2018-05-05]. （原始内容存档于2018-05-05）. 
  2. ^ 九十度的震撼－吳茂昆超導物理世界. 远见杂志. 1988-07-15 [2018-05-05]. （原始内容存档于2018-05-05）. 
  3. ^ Suspension Effect Astounds Scientists. 纽约时报. 1988-09-20 [2018-05-05]. （原始内容存档于2018-05-05）. 
  4. ^ Method for making superconductor films. 1991-12-13 [2018-05-05]. （原始内容存档于2018-05-05）. 
  5. ^ Heating up of Superconductors. 物理评论快报. 2017 [2018-05-05]. （原始内容存档于2018-08-19）. 
  6. ^ 「超導體，我研究了一輩子！」專訪超導物理專家吳茂昆. 《研之有物》. 中央研究院. 2002-11-01 [2018-05-05]. （原始内容存档于2018-05-05）. 
  7. ^ 當自由的心靈遇到高溫超導. 科学人. 2005-09 [2018-05-05]. （原始内容存档于2018-05-05）. 
  8. ^ 超導大師朱經武. 科学人. 2008-10 [2018-05-05]. （原始内容存档于2018-05-05）. 
  9. ^ J. Nagamatsu, N. Nakagawa, T. Muranaka, Y. Zenitani, and J. Akimitsu, Nature 410, 63 (2001)
  10. ^ B.I. Zimmer,W. Jeitschko, J.H. Albering, R. Glaum, M. Reehuis, J. Alloys Comp. 229, 238 (1995)
  11. ^ P. Quebe, L. J. Terbüchte, and W. Jeitschko, J. Alloys Comp. 302, 70 (2000)
  12. ^ Y. Kamihara, T. Watanabe, M. Hirano, and H. Hosono, J. Am. Chem. Soc. 130, 3296 (2008)
  13. ^ H. Takahashi, K. Igawa, K. Arii, Y. Kamihara, M. Hirano, and H. Hosono, Nature 453, 376 (2008)
  14. ^ H. H. Wen, G. Mu, L. Fang, H. Yang, and X. Zhu, Europhys. Lett. 83, 17009 (2008)
  15. ^ X. H. Chen, T. Wu, G. Wu, R. H. Liu, H. Chen, and D. F. Fang, Nature 453, 761 (2008)
  16. ^ 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)
  17. ^ G. Cao, C. Wang, Z. Zhu, S. Jiang, Y. Luo, S. Chi, Z. Ren, Q. Tao, Y. Wang, and Z. Xu arXiv:0807.1304 （页面存档备份，存于互联网档案馆）
  18. ^ 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 （页面存档备份，存于互联网档案馆）
  19. ^ 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)
  20. ^ M. Rotter, M. Tegel, and D. Johrend arXiv:0805.4630 （页面存档备份，存于互联网档案馆）
  21. ^ Conventional superconductivity at 203 kelvin at high pressures in the sulfur hydride system; A. P. Drozdov, M. I. Eremets, I. A. Troyan, V. Ksenofontov & S. I. Shylin; Nature (2015) doi:10.1038/nature14964
  22. ^ Drozdov, A. P.; Kong, P. P.; Minkov, V. S.; Besedin, S. P.; Kuzovnikov, M. A.; Mozaffari, S.; Balicas, L.; Balakirev, F.; Graf, D.; Prakapenka, V. B.; Greenberg, E.; Knyazev, D. A.; Tkacz, M.; Eremets, M. I. Superconductivity at 250 K in lanthanum hydride under high pressures. arXiv:1812.01561 [cond-mat]. 2018-12-04 [2018-12-13]. （原始内容存档于2018-12-12）. 
  23. ^ Scientific American 2013
  24. ^ published 2023027536A1,이석배; 김지훈 & 권영완,“Ceramic composite with superconductivities over room temperature at atmospheric condition and method of manufacturing the ceramic composite”,发表于2023-03-02  互联网档案馆的存档，存档日期2023-07-26.
  25. ^ Lee, Sukbae; Kim, Ji-Hoon; Im, Sungyeon; An, Soomin; Kwon, Young-Wan; Ho, Auh Keun. Consideration for the development of room-temperature ambient-pressure superconductor (LK-99). Korean Crystal Growth and Crystal Technology (Korea Association Of Crystal Growth). 2023-03-31, 33 (2): 61‒70 [2023-07-25]. doi:10.6111/JKCGCT.2023.33.2.061. （原始内容存档于2023-07-25）. 
  26. ^ 严陆光 肖立业 林良真 戴少涛. 大力发展高电压、长距离、大容量高温超导输电的建议. [2020-09-19]. （原始内容存档于2021-04-18） （中文（中国大陆））. 
  27. ^ 程玉峰 邓红超. 巩义360米“高温超导电缆”创下两项世界之最. henan.qq.com. 2013-04-20 [2020-09-19]. （原始内容存档于2021-02-25） （中文（中国大陆））. 
  28. ^ 郑征; 邹瑾; 胡迪. 高温超导船用推进电动机的发展和现状. 微特电机. 2013, 41 (9): 64–67. ISSN 1004-7018. doi:10.3969/j.issn.1004-7018.2013.09.020. CNKI WTDJ201309020. 
  29. ^ SQUID_sensors_penetrate_new_markets. [2020-09-19]. （原始内容存档于2019-05-02） （英语）. 
  30. ^ 详解高温超导滤波器构成 - 微波部件/模块 - 微波射频网. www.mwrf.net. [2020-09-19]. （原始内容存档于2021-03-04）. 
  31. ^ 宫叶. 中国要建超级高铁最高时速达4000公里. 多维新闻. 2017-08-30 [2020-09-19]. （原始内容存档于2020-08-14） （中文（简体））. 

延伸阅读

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外部链接

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