超导现象原因

美国科学家找到物质为何具有“超导电性”原因--据太空新闻网10月28日消息，美国能源部国家实验室的科学家们在最新的研究中发现了一个新的现象，可以解释为什么物质在一定的清晰度条件下具有超导电性。所谓超导电性，是指物质在一定的温度条件下其电阻下降为零的现象。科学家们在研究超导化合物时发现，化合物内部电子的分布是不平均的，在电子分布稀少或者没有电子的地方会形成一个空穴，而这个空穴可能就是让物质具备超导能力的原因。科学家们的这一发现被发表在了10月28日出版的《自然》杂志上。科学家们研究了由锶、铜和氧等成份组成了超导化合物(科学家们通常称之为SCO)，这种化合物是铜酸盐的一种。铜酸盐是含有铜氧化物的盐类物质的总称。在SCO超导化合物中，科学家们发现了一个结晶体空穴，它是由一些小的空穴按一定的规律严格排列而成的。科学家们表示，这些洞肯定发生了一些变化，就象电子，可能所有的电子都联系在了一起，也许这就是让化合物具有超导性能的原因所在。负责这项研究的物理学家彼得·阿伯玛特表示，研究中发现的这咱结晶空穴是一种非常奇特的现象，它的形成是那些小的空穴相互之间直接作用的的结果。以此类推，科学家们认为其它的铜酸盐也有可能在一定的温度条件下具有超导性能。SCO化合物的结构就象一个三明治，两层不同的铜氧化物当中夹着一层锶原子。在第一层中，铜氧化物的分子形状是呈长形的平行排列，而在另一层铜氧化物分子的分布是一种阶梯式的结构，其中就含有许多的晶体空穴。晶体空穴实质上是物质内部电荷排列的一种形式。科学家们认为物质内部电荷排列方式是非常重要的，因为超导性能可能就是因为某种特殊的电荷排列而造成的或者说是当物质内部的电荷排列接近两种排列方式的界限时就会出现超导现象。科学家们目前正在对其它的拥有带状晶体空穴和其它一些磁性空穴的铜酸盐进行类似的研究。阿伯玛特表示，我们认为结晶体空穴和电荷和条状分布是有关系的，尤其是在SCO化合物中，这种结晶体空穴是电荷分布的一种极端状态的表现，也就是说这种分布状态只能出现于铜氧化物呈梯状分子结构的那一层里，而不是在整个的铜氧化物层中。阿伯玛特和他的同事们利用美国国家同步加速器光源发射出的X射线对SCO化合物进行了研究，观测了不同波长的X射线在SCO化合物中的反应。美国国家同步加速器光源是一个专门用来产生X射线、红外线和紫外线的研究设备，它被广泛应用于各类的科学研究。科学家们发现当X射线的能量达到一个特定的数量的时候，SCO化合物会强烈的对其产生反应，而这种反应就是由于结晶体空穴产生的。科学家们认为这些结晶体的空穴排列是一种有序的晶格，因为混乱的排列是无法对X射线产生如此强烈的反应的。阿伯玛特和他的同事们计划继续对SCO化合物进行更进一步的研究，探索如果这些晶体空穴的结构发生了改变会有什么样的后果。他们还将对其它的铜酸盐进行研究观测它们的条状电荷分布是否与晶体空穴有关。阿伯玛特称：很明显，我们需要进行进一步的研究，这些晶体空穴与物质的超导性能肯定存在着某种联系。这项研究所需的经费是由美国能源部基础能源科学办公室，美国国家科学基金会、贝尔实验室、荷兰国家科学基金和荷兰基础研究组织共同提供的1911年，荷兰莱顿大学的卡茂林·昂尼斯意外地发现，将汞冷却到-268.98°C时，汞的电阻突然消失；后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性，由于它的特殊导电性能，卡茂林·昂尼斯称之为超导态。卡茂林由于他的这一发现获得了1913年诺贝尔奖。这一发现引起了世界范围内的震动。在他之后，人们开始把处于超导状态的导体称之为“超导体”。超导体的直流电阻率在一定的低温下突然消失，被称作零电阻效应。导体没有了电阻，电流流经超导体时就不发生热损耗，电流可以毫无阻力地在导线中形成强大的电流，从而产生超强磁场。1933年，荷兰的迈斯纳和奥森菲尔德共同发现了超导体的另一个极为重要的性质，当金属处在超导状态时，这一超导体内的磁感兴强度为零，却把原来存在于体内的磁场排挤出去。对单晶锡球进行实验发现：锡球过渡到超导态时，锡球周围的磁场突然发生变化，磁力线似乎一下子被排斥到超导体之外去了，人们将这种现象称之为“迈斯纳效应”。后来人们还做过这样一个实验：在一个浅平的锡盘中，放入一个体积很小但磁性很强的永久磁体，然后把温度降低，使锡盘出现超导性，这时可以看到，小磁铁竟然离开锡盘表面，慢慢地飘起，悬浮不动。迈斯纳效应有着重要的意义，它可以用来判别物质是否具有超性。为了使超导材料有实用性，人们开始了探索高温超导的历程，从1911年至1986年，超导温度由水银的4.2K提高到23.22K（0K=-273.15°C；K开尔文温标，起点为绝对零度）。1986年1月发现钡镧铜氧化物超导温度是30K，12月30日，又将这一纪录刷新为40.2K，1987年1月升至43K，不久又升至46K和53K，2月15日发现了98K超导体。高温超导体取得了巨大突破，使超导技术走向大规模应用。超导材料和超导技术有着广阔的应用前景。超导现象中的迈斯纳效应使人们可以到用此原理制造超导列车和超导船，由于这些交通工具将在悬浮无摩擦状态下运行，这将大大提高它们的速度和安静性，并有效减少机械磨损。利用超导悬浮可制造无磨损轴承，将轴承转速提高到每分钟10万转以上。超导列车已于70年代成功地进行了载人可行性试验，1987年开始，日本国开始试运行，但经常出现失效现象，出现这种现象可能是由于高速行驶产生的颠簸造成的。超导船已于1992年1月27日下水试航，目前尚未进入实用化阶段。利用超导材料制造交通工具在技术上还存在一定的障碍，但它势必会引发交通工具革命的一次浪潮。超导材料的零电阻特性可以用来输电和制造大型磁体。超高压输电会有很大的损耗，而利用超导体则可最大限度地降低损耗，但由于临界温度较高的超导体还未进入实用阶段，从而限制了超导输电的采用。随着技术的发展，新超导材料的不断涌现，超导输电的希望能在不久的将来得以实现。现有的高温超导体还处于必须用液态氮来冷却的状态，但它仍旧被认为是20世纪最伟大的发现之一。超导九十年1911年卡茂林－昂尼斯意外地发现，将汞冷却到－268.98℃时，汞的电阻突然消失；后来他发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性1913年卡茂林－昂尼斯在诺贝尔领奖演说中指出：低温下金属电阻的消失“不是逐渐的，而是突然的”，水银在4．2K进入了一种新状态，由于它的特殊导电性能，可以称为超导态”1932年霍尔姆和卡茂林－昂尼斯都在实验中发现，隔着极薄一层氧化物的两块处于超导状态的金属，没有外加电压时也有电流流过1933年荷兰的迈斯纳和奥森菲尔德共同发现了超导体的一个极为重要的性质1935年德国人伦敦兄弟提出了一个超导电性的电动力学理论1950年美籍德国人弗茹里赫与美国伊利诺斯大学的巴丁经过复杂的研究和推论后，同时提出：超导电性是电子与晶格振动相互作用而产生的。他们都认为金属中的电子在点阵中被正离子所包围，正离子被电子吸引而影响到正离子振动，并吸引其它电子形成了超导电流。接着，美国伊利诺斯大学的巴丁、库柏和斯里弗提出超导电量子理论，他们认为：在超导态金属中电子以晶格波为媒介相互吸引而形成电子对，无数电子对相互重叠又常常互换搭配对象形成一个整体，电子对作为一个整体的流动产生了超导电流。由于拆开电子对需要一定能量，因此超导体中基态和激发态之间存在能量差，即能隙。这一重要的理论预言了电子对能隙的存在，成功地解释了超导现象，被科学家界称作“巴库斯理论”。这一理论的提出标志着超导理论的正式建立，使超导研究进入了一个新的阶段。1953年毕派德推广了伦敦的概念并得到与实验基本相符的超导穿透深度的数值1960-1961年美籍挪威人贾埃瓦用铝做成隧道元件进行超导实验，直接观测到了超导能隙，证明了巴库斯理论。他在大量实验中，曾多次测量到零电压的超导电流，但未引起他的重视。1962年年仅20多岁的剑桥大学实验物理研究生约瑟夫逊在著名科学家安德森指导下研究超导体能隙性质，他提出在超导结中，电子对可以通过氧化层形成无阻的超导电流，这个现象称作直流约瑟夫逊效应。当外加直流电压为V时，除直流超导电流之外，还存在交流电流，这个现象称作交流约瑟夫逊效应。将超导体放在磁场中，磁场透入氧化层，这时超导结的最大超导电流随外磁场大小作有规律的变化。约瑟夫逊的这一重要发现为超导体中电子对运动提供了证据，使对超导现象本质的认识更加深入。约瑟夫森效应成为微弱电磁信号探测和其他电子学应用的基础。70年代超导列车成功地进行了载人可行性试验。超导列车是在车上安装强大的超导磁体，地上安放一系列金属环状线圈。当车辆行进时，车上的磁体在地上的线圈中感应起相反的磁极，使两者的斥力将车子浮出地面。车辆在电机牵引下无摩擦地前进，时速可高达500千米。1986年1月在美国国际商用机器公司设在瑞士苏黎世实验室中工作的科学家柏诺兹和缪勒，首先发现钡镧铜氧化物是高温超导体，将超导温度提高到30K；紧接着，日本东京大学工学部又将超导温度提高到37K。1987年1月初日本川崎国立分子研究所将超导温度提高到43K；不久日本综合电子研究所又将超导温度提高到46K和53K。中国科学院物理研究所由赵忠贤、陈立泉领导的研究组，获得了48．6K的锶镧铜氧系超导体，并看到这类物质有在70K发生转变的迹象。1987年2月16日美国国家科学基金会宣布，朱经武与吴茂昆获得转变温度为98K的超导体。1987年2月20日中国也宣布发现100K以上超导体。1987年3月3日，日本宣布发现123K超导体。1987年3月12日中国北京大学成功地用液氮进行超导磁悬浮实验。1987年3月27日美国华裔科学家又发现在氧化物超导材料中有转变温度为240K的超导迹象。很快日本鹿儿岛大学工学部发现由镧、锶、铜、氧组成的陶瓷材料在14℃温度下存在超导迹象。1987年12月30美国休斯敦大学宣布，美籍华裔科学家朱经武又将超导温度提高到40．2℃1987年日本铁道综合技术研究所的“MLU002”号磁悬浮实验车开始试运行1991年3月日本住友电气工业公司展示了世界上第一个超导磁体。1991年10月日本原子能研究所和东芝公司共同研制成核聚变堆用的新型超导线圈。该线圈电流密度达到每平方毫米40安培，为过去的3倍多，达到世界最高水准。该研究所把这个线圈大型化后提供给国际热核聚变堆使用。这个新型磁体使用的超导材料是铌和锡的化合物。1992年1月27日第一艘由日本船舶和海洋基金会建造的超导船“大和”1号在日本神户下水试航。超导船由船上的超导磁体产生强磁场，船两侧的正负电极使水中电流从船的一侧向另一侧流动，磁场和电流之间的洛化兹力驱动船舶高速前进。这种高速超导船直到目前尚未进入实用化阶段，但实验证明，这种船舶有可能引发船舶工业爆发一次革命，就像当年富尔顿发明轮船最后取代了帆船那样。1992年一个以巨型超导磁体为主的超导超级对撞机特大型设备，于美国得克萨斯州建成并投入使用，耗资超过82亿美元。1996年改进高温超导电线的研究工作取得进展，制成了第一条地下输电电缆。欧洲电缆巨头皮雷利电缆公司、美国超导体公司和旧金山的电力研究所的工人，共同把6000米长的铋、锶、钙、铜和氧制成的线缠绕到一根保持超导温度的液氮的空管子上。2001年4月，340米铋系高温超导线在清华大学应用超导研究中心研制成功，并于年末建成第一条铋系高温线材生产线。2001年5月，北京有色金属研究总院采用自行设计研制的设备，成功地制备出国内最大面积的高质量双面钇钡铜氧超导薄膜，达到国际同类材料的先进水平2001年7月，香港科技大学宣布成功开发出全球最细的纳米超导线。目前，我国超导临界温度已提高到零下120摄氏度即153K左右。