高温超导研究的发展和应用前景

APROBLEMABOUTSUPERCONDUCTIVEPRODUCER:YAOLEI0410269•Foreword•Thehistoryofthesuperconductive•Thetheoryofthesuperconductive•Theuseandprocessofthesuperconductive•SummarySomeday,whenIwasdoingtheexercise,Ifoundaninterestingproblemaboutthesuperconductive.SoIwanttotalkaboutsomethingaboutthesuperconductive.Theproblem•Thequestioniswhetherornotthemagneticfieldexistinasuperconductivityballhull?•Thekey:notexist.ThehistoryofthesuperconductiveIn1908,H.Kamerlingh-OnnesofanuniversityofHollandcarryouttheliquefactionofHefortheveryfirsttime,acquiringthelowtemperatureofthe4.2Ks(-268.8℃s),openingaconvenientdoorforstudyingunderthelowtemperatureconditionthematerialconductedelectricity.In1911,hediscoveredtocooloffmercury-268.98℃s.Theelectricresistanceofthemercurydisappearedsuddenly.Onnescalledthiskindofconductorthatwasplacedinthesuperconductiveappearanceasthesuperconductivity.Thetemperaturewhensuperconductivityelectricresistancesuddenlychangesintozerowascalledthesuperconductivecriticaltemperature.BecauseofthisdetectionheacquiredtheNobelprizein1913.•Completeanti-magnetism•In1933,twoscientistsdiscoveredtheextremelyimportantpropertythatiftwoofthesuperconductivitytogether,orthemetalsplacedinthesuperconductiveappearance,themagneticlinesofforceinthesuperconductivityiszero,whichwasexistinthemagneticfieldinthebody.Butnowitisdiscriminatedagainstandgooutoriginally.•Peoplecallthisphenomenon“Meisnereffect”。•Twoimportantcharacteristicsofthesuperconductivity：Zeroelectricresistancesandanti-magnetisms。Sincethesuperelectricalconductivitywasdiscovered,throughtheeffortofmorethan70years,thecriticaltemperatureofthenormalregulationssuperconductivitycanraiseonly23.22Ks.BecauseonlytheliquidHeappeartheabilityabovesuperconductivephenomenon.ButHe,akindofrareair,asaresult，limittedthesuperconductiveapplicationconsumedly.Intheearly60's,thepeoplearealwaysatinvestigateaboutraisingtheliquidnitrogen(77Ks)tothesuperconductivecriticaltemperatureaboveofway,thisisthesuperconductiveresearchofheat.Butin1986,thesuperconductiveresearchofthebeginningofyearheatsobtainedbreakthroughdevelopment.thephysicistMuellerandBednorzsdiscoveredtheheatcopperoxidesuperconductivityLa2-xBaxCuO4,andthesuperconductivecriticaltemperatureamountstothe40Ks.ThedetectionoftheheatsuperconductiveThetheoryofthesuperconductive•Therelationbetweenelectricresistancerateandtemperatureofthepuremetalsissomeunusual:Havealikingfortoseemtobeandwilldisappearcompletelyintheabsolutezerozerodegreeitselectricresistanceintheneighborhood.Thismarvellouspossibilityurgestoproduceandcanindicatefrommanyoriesesthatlimitthelowtemperaturefunctionthatzeroelectricresistancesarrivetheinfinityelectricresistance.•1.完全导电性•超导体在临界温度和临界磁场下，直流电阻呈现零电阻现象。美国麻省理工学院的科林斯（Collins）,曾将超导环置于磁场中，然后，使它冷却转变为超导态；再将磁场撤掉，由于电磁感应作用，在超导环内感生出一电流，这一电流在几年后仍未发现有任何电流衰减迹象，从而证明了超导体的直流零电阻性，即完全导电性。但是超导体在高频交流电情况下将不再具有完全导电性而出现损耗。一般超导体的高频损耗只有到一定的频率以上时才开始变的显著，频率越大损耗也会越大，最后当磁场达到临界磁场以上时，就和正常导体没什么区别了。•2.完全抗磁性•给处于超导态的某一物质加一磁场，磁力线无法穿透样品，而保持超导体内的磁通为零的特性，我们称之为完全抗磁性，也就是所谓的麦斯纳效应。处于超导态的物质，外加磁场之所以无法穿透内部，是因为样品内部感生了一个分布和大小刚好抵消外部磁通；使内部磁通为零的电流。这个电流沿表面层流过，磁场也就穿透到同样深度，这层厚度称为“磁场穿透深度（λ）”是温度的函数：λ=λ0[1-（T/Tc）4]-1/2λ在0K下的磁场穿透深度•另外人们还发现如果在一个中空圆筒状超导体的轴向方向上加一磁场，然后冷却至临界温度以下，由于完全抗磁性超导圆筒实体部分的磁通将被排斥出来，但是其内部中空部分磁通即使随后撤掉外加磁通也会守恒的存在下去。这部分因超导电性而被永远保存的磁通叫冻结磁通。冻结磁通也是由于前面谈到的持续电流所引起的。人们利用这个原理制成了一种磁通泵。•3超导电性的物理原理•知道了以上这些超导现象及特性后，让我们来进一步了解一下超导现象背后的科学原理吧。费列里希，巴丁等人经过长期的研究认为超导电性起源于电子晶格的相互作用。当电子A经过晶格时，由于异号电荷的相互吸引作用，在晶格正离子点阵内正电荷将靠近电子A，从而造成局部正电荷的密度增加；形成局部正电荷过剩，这种局部正电荷的扰动会以晶格波的形式传播开来，这种传播的扰动又会反过来影响第二个电子，电子A通过这些正电荷进而对另一电子B间接产生吸引作用。当然电子之间还有库仑斥力，但当电子与晶格的相互作用足够强时，电子间的间接吸引作用可能超过库仑斥力作用，从而使电子对间有一净剩的吸引作用。结果它们就能形成一个束缚态。这种束缚态是由两个电子组成的电子对偶，我们称之为库柏对。•从动量空间来看，设两电子总动量为K，库柏的工作表明当K=0时，束缚能最大，从而这时电子对偶能量最低。从动量空间来看，库柏对两电子所涉及的量子态是动量大小相等，方向相反，自旋也相反的那些对态。这种情况下的库柏对比两个电子“各行其是”时的能量要低，因而更加稳定。•各库柏电子对中单个电子的动量（速度）可以不同。但每个库柏对的总动量是不变的，正常态金属的电阻是由于电子被晶格波散射引起的，但超导态时，电子形成库柏对，库柏对的电子不断散射，但在散射的过程中总动量守恒，从而电流也不变。这就是超导电流无阻的原因。再看正常金属中的情况，那些“各行其是”的电子犹如一盘散沙，晶格点阵中的正离子的热振动使得这些“散兵游勇”步履艰难，消耗了电子运动的能量，这就在正常的金属中产生了电阻。超导体的分类•1低温超导体•我们将临界温度在液氦温度以下的超导体称为低温超导体。随后人们又陆续发现了锡、铅等多种金属元素和许多合金以及化合物都具有超导现象，但临界温度一直很低（在液氦温度以下）。经过多年的努力，如今人们已经可以使大部分金属元素都具有超导电性。在采用了特殊技术后（如高压技术，低温下沉淀成薄膜的技术，极快速冷却等），以前那些认为不能变成超导体的金属元素也已经在一定状态下使它们实现了超导态。•2高温超导体•一直以来人们只能得到液氦温度以下的低温超导体，因此工业应用价值不大，除了极少数的应用外超导体的实际应用一直停滞不前。终于在众多杰出的物理学家的不懈努力下，直到1987年超导技术有了决定性的突破，美国学者（邱等人）在铱，钡和氧化铜基础上制成了高温超导体（YI—Ba2—Cu3—O7）Tk=90-100K，这个温度已经超过氮的沸点（77K）。我们称这种临界温度在液氮沸点以上的超导体为高温超导体。1987年以来发现的高温超导体几乎都是铜酸盐类的陶瓷，虽然临界温度有了较大的提高，但是高温超导体目前还没有达到所需要的稳定性，载流量也有所下降。人类在超导体的运用上看来还有很长的路要走。•其它新型超导体•C60：有较大的发展潜力，由于它弹性较大，比质地脆硬的氧化物陶瓷易于加工成型，而且它的临界电流、临界磁场和相干长度均较大，这些特点使C60超导体更有望实用化。C60被誉为21世纪新材料的”明星”，这种材料已展现了机械、光、电、磁、化学等多方面的新奇特性和应用前景。有人预言巨型C240、C540合成如能实现，还可能成为室温超导体•MgB2：二硼化镁（MgB2），其超导转变温度达39K。二硼化镁的发现为研究新一类具有简单组成和结构的高温超导体找到新途径。易合成和加工，容易制成薄膜或线材。可应用于电力传输、超级电子计算机器件以及CT扫描成像仪等方面。二硼化镁的发现使世界凝聚态物理学界为之兴奋。超导材料的可能发展方向•大家可能都会觉得目前的超导材料的TC都还不是很高。的确如此，这使人深以为憾。在现今世界上使用超导设备都离不开液氮或液氦设备，这样花费大而且不方便。假如有朝一日能在常温下实现超导电性。那么毫无疑问会使现代科学技术发生深刻的变革。•大家知道，电子之间本有库仑斥力，但在超导体的两电子之间由于交换声子而产生了吸引作用，当这种吸引作用超过两电子间的库仑斥力作用时，两电子就形成电子对引起超导电性，这就是电声子机构的超导电性。历史经验表明，在这种机构下进一步提高超导转变温度TC是很困难的。那么会不会有其它形