优秀成果报告浅析超导体-邱屿

四川省泸县第五中学 优 秀 课 题 成 果 报 告 活动名称：浅析超导体 高一 21班第 1小组 2013-12-10 活动名称：农村的风俗习惯 【研究人员】：高一 21班第 1小组，组长：邱屿 组员： 何涛 邱屿 卢逸凡 【课题的来源】 1911 年，荷兰莱顿大学的卡末林昂内斯意外地发现，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，卡末林昂内斯称之为超导态。由于这一发现他获得了 1913 年诺贝尔奖。 为了证实（超导体）电阻为零，科学家将一个铅制的圆环，放 入温度低于 Tc=7.2K 的空间，利用电磁感应使环内激发起感应电流。 结果发现，环内电流能持续下去，从 1954 年 3 月 16 日始，到 1956 年 9 月 5 日止，在两年半的时间内的电流一直没有衰减，这说明圆 环内的电能没有损失。 【目的意义】 1. 确定超导体的用途，制作过程，由来 2. 在活动中，培养学生综合运用劳动、美术、计算机信息技术、语文、 数学等学科知识的能力，充分发挥本学科的综合性特点，提高学生的综合能力； 3. 通过对超导体的调查了解活动，培养学生收集、分析、处理信息的能 力。 因为大量的活动要在校外进行，在活动中发展学生的人际交往的能力； 4. 学生通过参与小组活动，既有分工又有合作，培养学生的协作精神和 团队意识，增强学生与人合作的能力。 【活动过程】 一、决定上网查阅，查询教科书等 二、本组人员马上拟定出活动计划与步骤： 课题的确定 组员分工 上网，图书室查 资料 校外采访 老师帮助 资料整理 写调查报告、提出 合理建议 总结 第 3 页 共 8 页 三、具体过程： 首先，我们在老师的帮助下，我们把小组为了几个部分，一部 分去图书室查资料，一部分去实际调查，还有一些去上网查资料。 其次因为资料并非我们想象中的那样，在此过程中我们也遇到 了很多困难，资料在同组同学团结一致，推翻千难万阻的情况下， 大家最终还是查到了 再最后，通过老师的帮助，及同学们的全力配合之下，我们终 于对这 10 个多月的活动得出了一个满意结果。我们小组全体同学找 到了很多关于超导体的资料和图片，在全班活动汇报中给同学们图 文并茂的介绍了这些资料，使同学们都不得不佩服我们： 一般材料在温度接近绝对零度的时候，物体分子热运动几乎消失， 材料的电阻趋近于 0，此时称为超导体。零电阻和抗磁性是超导体 的两个重要特性。使超导体电阻为零的温度，叫超导临界温度。 1987 年，美国华裔科学家朱经武以及中国科学家赵忠贤相继在钇 钡铜氧系材料上把临界超导温度提高到 90K（185.15）以上， 液氮的“温度壁垒 ”（77K）也被突破了。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（150.15） 。 从 19861987 年的短短一年多的时间里，临界超导温度提高了近 100K。 来自德国、法国和俄罗斯的科学家利用中子散射技术，在高温超导 体的一个成员单铜氧层 Tl2Ba2CuO6+中观察到了所谓的磁共振模 式，进一步证实了这种模式在高温超导体中存在的一般性。该发现 有助于对铜氧化物超导体机制的研究。 高温超导体具有更高的超导转变温度（通常高于氮气液化的温度） ， 有利于超导现象在工业界的广泛利用。高温超导体的发现迄今已有 16 年，而对其不同于常规超导体的许多特点及其微观机制的研究， 却仍处于相当“初级” 的阶段。这一点不仅反映在没有一个单一的理 论能够完全描述和解释高温超导体的特性，更反映在缺乏统一的、 在各个不同体系上普遍存在的“本征” 实验现象。本期 Science 所报道 的结果意味着中子散射领域里一个长期存在的困惑很有可能得到解 决。 超导体原料 早在 1991 年，法国物理学家利用中子散射技术在双铜氧层 YBa2Cu3O6+超导体单晶中发现了一个微弱的磁性信号。随后的实 验证明，这种信号仅在超导体处于超导状态时才显著增强并被称为 磁共振模式。这个发现表明电子的自旋以某种合作的方式产生一种 集体的有序运动，而这是常规超导体所不具有的。这种集体运动有 可能参与了电子的配对，并对超导机制负责，其作用类似于常规超 第 5 页 共 8 页 导体内引起电子配对的晶格振动。但是，在另一个超导体 La2xSrxCuO4+（单铜氧层）中，却无法观察到同样的现象。这 使物理学家怀疑这种磁共振模式并非铜氧化物超导体的普遍现象。 1999 年，在 Bi2Sr2CaCu2O8+单晶上也观察到了这种磁共振信号。 但由于 Bi2Sr2CaCu2O8+与 YBa2Cu3O6+一样，也具有双铜氧层 结构，关于磁共振模式是双铜氧层的特殊表征还是“普遍” 现象的困 惑并未得到彻底解决。 理想的候选者应该是典型的高温超导晶体，结构尽可能简单，只具 有单铜氧层。困难在于，由于中子与物质的相互作用很弱，只有足 够大的晶体才可能进行中子散射实验。随着中子散射技术的成熟， 对晶体尺寸的要求已降低到 0.1cm 萀量级。晶体生长技术的进步， 也使 Tl2Ba2CuO6+单晶体的尺寸进入毫米量级，而它正是一个理 想的候选者。科学家把 300 个毫米量级的 Tl2Ba2CuO6+单晶以同 一标准按晶体学取向排列在一起，构成一个“人造” 单晶， “提前”达到 了中子散射的要求。经过近两个月散射谱的搜集与反复验证，终于 以确凿的实验数据显示在这样一个近乎理想的高温超导单晶上也存 在磁共振模式。这一结果说明磁共振模式是高温超导的一个普遍现 象。而 La2xSrxCuO4+ 体系上磁共振模式的缺席只是“普遍” 现象 的例外，这可能与其结构的特殊性有关。 关于磁共振模式及其与电子间相互作用的理论和实验研究一直是高 温超导领域的热点之一，上述结果将引起许多物理学家的关注与兴 趣。 20 世纪 80 年代是超导电性的探索与研究的黄金年代。1981 年合成 了有机超导体，1986 年缪勒和柏诺兹发现了一种成分为钡、镧、铜、 氧的陶瓷性金属氧化物 LaBaCuO4，其临界温度约为 35K。由于陶 瓷性金属氧化物通常是绝缘物质，因此这个发现的意义非常重大， 缪勒和柏诺兹因此而荣获了 1987 年度诺贝尔物理学奖。 1987 年在超导材料的探索中又有新的突破，美国休斯顿大学物理学 家朱经武小组与中国科学院物理研究所赵忠贤等人先后研制成临界 温度约为 90K 的超导材料 YBCO（钇钡铜氧） 。 3 1988 年 1988 年初日本研制成临界温度达 110K 的 Bi-Sr-Ca-Cu-O 超导体。至 此，人类终于实现了液氮温区超导体的梦想，实现了科学史上的重 大突破。这类超导体由于其临界温度在液氮温度（77K）以上，因 此被称为高温超导体。 自从高温超导材料发现以后，一阵超导热席卷了全球。科学家还发 现铊系化合物超导材料的临界温度可达 125K（150.15）汞系化合 物超导材料的临界温度则高达 135K。如果将汞置于高压条件下，其 临界温度将能达到难以置信的 164K。 1997 年 1997 年，研究人员发现，金铟合金在接近绝对零度时既是超导体同 时也是磁体。1999 年科学家发现钌铜化合物在 45K（230.15）时 第 7 页 共 8 页 具有超导电性。由于该化合物独特的晶体结构，它在计算机数据存 储中的应用潜力将是非常巨大的。 2007 年 自 2007 年 12 月开始，中国科学院物理研究所的陈根富博士已投入 到镧氧铁砷非掺杂单晶体的制备中。2007 年 2 月 18 日，日本东京 工业大学的细野秀雄教授和他的合作者在美国化学会志上发表 了一篇两页的文章，指出氟掺杂镧氧铁砷化合物在零下 247.15时 即具有超导电性。在长期研究中保持着跨界关注习惯的陈根富和王 楠林研究员立即捕捉到了这一消息的价值，王楠林小组迅速转向制 作掺杂样品，他们在一周内实现了超导并测量了基本物理性质。 几乎与此同时，物理所闻海虎研究组通过在镧氧铁砷材料中用二价 金属锶替换三价的镧，发现有临界温度为零下 248.15以上的超导 电性。 2008 年 2008 年 3 月 25 日和 3 月 26 日，中国科学技术大学陈仙辉组和物理 所王楠林组分别独立发现临界温度超过零下 233.15的超导体，突 破麦克米兰极限，证实为非传统超导。 2008 年 3 月 29 日，中国科学院院士、物理所研究员赵忠贤领导的 小组通过氟掺杂的镨氧铁砷化合物的超导临界温度可达零下 221.15，4 月初该小组又发现无氟缺氧钐氧铁砷化合物在压力环境 下合成超导临界温度可进一步提升至零下 218.15。 2009 年 2009 年 10 月 10 日，美国科学家合成物质(Tl4Ba)Ba2Ca2Cu7O13+, 将超导温度提高到 254K，距离冰点仅 19，对于推广超导的实际 应用具有极大的意义。 超导体的应用： 超导磁悬浮列车 超导磁悬浮列车 利用超导材料的抗磁性，将超导材料放在一块永久磁体的上方，由于磁 体的磁力线不能穿过超导体，磁体和超导体之间会产生排斥力，使超导体悬浮在磁体上方。 利用这种磁悬浮效应可以制作高速超导磁悬浮列车。 超导磁体计算机 超导磁体计算机 高速计算机要求集成电路芯片上的元件和连接线密集排列，但密集排列 的电路在工作时会发生大量的热，而散热是超大规模集成电路面临的难题。超导计算机中 的超大规模集成电路，其元件间的互连线用接近零电阻和超微发热的超导器件来制