优秀成果报告浅析超导体-邱屿

第 1 页 共 8 页 四川省泸县第五中学四川省泸县第五中学 优优 秀秀 课课 题题 成成 果果 报报 告告 活动名称 浅析超导体活动名称 浅析超导体 高一高一 2121 班第班第 1 1 小组小组 2013 12 102013 12 10 第 2 页 共 8 页 活动名称 农村的风俗习惯活动名称 农村的风俗习惯 研究人员研究人员 高一 高一 2121 班第班第 1 1 小组 组长 邱屿小组 组长 邱屿 组员 组员 何涛 邱屿 卢逸凡 课题的来源课题的来源 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 从结果发现 环内电流能持续下去 从 19541954 年年 3 3 月月 1616 日始 到日始 到 19561956 年年 9 9 月月 5 5 日止 在两年半的时间内的电流一直没有衰减 这说明圆日止 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 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 1986 1987 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 第 4 页 共 8 页 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 La2 xSrxCuO4 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 La2 xSrxCuO4 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 第 6 页 共 8 页 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 19881988 年年 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 19971997 年年 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 20072007 年年 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 20082008 年年 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 第 8 页 共 8 页 下合成超导临界温度可进一步提升至零下 218 15 20092009 年年 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 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 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