第三章超导材料及超导应用

超导材料及超导应用 李佑稷吉首大学二OO八年十一月 超导研究获诺贝尔物理学奖情况 1913年H K 昂尼斯 荷兰 在低温下研究物质的性质并制成液态氦1972年J 巴丁 美 L N 库珀 美 J R 斯莱弗 美 提出所谓BCS理论的超导性理论1973年B D 约瑟夫森 英 关于固体中隧道现象的发现 从理论上预言了超导电流能够通过隧道阻挡层 即约瑟夫森效应 1987年J G 柏诺兹 美 K A 穆勒 美 发现新的超导材料 目录一 超导现象的发现二 三个重要的物理参数三 超导体的物理特性四 超导的微观机制 BCS理论 五 超导技术的应用六 高温超导体的发现七 超导材料八 结束语 1908年 荷兰物理学家昂纳斯首次成功地把称为 永久气体 的氦液化 因而获得4 2K的低温源 为超导发现准备了条件 三年后即1911年 在测试纯金属电阻率的低温特性时 昂纳斯又发现 汞的直流电阻在4 2K时突然消失 多次精密测量表明 汞柱两端压降为零 他认为这时汞进入了一种以零阻值为特征的新物态 并称为 超导态 昂纳斯在1911年12月28日宣布了这一发现 但此时他还没有看出这一现象的普遍意义 仅仅当成是有关水银的特殊现象 一 超导的发现 超导现象 有些物质在一定的临界温度下 转变为零的状态 同时具有完全抗磁性 这就是所谓的超导现象 实现超导的过程 超导体 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 产生超强磁场 超导材料处于超导态时电阻为零 能够无损耗地传输电能 如果用磁场在超导环中引发感生电流 这一电流可以毫不衰减地维持下去 这种 持续电流 已多次在实验中观察到 超导现象是20世纪的重大发明之一 科学家发现某物质在温度很低时 如铅在7 20K 265 95摄氏度 以下 电阻就变成了零 这个从正常电阻变为零电阻的温度称为超导临界温度Tc 超导材料特性 零电阻性 完全抗磁性 返回 完全抗磁性是指磁场中的金属处于超导状态时 体内的磁感应强度为零的现象 这一现象是荷兰科学家迈斯纳发现的 因此又称为迈斯纳效应 他在实验中发现 放在磁场中的球形的锡在过渡到超导态的时候 锡球周围的磁场都突然发生了变化 磁力线似乎一下子被排斥到导体之外 进一步研究发现 原来超导体表面能够产生一个无损耗的抗磁超导电流 这一电流产生的磁场 恰巧抵消了超导体内部的磁场 迈斯纳效应 超导必备 当一个磁体和一个处于超导态的超导体相互靠近时 磁体的磁场会使超导体表面中出现超导电流 此超导电流形成的磁场 在超导体内部 恰好和磁体的磁场大小相等 方向相反 这两个磁志抵消 使超导体内部的磁感应强度为零 B 0 即超导体排斥体内的磁场 金属Hg电阻随温度变化规律 如图所示横坐标表示温度 纵坐标表示在该温度下汞的电阻与0 时汞的电阻之比 R R0R0 T 273K的电阻 超导体的分类 根据超导体界面能的正负 我们可以将超导体分为第一类超导体和第二类超导体 大多数纯超导金属元素的界面能为正 称为第一类超导体 对于许多超导合金和少数几种纯超导金属元素来说 其界面能为负 称为第二类超导体 现在主要研究的是第二类超导体 在第二类超导体中 又可以根据由于磁通流动而产生电阻 流阻 将其进行分类 超导体的分类 在常压下具有超导电性的元素金属有32种 如图元素周期表中青色方框所示 而在高压下或制成薄膜状时具有超导电性的元素金属有14种 如图元素周期表中绿色方框所示 第I类超导体 第I类超导体主要包括一些在常温下具有良好导电性的纯金属 如铝 锌 镓 鎘 锡 铟等 该类超导体的溶点较低 质地较软 亦被称作 软超导体 其特征是由正常态过渡到超导态时没有中间态 并且具有完全抗磁性 第I类超导体由于其临界电流密度和临界磁场较低 因而没有很好的实用价值 第II类超导体 1 第II类超导体由正常态转变为超导态时有一个中间态 2 第II类超导体的混合态中有磁通线存在 而第I类超导体没有 3 第II类超导体比第I类超导体有更高的临界磁场 更大的临界电流密度和更高的临界温度 第II类超导体分类 第II类超导体根据其是否具有磁通钉扎中心而分为理想第II类超导体和非理想第II类超导体 二 三个重要的物理参数 实现超导必须具备一定的条件 如温度 磁场 电流都必须足够的低 超导态的三大临界条件 临界温度 临界电流和临界磁场 三者密切相关 相互制约 三个重要的物理参数 临界温度 Tc 超导体电阻突然变为零的温度临界电流 Ic 超导体无阻载流的能力是有限的 当通过超导体中的电流达到某一特定值时 又会重新出现电阻 使其产生这一相变的电流称为临界电流临界磁场 Hc 逐渐增大磁场到达一定值后 超导体会从超导态变为正常态 把破坏超导电性所需的最小磁场 临界温度 Tc 逐渐增大磁场到达一定值后 超导体会从超导态变为正常态 把破坏超导电性所需的最小磁场称为临界磁场 记为Hc 有经验公式 Hc T Hc 0 1 T2 Tc2 正常态 H Hc 0 Tc T 超导态 临界磁场 超导体无阻载流的能力也是有限的 当通过超导体中的电流达到某一特定值时 又会重新出现电阻 使其产生这一相变的电流称为临界电流 记为Ic 目前 常用电场描述Ic V 即当每厘米样品长度上出现电压为1 V时所输送的电流 临界电流 三 超导体的物理特性 1 零电阻现象 ZeroResistance T Tc在超导环上加磁场 b T Tc圆环转变为超导态 c 突然撤去外电场 超导环中产生持续电流 2 迈斯纳效应迈斯纳效应又叫完全抗磁性 1933年迈斯纳发现 超导体一旦进入超导状态 体内的磁通量将全部被排出体外 磁感应强度恒为零 且不论对导体是先降温后加磁场 还是先加磁场后降温 只要进入超导状态 超导体就把全部磁通量排出体外 N N 降温 加场 注 S表示超导态N表示正常态 超导体的物理特性2 在锡盘上放一条永久磁铁 当温度低于锡的转变温度时 小磁铁会离开锡盘飘然升起 升至一定距离后 便悬空不动了 这是由于磁铁的磁力线不能穿过超导体 在锡盘感应出持续电流的磁场 与磁铁之间产生了排斥力 磁体越远离锡盘 斥力越小 当斥力减弱到与磁铁的重力相平衡时 就悬浮不动了 观察迈纳斯效应的磁悬浮试验 德国物理学家迈纳斯 超导体的物理特性 3 二级相变效应 1932年 荷兰学者Keesom和Kok发现 在超导转变的临界温度TC处 比热出现了突变 Keesom Kok实验表明 在超导态 电子对比热的贡献约为正常态的3倍 如果发生相变时 体积不变化 也无相变潜热 而比热 膨胀系数等物理量却发生变化 则称这种相变为二级相变 正常导体向超导体的转变是一个二级相变 超导体的物理特性 4 同位素效应同位素效应指出超导体的临界温度随同位素质量而变化 同位素效应揭示出超导电性与电子和晶格的振动有关 超导体的物理特性 5 单电子隧道效应 当一个电子在势垒中运动时 电子可以借助真空 从真空吸收一个虚光子 使自己的能量增大而越过势垒 电子一旦越过势垒 便将虚光子送还给真空 同时 电子的能量也返回到原来的值 量子理论称它为隧道效应 超导体的物理特性 6 约瑟夫森效应 双电子隧道效应 1962年 约瑟夫森 Josephson 提出 应有电子对通过超导 绝缘层 超导隧道元件 即一对对电子成伴地从势垒中贯穿过去 电子对穿过势垒可以在零电压下进行 所以约瑟夫森效应与单电子隧道效应不同 可用实验对它们加以鉴别 零电压下的约瑟夫森效应又称直流约瑟夫森效应 此外还有交流约瑟夫森效应 它们具有共同的特点 都是双电子隧道效应 四 超导的微观机制 BCS理论 1957年在伊利诺大学的B D Bardeen 巴丁 L N Cooper 库柏 及J R Schrieffer 施里弗 为了正确解释超导现象 发表了著名且完整的超导微观理论 量子理论 称为BCS理论 BCS理论是由美国物理学家巴丁 库珀和施里弗于1957年首先提出的 并以三位科学家姓名第一个大写字母命名这一理论 巴丁 库柏 施里弗 巴丁 库柏 施里弗获得了1972年诺贝尔物理奖 BCS理论的三个观点 1 在一定温度下 金属中参与导电的电子结成库珀对 这是一个相变过程 2 库珀对电子凝聚在费密面附近 3 费密面以上将出现一个宽度为 的能隙 超导材料的应用 让电流畅通无阻超导发电机电能的储藏电磁炮散热超导磁悬浮列车超导潜艇冷子管和超导电脑超导量子干涉器 SQUID 和它的生医应用生物超导 1 在电力工程方面的应用 图1超导导线 含2120根微米直径之铌钛合金纤维 超导输电在原则上可以做到没有焦耳热的损耗 因而可节省大量能源 用超导线圈储存能量在军事上有重大应用 超导线圈用于发电机和电动机可以大大提高工作效率 降低损耗 从而导致电工领域的重大变革 超导储能装置 超导储能装置是利用超导线圈将电磁能直接储存起来 需要时再将电磁能返回电网或其它负载的一种电力设施 一般由超导线圈 低温容器 制冷装置 变流装置和测控系统几个部件组成 其中超导线圈是超导储能装置的核心部件 它可以是一个螺旋管线圈或是环形线圈 超导发电机 在电力领域 利用超导线圈磁体可以将发电机的磁场强度提高到5万 6万高斯 并且几乎没有能量损失 这种发电机便是交流超导发电机 超导发电机的单机发电容量比常规发电机提高5 10倍 达1万兆瓦 而体积却减少1 2 整机重量减轻1 3 发电效率提高50 超导限流器 超导限流器是利用超导体的超导 正常态转变特性 有效限制电力系统故障短路电流 能够快速和有效地达到限流作用的一种电力设备 超导限流器集检测 触发和限流于一体 反应速度快 正常运行时的损耗很低 能自动复位 克服了常规熔断器只能使用一次的缺点 日本超导磁悬浮列车MAGLEV 高温超导磁悬浮实验车 世纪号 2 超导技术在交通运输方面的应用 3 超导技术在电子工程方面的应用 用超导技术制成各种仪器 具有灵敏度高 噪声低 反应快 损耗小等特点 如用超导量子干涉仪可确定地热 石油 各种矿藏的位置和储量 并可用于地震预报 图8超导量子干涉仪 超导数字电路 超导数字电路利用约瑟夫森结在零电压态和能隙电压态之间的快速转换来实现二元信息 应用约瑟夫森效应的器件可以制成开关元件 其开关速度可达10 11秒左右的数量级 比半导体集成电路快100倍 但功耗却要低1000倍左右 为制造亚纳秒电子计算机提供了一个途径 4 超导技术在生物医疗方面的应用 核磁共振断层扫描仪其原理乃是利用核磁共振原理 观察体内某一种原子核的变化分布 主要是氢原子 将结果显像为人体断层扫描图 以观察身体中病灶组织的变化 图9核磁共振断层扫描仪与人体断层扫描图 5 超导技术在军事上的应用 a 超导粒子束武器和自由电子激光器 b 超导电磁炮 c 超导电磁推进系统和超导陀螺仪 超导技术在军事工业中也可以发挥其特有的作用 超导扫雷具就是其中之一 超导扫雷具的工作原理是 超导扫雷具模拟舰船磁场特性 采用两根大电流电缆在海水中形成电极 并与海水组成闭合电路产生磁场 或者在船上安装一个电磁体产生磁场 从而得以将磁水雷引爆 6 科学工程和实验室应用 科学工程和实验室是超导技术应用的一个重要方面 它包括高能加速器 核聚变装置等 高能加速器用来加速粒子产生人工核反应以研究物质内部结构 是基本粒子物理学研究的主要装备 核聚变装置是人们长期以来梦想解决能源问题的一个重要方向 其途径是将氘和氚加热后 使原子和弥散的电子成为一种等离子状态 并且在将这种高温等离子体约束在适当空间内的条件下 原子核就能够越过电子的排斥而互相碰撞产生核聚变反应 在这些应用中 超导磁体是高能加速器和核聚变装置不可缺少的关键部件 7 农业上的应用 农作物种子由于其富含蛋白质和有机酶 在强磁场作用下 能够影响种子的萌发 苗期生长 作物产量和品质 遗传特性等 一般而言 磁场强度和磁场作用时间对农作物种子的影响比较大 其作用机制是 磁场 基因 酶 代谢 结构与功能 实验研究的结果表明 经过强磁场作用的农作物种子 其最终产量将能够提高5 10 六 高温超导体的发现 1 高温超导体的发现 自1911年出现第一个超导体水银到1973年出现合金超导体锗三铌 前后的时间长达62年 但临界温度TC总共只提高了20K左右 平均每年增长1 3 K 1964年开始在金属氧化物中寻找超导材料 到1975年 临界温度只达到13K 远不及锗三铌 后来美国Bell贝尔实验室一个叫William L Mcmilam 威廉 L 麦克米兰 的人提出 金属超导临界温度上限值为30 K 这一断言使一部分科学家对金属材料失去信心 1980年后有人开始转向在有机材料中发现超导体 美国霍普金斯研究小组首先合成一种有机材料 TMTSF 2X 它在TC 1时成为超导体 此后短短5年中 有机超导材料临界温度提高到8 K 尽管有机超导体的临界温度有待大幅度地提高 但有机材料易加工成型 易于人工合成 价格便宜 重量轻 故仍具有不可抗拒的诱惑力 高温超导体的发现 1986年4月 正当提高金属 合金有机材料的临界温度都遇到困难的时候 瑞士学者缪勒和西德学者柏努兹发现多相氧化物或称为陶瓷材料超导 激起人们对新陶瓷材料的高度热情 在不到一年时间内 中国 日本 美国等竞相努力 使陶瓷超导体的临界温度提高到300K以上 1987年初 中国的赵忠贤获得SrLaCuO的超导临界温度为48 6K 短短数月内就又提高至近300K 平均每月增长50K 出现了超导史上空前振奋人心的局面 著名高温超导物理学家 1 高Tc超导体的主要性质 1 晶体结构有强低维特点 3个晶格常数相差3 4倍 2 输运系数具有很大的各向异性 3 磁场穿透深度较大 4 相干长度较短或者库珀对的空间局域性较强 5 载流子浓度较低 且为空穴型导电 6 隧道实验表明电子对存在 7 迈斯纳效应不完全 8 同位素效应弱甚至无 1 必须在一个确定的温度实现零电阻转变 2 在零电阻转变温度的附近必须观察到完全抗磁性 迈斯纳效应 3 这一现象必须具有一定的稳定性和再现性 4 这一现象必须为其它实验室所重复和验证 2 高温超导体的四项判断准则 3 高温超导理论研究现状 1 BCS理论2 共振价键理论 RVB 3 双极化子机制4 激子机制5 等离子体机制6 杂质跃迁尽管如此 也还是没有一种理论能得到大家的一致公认 谁能最后揭开高TC超导之谜 谁就将是科学王国中的佼佼者 4 高温超导陶瓷的制作工艺 1 干法 2 湿法 3 电子束蒸发此外 还有直流磁控溅射和单晶生成等工艺 目前 第一代超导线材 铋氧化物线材已达到商业化水平 东京电力公司试制成功长100米 3相 66千伏的超导电缆 美国不久也将进行100米超导电缆的安装试验 日本正在加紧研究开发高性能的超导电缆 超导变压器 超导限流器和超导蓄电装置等