物體的超導(dǎo)電性及其應(yīng)用

郭紅艷

錦州廣播電視大學(xué) (錦州 121000)

物體的超導(dǎo)電性是在人類發(fā)展低溫技術(shù)并不斷在新的溫度范圍里探索物質(zhì)的物理性質(zhì)過程中發(fā)現(xiàn)的。最初是由荷蘭科學(xué)家卡莫林-昂納斯發(fā)現(xiàn)，到20世紀(jì)30年代，實(shí)驗發(fā)現(xiàn)了邁斯納效應(yīng)，人們逐步認(rèn)識了超導(dǎo)電性的基本原理，并發(fā)展了低溫超導(dǎo)技術(shù)和高溫超導(dǎo)技術(shù)。尤其是在液態(tài)氮溫度范圍內(nèi)的高溫超導(dǎo)材料的研究與發(fā)展獲得了成功，是最近幾十年來物理學(xué)及材料科學(xué)領(lǐng)域中的重大突破之一，已經(jīng)成為世界各國科學(xué)界關(guān)注的焦點(diǎn)之一，數(shù)量龐大的科技人員投入到超導(dǎo)的研究與發(fā)展工作中。目前高溫超導(dǎo)材料的研制發(fā)展迅速，部分已實(shí)現(xiàn)商品化，在電力輸送、醫(yī)療設(shè)備、電子檢測設(shè)備以及運(yùn)輸?shù)确矫娅@得應(yīng)用，人們正在并將越來越感受到它給社會帶來的巨大變革。

1 超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)

1911年，荷蘭物理學(xué)家卡莫林-昂納斯設(shè)計完成了如下一個試驗：首先，昂納斯逐步冷卻水銀，當(dāng)溫度降低到-40℃左右時，原本為液態(tài)的水銀轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，如同“結(jié)冰”一樣；然后，他把“結(jié)冰”的水銀拉成細(xì)絲，并持續(xù)降低溫度；在這一過程中，他測量了不同溫度下固體水銀的電阻。發(fā)現(xiàn)其電阻變化并不十分顯著。然而，當(dāng)他把溫度降到絕對溫度4.2K（相當(dāng)于-269℃）時，水銀的電阻出現(xiàn)了急劇的變化，突然變成了零。這一試驗結(jié)果一經(jīng)發(fā)布立即引起轟動。后來，人們把這一物體電阻為零的現(xiàn)象稱為超導(dǎo)現(xiàn)象，把出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象，電阻等于零的材料叫超導(dǎo)材料。即：所謂超導(dǎo)電性是指當(dāng)溫度下降至一定程度時，某些物體突然失去電阻（電阻趨近于零）的現(xiàn)象；所謂超導(dǎo)材料是指具有超導(dǎo)現(xiàn)象這種特性的材料。

在其后的幾十年間，昂納斯及其他科學(xué)家通過不斷的試驗，又先后發(fā)現(xiàn)了28種超導(dǎo)元素和超過8 000種超導(dǎo)化合物。但是，這些材料大都在接近絕對零度，也就是-273℃的極低溫時才出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象，沒有太大的實(shí)用價值和經(jīng)濟(jì)價值。直到1973年，科學(xué)家才研制出一種在23K(-250℃)溫度出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象的鈮-鍺合金。上世紀(jì)80年代，人類對于高溫超導(dǎo)材料的研究取得突破，相繼發(fā)現(xiàn)了在43K(-230℃)、78.5K(-194.5℃)和98K(-175℃)有超導(dǎo)現(xiàn)象的超導(dǎo)材料。1991年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了球狀碳分子碳60在摻入鉀、銫、釹等元素后，也有超導(dǎo)性。據(jù)此，我們可以期待，球狀分子碳60經(jīng)過摻金屬后，有可能實(shí)現(xiàn)在室溫下的超導(dǎo)現(xiàn)象。

2 超導(dǎo)材料的主要特性

2.1 零電阻效應(yīng)

所謂零電阻效應(yīng)是指：在一定溫度以下，物體的電阻趨近于零的現(xiàn)象。這一現(xiàn)象是超導(dǎo)電性的主要外在表現(xiàn)，由荷蘭物理學(xué)家昂納斯發(fā)現(xiàn)。

昂納斯采用“四引線電阻測量法”測量不同溫度下汞的電阻變化，繪制出汞的R-T特性曲線，如圖1所示。

圖1中的Rn為電阻開始急劇減小時的電阻值，其對應(yīng)的溫度為起始轉(zhuǎn)變溫度Ts；當(dāng)電阻減小到Rn/2時，對應(yīng)的溫度為中點(diǎn)溫度TM；當(dāng)電阻減小至零時，對應(yīng)的溫度為零電阻溫度T0。超導(dǎo)體的起始轉(zhuǎn)變溫度也稱為超導(dǎo)臨界溫度TC。

圖1 汞的R-T特性曲線

為了證明零電阻現(xiàn)象，有人做過這樣一個試驗：在磁場中放入一個超導(dǎo)線圈，并開始減低溫度，直到TC以下，再把磁場去掉。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，超導(dǎo)線圈中將產(chǎn)生感應(yīng)電流。在正常材料制成的線圈中，由于電阻的存在，這一感應(yīng)電流很快就衰減為零；然而在超導(dǎo)線圈中，這一感應(yīng)電流經(jīng)過一年以上仍未見衰減。從而證明超導(dǎo)材料的零電阻效應(yīng)存在。

2.2 邁斯納效應(yīng)

人類最早發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)電性就是其電阻為零，即：零電阻效應(yīng)。但是，邁斯納效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)否定了超導(dǎo)體是理想導(dǎo)體的說法。1933年，德國物理學(xué)家邁斯納和奧森菲爾德對錫單晶球超導(dǎo)體做磁場分布測量時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)放置于磁場中的導(dǎo)體通過冷卻過渡到超導(dǎo)態(tài)時，原來進(jìn)入此導(dǎo)體中的磁感應(yīng)線會一下子被完全排斥到超導(dǎo)體之外，超導(dǎo)體內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度變?yōu)榱悖ㄒ妶D2所示）。超導(dǎo)體的這一性質(zhì)被稱為邁斯納效應(yīng)。這一效應(yīng)表明超導(dǎo)體是完全抗磁體，并指明超導(dǎo)態(tài)是一個熱力學(xué)平衡的狀態(tài)，與怎樣進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)的途徑無關(guān)。

圖2 超導(dǎo)體內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度分布

邁斯納效應(yīng)表明，物體的超導(dǎo)態(tài)受其所處的磁場影響，可以被外磁場所破壞。在溫度低于臨界溫度TC條件下，當(dāng)外加磁場強(qiáng)度H小于某一臨界值HC時，物體的超導(dǎo)態(tài)可以保持；當(dāng)H大于HC時，物體的超導(dǎo)態(tài)會被突然破壞而轉(zhuǎn)變成正常態(tài)。HC即稱為臨界磁場強(qiáng)度，其值與材料組成和環(huán)境溫度等有關(guān)。

邁斯納效應(yīng)和零電阻效應(yīng)是超導(dǎo)態(tài)的兩個相互獨(dú)立的基本特性，超導(dǎo)材料性能通常由超導(dǎo)臨界溫度TC和臨界磁場強(qiáng)度HC兩個因素決定。物體所處的環(huán)境溫度和磁場強(qiáng)度高于臨界值時，物體是一般導(dǎo)體；當(dāng)?shù)陀谂R界數(shù)值時成為超導(dǎo)體。

2.3 同位素效應(yīng)

除了上述兩個基本特性外，科學(xué)家又相繼發(fā)現(xiàn)了同位素效應(yīng)、約瑟夫森效應(yīng)、超導(dǎo)能隙等。

我們知道，質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同的元素在元素周期表中占同一位置，具有同樣的核外電子層和相似的化學(xué)性質(zhì)，稱為該元素的同位素。試驗表明，超導(dǎo)體的臨界溫度TC與其同位素質(zhì)量M有關(guān)。M越大，TC越低，這稱為同位素效應(yīng)。例如，汞的質(zhì)子數(shù)為80，它有七種同位素，其中，原子量為199.55的汞同位素，它的TC是4.18K，而原子量為203.4的汞同位素，TC為4.146K。

2.4 超導(dǎo)隧道效應(yīng)

超導(dǎo)隧道效應(yīng)又稱為約瑟夫效應(yīng)。1962年，英國科學(xué)家約瑟夫從理論上預(yù)言：如果在兩塊超導(dǎo)體之間置一絕緣層(厚度約10埃)，絕緣層將會成為—個“弱”超導(dǎo)體，超導(dǎo)電流可在其中通過，形成隧道超導(dǎo)電流。約瑟夫的預(yù)言隨后為實(shí)驗所證實(shí)

3 超導(dǎo)材料及其應(yīng)用

超導(dǎo)電性是物質(zhì)的一種特殊形態(tài)，超導(dǎo)材料具有廣泛的應(yīng)用前景。

超導(dǎo)材料的零電阻效應(yīng)使其具有無損耗傳輸電能的性質(zhì)，并能實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)、電動機(jī)等的小型化而無需擔(dān)心器件過熱；邁斯納效應(yīng)使其具有完全的抗磁性質(zhì)，從而制造超導(dǎo)磁體；超導(dǎo)隧道效應(yīng)使得人們可以制造出更加靈敏的電磁信號探測元件和高速運(yùn)行的計算機(jī)元件等。

3.1 主要的超導(dǎo)材料

目前，人類已經(jīng)掌握的超導(dǎo)材料主要分為兩類：合金材料和超導(dǎo)化合物。

3.1.1 合金材料

所謂合金材料就是在超導(dǎo)材料中加入某些其他元素形成合金，這些添加的元素可以使超導(dǎo)材料的全部性能提高。如早期使用的鈮鋯合金(Nb-75Zr)，其Tc為10.8K，Hc為8.7特(4.2K)。后來人們發(fā)現(xiàn)了鈮鈦合金，雖然其臨界溫度Tc有所降低，但臨界磁場強(qiáng)度Hc有較大提高，在給定磁場能承載更大電流。其性能是 Nb-33Ti，Tc=9.3K，Hc=11.0特；Nb-60Ti，Tc=9.3K，Hc=12特。目前鈮鈦合金是應(yīng)用于強(qiáng)磁場下的主要超導(dǎo)磁體材料。如果在鈮鈦合金中再添加鉭形成三元合金，性能可以進(jìn)一步提高，Nb-60Ti-4Ta的性能是，Tc=9.9K，Hc=12.4特；Nb-70Ti-5Ta的性能是，Tc=9.8K，Hc=12.8特。

3.1.2 超導(dǎo)化合物

所謂超導(dǎo)化合物是指超導(dǎo)材料與其他元素化合形成的化合物，這類化合物不僅超導(dǎo)臨界溫度Tc和臨界磁場強(qiáng)度Hc較高，而且，臨界電流密度JC也很高，從而具有了較好的超導(dǎo)性能。如已經(jīng)廣泛使用的Nb3Sn，其Tc=18.1K，Hc=24.5特。

自從50年代初發(fā)現(xiàn)化合物超導(dǎo)材料以來，超導(dǎo)化合物研究發(fā)展迅速，目前已發(fā)現(xiàn)了數(shù)千種之多，包括金屬間化合物、金屬和非金屬間的無機(jī)化合物及少數(shù)有機(jī)高分子化合物。

近年來，人們研究的重點(diǎn)是氧化物陶瓷超導(dǎo)材料，其超導(dǎo)臨界溫度接近100K，可在液氮溫度(-196℃)區(qū)間工作，從而大大降低了超導(dǎo)體制冷的成本。

3.2 超導(dǎo)材料的應(yīng)用

3.2.1 低溫超導(dǎo)材料及應(yīng)用

低溫超導(dǎo)材料是指超導(dǎo)臨界溫度Tc<30K，即在液氦溫度條件下工作的超導(dǎo)材料，包括：金屬、合金和超導(dǎo)化合物。目前，具有實(shí)用價值的低溫超導(dǎo)金屬是Nb(鈮)，其Tc為9.3K，利用其制成的薄膜材料可用于弱電領(lǐng)域，被用于制造高精度電壓表、超導(dǎo)量子干涉儀以及高速計算機(jī)等。低溫超導(dǎo)合金材料是以Nb為基的二元或三元合金組成的β相固溶體，Tc在9K以上，有較廣泛的用途。在強(qiáng)電磁場中，Nb-Ti（鈮鈦合金）超導(dǎo)材料可用于高能物理受控?zé)岷朔磻?yīng)和凝聚態(tài)物理研究的強(qiáng)場磁體、核磁共振中的均勻磁場、制造發(fā)電機(jī)和電動機(jī)線圈、高速列車上的磁懸浮線圈以及磁流體、電磁推進(jìn)系統(tǒng)、超導(dǎo)儲能等。低溫超導(dǎo)材料由于臨界溫度Tc低，必須在液氦溫度下使用，運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用昂貴，故其應(yīng)用受到限制。

3.2.2 高溫超導(dǎo)材料及應(yīng)用

高溫超導(dǎo)材料是相對于傳統(tǒng)超導(dǎo)材料而言的，具有較高的超導(dǎo)臨界溫度TC，能在液氮溫區(qū)（77K）條件下工作的超導(dǎo)材料，主要為多元系氧化物。高溫氧化物超導(dǎo)材料的發(fā)現(xiàn)，突破了溫度壁壘，把超導(dǎo)材料應(yīng)用的溫度從液氦溫區(qū)提高到了液氮溫區(qū)。同液氦相比，液氮是一種更為經(jīng)濟(jì)的制冷材料，并且具有較高的熱容量，適宜于工業(yè)應(yīng)用。另外，高溫超導(dǎo)體都具有相當(dāng)高的臨界磁場強(qiáng)度，能夠用來產(chǎn)生20T以上的強(qiáng)磁場，從而有效的克服了常規(guī)低溫超導(dǎo)材料的不足之處，在很大程度上擴(kuò)大了超導(dǎo)材料的應(yīng)用范圍。

由于超導(dǎo)材具有零電阻和完全的抗磁性，因此只需消耗極少的電能，就可以獲得的穩(wěn)定強(qiáng)磁場，這就使得高溫超導(dǎo)材料用途非常廣泛。目前高溫超導(dǎo)材料主要用于制造高溫超導(dǎo)薄膜、高溫超導(dǎo)無源微波器件等，這些器件和薄膜可以用來制造濾波器、諧振器、延遲線等。此外，高溫超導(dǎo)材料還可用于制造超高速計算機(jī)的器件、微波通訊器件以及超導(dǎo)導(dǎo)線和變壓器等。

人類對于超導(dǎo)電性和超導(dǎo)材料的研究在不斷深入，尤其是高溫超導(dǎo)材料研究的進(jìn)展使得超導(dǎo)材料在常溫下應(yīng)用成為可能，超導(dǎo)材料將在很大程度上影響人類生存的許多重要領(lǐng)域。例如，人類解決能源問題的基本技術(shù)之一是受控?zé)岷朔磻?yīng)，而實(shí)現(xiàn)受控?zé)岷朔磻?yīng)就必須使用無損耗的超導(dǎo)體。因此，可以預(yù)見，超導(dǎo)材料和超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展將會在越來越廣泛的范圍里造福人類。

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