什么是高溫超導(dǎo)？

高溫超導(dǎo)技術(shù)是21世紀(jì)具有巨大發(fā)展?jié)摿椭卮髴?zhàn)略意義的技術(shù)，高溫超導(dǎo)材料具有高載流能力和低能耗特性，可廣泛應(yīng)用于能源、國(guó)防、交通、醫(yī)療等領(lǐng)域。

高溫超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)

　　自1911年荷蘭科學(xué)家H.K-Onnes在荷蘭萊頓實(shí)驗(yàn)室首次發(fā)現(xiàn)了水銀在4.2K的溫度下出現(xiàn)零電阻現(xiàn)象以來(lái)，“超導(dǎo)”這一名詞已經(jīng)誕生了百余年。在這百余年的科研進(jìn)展中，無(wú)數(shù)科學(xué)家為之做出了卓越貢獻(xiàn)。

　　1933年Meissner效應(yīng)發(fā)現(xiàn)。1957年，的BCS理論提出，為高溫機(jī)制做出了合理的解釋。1986年，瑞士科學(xué)家Bednorz和Miiller制備出了La-Ba-Cu-O系高溫超導(dǎo)體，其高溫轉(zhuǎn)變溫度已經(jīng)達(dá)到了30K以上，為高溫超導(dǎo)體的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同年，高溫轉(zhuǎn)變溫度被提高到70K。

　　1987年，科學(xué)家研究出的Y-Ba-Cu-O超導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)了從液氦溫區(qū)向液氮溫區(qū)的轉(zhuǎn)變，突破了“77K”這一溫度壁壘，即是高溫超導(dǎo)現(xiàn)象，這一發(fā)現(xiàn)，是超導(dǎo)研究中一次質(zhì)的飛躍。迄今為止，Hg系的銅氧化物的臨界溫度在常溫和高壓條件下分別達(dá)到了134K和164K。

　　超導(dǎo)體所具備獨(dú)特的零電阻效應(yīng)，邁納斯效應(yīng)，約瑟夫森效應(yīng)和同位素效應(yīng)使其有了廣泛的應(yīng)用價(jià)值，使人們尋找的一類(lèi)傳輸無(wú)損耗的材料的設(shè)想成為現(xiàn)實(shí)。但是由于超導(dǎo)材料的低溫限制，使其在生活中的應(yīng)用大大降低。

　　隨著高溫超導(dǎo)體臨界溫度的提高，各類(lèi)新型超導(dǎo)體的出現(xiàn)和制備工藝的改進(jìn)，使高溫超導(dǎo)體的應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛，如超導(dǎo)磁流體發(fā)電，高溫變壓器，超導(dǎo)儲(chǔ)能，高溫量子干涉器等等。如今，通常是將超導(dǎo)材料分為常規(guī)超導(dǎo)體(如Nb-Ti合金)，非晶超導(dǎo)材料，復(fù)合高溫材料(如超導(dǎo)線帶材料)，高溫超導(dǎo)體，有機(jī)超導(dǎo)材料等。其中高溫超導(dǎo)材料這一重要分支成為了最具應(yīng)用前景和應(yīng)用價(jià)值的一類(lèi)。

高溫超導(dǎo)材料

　　高溫超導(dǎo)材料屬于第二類(lèi)超導(dǎo)體，有上臨界磁場(chǎng)和下臨界磁場(chǎng)，當(dāng)溫度達(dá)到高溫轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度介于上下臨界磁場(chǎng)中間時(shí)將處于特殊的混合狀態(tài)。目前的主要有五種代表性的氧化物高溫超導(dǎo)材料，La系，Bi系，Y系，TI系和Hg系。

　　常見(jiàn)的兩類(lèi)高溫超導(dǎo)體：

　　1、Bi-Sr-Ca-Cu-O高溫超導(dǎo)體

　　鉍鍶鈣銅氧類(lèi)高溫超導(dǎo)體的化學(xué)通式Bi₂Sr₂Ca_n-1Cu_nO_2n+4，n=1,2,3,4。當(dāng)n=1,2,3,4時(shí)，分別取得四種不同的高溫超導(dǎo)相。均是Cu-O層，鈣鈦礦層，Bi₂O₂層的結(jié)合。Bi系的四種高溫超導(dǎo)相結(jié)構(gòu)上具備了相似性，即同樣具備了相近的形成能。

　　如今的研究發(fā)現(xiàn)，提高鉍鍶鈣銅氧類(lèi)高溫超導(dǎo)體的臨界電流密度可以用Pb摻雜，這是由于Bi系高溫超導(dǎo)相中所存在的一維的調(diào)制結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)降低了晶體的對(duì)稱(chēng)性。用Pb來(lái)?yè)诫s，部分替代Bi，形成點(diǎn)缺陷，減弱了這種調(diào)制結(jié)構(gòu)的影響，提高了整體的穩(wěn)定性。

　　應(yīng)用最廣的使Bi系高溫超導(dǎo)體的帶材，2212相高溫超導(dǎo)體具有二維各向異性和層狀結(jié)構(gòu)，從而通過(guò)控制第二相和提高織構(gòu)度來(lái)提高載流性能和臨界參數(shù)。制備的流程通常為：以一定化學(xué)計(jì)量比的原材料(氯化物或碳酸物)進(jìn)行混合煅燒，得到的樣品接著進(jìn)行研磨以及在Ag管中粉末充管，經(jīng)過(guò)之后的一系列拉拔、軋制、熱處理、再軋制等機(jī)械處理和熱處理反復(fù)進(jìn)行，得到最終成品。

　　2、Y-Ba-Cu-O高溫超導(dǎo)體

　　在Y-123相中，Y可以用其他稀土元素替代如La、Eu、Nd等，大多都可以形成臨界溫度90K的超導(dǎo)體，但是用Ce、Pr、Pm置換以后，出現(xiàn)局域化的載流子，從而喪失超導(dǎo)電性。在Y系超導(dǎo)體中，按Y、Ba、Cu化學(xué)計(jì)量比的不同可分為Y-123、Y-124、Y-247相。ABO3型層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，具體為三個(gè)類(lèi)鈣鈦礦單元堆垛而成。

　　塊材制備工藝：主要為氧化物或碳酸物的原料進(jìn)行化學(xué)計(jì)量比的混合，充分研磨以及預(yù)燒結(jié)和燒結(jié)，引入熔融織構(gòu)工藝來(lái)克服大角晶界，最后進(jìn)行氧化處理。帶材則主要有軋制輔助雙軸織構(gòu)襯底工藝和離子束輔助沉淀工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)。薄膜的制備工藝主要有磁控濺射法、激光沉淀法等。該系高溫超導(dǎo)薄膜已成功地用于約瑟夫遜元件和量子干涉器件。

　　科學(xué)家提出了對(duì)于YBCO系涂層導(dǎo)體進(jìn)行厚化處理，來(lái)觀察其臨界電流密度的變化這一研究方向。根據(jù)薄膜厚度增加之后，導(dǎo)體的織構(gòu)在局部發(fā)生變化，為防止織構(gòu)畸變，在高溫超導(dǎo)薄膜表面周期性的引入一層極薄的非高溫層，其各項(xiàng)參數(shù)與YBCO高溫超導(dǎo)體十分相近。這一技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)單位厚度超導(dǎo)體臨界電流密度的提高。

高溫超導(dǎo)體和常規(guī)超導(dǎo)體

　　高溫超導(dǎo)體與常規(guī)超導(dǎo)體相比較，有哪些本征特點(diǎn)決定了它們?cè)诖磐▌?dòng)力學(xué)方面的異同呢?

　　diyi，高溫超導(dǎo)體相干長(zhǎng)度ζ約為1nm左右，比常規(guī)超導(dǎo)體要小約一到兩個(gè)量級(jí)，而基于凝聚能釘扎的物理圖像，單元釘扎中心對(duì)磁通線的釘扎能與ζ_n(n=1~3)成正比，因此，高溫超導(dǎo)體的單元釘扎能比常規(guī)超導(dǎo)體要低很多。

　　第二，很多高溫超導(dǎo)體具有極強(qiáng)的各向異性，這樣一個(gè)體系可以用準(zhǔn)二維的高溫平面和面間的約瑟夫森耦合來(lái)描述，而磁通線也可以用超導(dǎo)平面上的渦旋餅加上其間的約瑟夫森渦旋鏈的圖像來(lái)描述。這樣一個(gè)圖像對(duì)極度各向異性的體系，如Bi，Tl，Hg的2212和2223體系或YBa₂Cu₃O₇/PrBa₂Cu₃O₇多層膜非常適合。但值得一提的是，人們對(duì)于各向異性度不是很高的Bi，Tl或Hg的1212和1223體系，以及YBa₂Cu₃O₇體系仍然用具有各向異性的三維連續(xù)模型來(lái)描述。正由于這些各向異性，高溫超導(dǎo)體的混合態(tài)相圖表現(xiàn)出了非常復(fù)雜而有趣的精細(xì)結(jié)構(gòu)，這其中包括很多以前人們沒(méi)有發(fā)現(xiàn)的相變線。

　　第三，高溫超導(dǎo)體的工作溫度可以很高，這就意味著可以有很強(qiáng)的熱漲落，而強(qiáng)的熱漲落會(huì)降低集體釘扎勢(shì)Uc，同時(shí)大大增強(qiáng)熱激活磁通蠕動(dòng)過(guò)程。

　　第四，高溫超導(dǎo)體具有較大的比值ρ_n/ζ，大的ρ_n對(duì)應(yīng)小的磁通運(yùn)動(dòng)阻尼常數(shù)η，小的ζ使得最可幾磁通跳躍(或隧穿)的體積大大減小，這些都有利于量子隧穿過(guò)程從而導(dǎo)致很大的量子隧穿率和量子漲落的幅度，這里ρ_n代表正常態(tài)的電阻。

　　以上四個(gè)基本特點(diǎn)中的任何兩個(gè)或三個(gè)結(jié)合在一起就會(huì)構(gòu)成高溫超導(dǎo)體的一個(gè)新的特點(diǎn)。下表將高溫超導(dǎo)體的一些參量的范圍與常規(guī)超導(dǎo)體作一個(gè)比較。

高溫超導(dǎo)材料應(yīng)用

　　由于高溫超導(dǎo)材料嚴(yán)格的低溫要求，使其在日常生活中的應(yīng)用受到了限制。應(yīng)用上，材料的制備成本較高，臨界電流和臨界磁場(chǎng)尚未達(dá)到大規(guī)模應(yīng)用水平，氧化物高溫超導(dǎo)材料存在著各向異性、晶界的大量存在、相干電子長(zhǎng)度較短等特性嚴(yán)重限制了線材的長(zhǎng)距離應(yīng)用。

　　高溫超導(dǎo)材料在強(qiáng)電強(qiáng)磁方面的應(yīng)用主要有超導(dǎo)磁流體發(fā)電、高溫輸電、超導(dǎo)發(fā)電機(jī)與電動(dòng)機(jī)，高溫儲(chǔ)能以及高溫超導(dǎo)磁懸浮列車(chē)等。在弱電弱磁方面的應(yīng)用主要有高溫計(jì)算機(jī)，超導(dǎo)量子干涉器，高溫開(kāi)關(guān)等。

　　高溫超導(dǎo)薄膜應(yīng)用于諧振器、濾波器等器件，塊材則用于磁懸浮、儲(chǔ)能飛輪等方面。超導(dǎo)體的制備工藝也將進(jìn)一步的改進(jìn)，如單晶生長(zhǎng)和薄膜制備工藝已經(jīng)取得了很大突破。高溫超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越多的造福于人類(lèi)，也會(huì)創(chuàng)造出比BCS理論更wan美的理論來(lái)解釋高溫機(jī)制。

　　近期威斯康辛大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)教授Chang-Beom Eom的科研團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了一種獨(dú)特的多層超導(dǎo)體，這種高溫材料是由氮族元素化合物組成的，不同于大多數(shù)高溫超導(dǎo)材料的組成元素為類(lèi)似于鈮、水銀等傳導(dǎo)性元素，或是有氮族的五種元素之一與鈦酸鍶氧化物混合制成。這一發(fā)現(xiàn)，離人類(lèi)希望創(chuàng)造出一類(lèi)室溫超導(dǎo)體的愿望更進(jìn)一步。