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[超導(dǎo)電纜] 超導(dǎo)材料基礎(chǔ)知識(shí)介紹
P:2007-10-08 22:12:13
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超導(dǎo)材料具有在一定的低溫條件下呈現(xiàn)出電阻等于零以及排斥磁力線的性質(zhì)的材料�，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)有28種元素和幾千種合金和化合物可以成為超導(dǎo)體。
特性 超導(dǎo)材料和常規(guī)導(dǎo)電材料的性能有很大的不同。主要有以下性能。①零電阻性：超導(dǎo)材料處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)電阻為零，能夠無損耗地傳輸電能。如果用磁場(chǎng)在超導(dǎo)環(huán)中引發(fā)感生電流，這一電流可以毫不衰減地維持下去。這種“持續(xù)電流”已多次在實(shí)驗(yàn)中觀察到。②完全抗磁性：超導(dǎo)材料處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)，只要外加磁場(chǎng)不超過一定值，磁力線不能透入，超導(dǎo)材料內(nèi)的磁場(chǎng)恒為零。③約瑟夫森效應(yīng)：兩超導(dǎo)材料之間有一薄絕緣層（厚度約1nm）而形成低電阻連接時(shí)，會(huì)有電子對(duì)穿過絕緣層形成電流，而絕緣層兩側(cè)沒有電壓，即絕緣層也成了超導(dǎo)體。當(dāng)電流超過一定值后，絕緣層兩側(cè)出現(xiàn)電壓U（也可加一電壓U），同時(shí)，直流電流變成高頻交流電，并向外輻射電磁波，其頻率為，其中h為普朗克常數(shù)，e為電子電荷。這些特性構(gòu)成了超導(dǎo)材料在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域越來越引人注目的各類應(yīng)用的依據(jù)。
基本臨界參量 有以下 3個(gè)基本臨界參量。①臨界溫度:外磁場(chǎng)為零時(shí)超導(dǎo)材料由正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)(或相反)的溫度，以Tc表示。Tc值因材料不同而異。已測(cè)得超導(dǎo)材料的最低Tc是鎢，為0.012K。到1987年，臨界溫度最高值已提高到100K左右。②臨界磁場(chǎng)：使超導(dǎo)材料的超導(dǎo)態(tài)破壞而轉(zhuǎn)變到正常態(tài)所需的磁場(chǎng)強(qiáng)度，以Hc表示。Hc與溫度T 的關(guān)系為Hc=H0[1-(T/Tc)2]，式中H0為0K時(shí)的臨界磁場(chǎng)。③臨界電流和臨界電流密度：通過超導(dǎo)材料的電流達(dá)到一定數(shù)值時(shí)也會(huì)使超導(dǎo)態(tài)破態(tài)而轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)，以Ic表示。Ic一般隨溫度和外磁場(chǎng)的增加而減少。單位截面積所承載的Ic稱為臨界電流密度，以Jc表示。
超導(dǎo)材料的這些參量限定了應(yīng)用材料的條件，因而尋找高參量的新型超導(dǎo)材料成了人們研究的重要課題。以Tc為例，從1911年荷蘭物理學(xué)家H.開默林－昂內(nèi)斯發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)電性(Hg，Tc=4.2K)起，直到1986年以前，人們發(fā)現(xiàn)的最高的 Tc才達(dá)到23.2K(Nb3Ge，1973)。1986年瑞士物理學(xué)家K.A.米勒和聯(lián)邦德國物理學(xué)家J.G.貝德諾爾茨發(fā)現(xiàn)了氧化物陶瓷材料的超導(dǎo)電性，從而將Tc提高到35K。之后僅一年時(shí)間，新材料的Tc已提高到100K左右。這種突破為超導(dǎo)材料的應(yīng)用開辟了廣闊的前景，米勒和貝德諾爾茨也因此榮獲1987年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)金。
分類 超導(dǎo)材料按其化學(xué)成分可分為元素材料、合金材料、化合物材料和超導(dǎo)陶瓷。①超導(dǎo)元素：在常壓下有28種元素具超導(dǎo)電性，其中鈮（Nb）的Tc最高，為9.26K。電工中實(shí)際應(yīng)用的主要是鈮和鉛(Pb，Tc=7.201K)，已用于制造超導(dǎo)交流電力電纜、高Q值諧振腔等。② 合金材料： 超導(dǎo)元素加入某些其他元素作合金成分， 可以使超導(dǎo)材料的全部性能提高。如最先應(yīng)用的鈮鋯合金(Nb-75Zr)，其Tc為10.8K，Hc為8.7特。繼后發(fā)展了鈮鈦合金，雖然Tc稍低了些，但Hc高得多，在給定磁場(chǎng)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(4.2K)。目前鈮鈦合金是用于7～8特磁場(chǎng)下的主要超導(dǎo)磁體材料。鈮鈦合金再加入鉭的三元合金，性能進(jìn)一步提高，Nb-60Ti-4Ta的性能是，Tc＝9.9K，Hc=12.4特（4.2K）；Nb-70Ti-5Ta的性能是，Tc=9.8K，Hc=12.8特。③超導(dǎo)化合物:超導(dǎo)元素與其他元素化合常有很好的超導(dǎo)性能。如已大量使用的Nb3Sn，其Tc=18.1K，Hc=24.5特。其他重要的超導(dǎo)化合物還有V3Ga，Tc=16.8K，Hc=24特；Nb3Al，Tc=18.8K，Hc=30特。④超導(dǎo)陶瓷：20世紀(jì)80年代初，米勒和貝德諾爾茨開始注意到某些氧化物陶瓷材料可能有超導(dǎo)電性，他們的小組對(duì)一些材料進(jìn)行了試驗(yàn)，于1986年在鑭－鋇－銅－氧化物中發(fā)現(xiàn)了Tc=35K的超導(dǎo)電性。1987年，中國、美國、日本等國科學(xué)家在鋇－釔－銅氧化物中發(fā)現(xiàn)Tc處于液氮溫區(qū)有超導(dǎo)電性，使超導(dǎo)陶瓷成為極有發(fā)展前景的超導(dǎo)材料。
應(yīng)用 超導(dǎo)材料具有的優(yōu)異特性使它從被發(fā)現(xiàn)之日起，就向人類展示了誘人的應(yīng)用前景。但要實(shí)際應(yīng)用超導(dǎo)材料又受到一系列因素的制約，這首先是它的臨界參量，其次還有材料制作的工藝等問題（例如脆性的超導(dǎo)陶瓷如何制成柔細(xì)的線材就有一系列工藝問題）。到80年代，超導(dǎo)材料的應(yīng)用主要有：①利用材料的超導(dǎo)電性可制作磁體，應(yīng)用于電機(jī)、高能粒子加速器、磁懸浮運(yùn)輸、受控?zé)岷朔磻?yīng)、儲(chǔ)能等；可制作電力電纜，用于大容量輸電（功率可達(dá)10000MVA）；可制作通信電纜和天線，其性能優(yōu)于常規(guī)材料。②利用材料的完全抗磁性可制作無摩擦陀螺儀和軸承。③利用約瑟夫森效應(yīng)可制作一系列精密測(cè)量?jī)x表以及輻射探測(cè)器、微波發(fā)生器、邏輯元件等。利用約瑟夫森結(jié)作計(jì)算機(jī)的邏輯和存儲(chǔ)元件，其運(yùn)算速度比高性能集成電路的快10～20倍，功耗只有四分之一。
1911年，荷蘭物理學(xué)家昂尼斯(1853～1926)發(fā)現(xiàn)，水銀的電阻率并不象預(yù)料的那樣隨溫度降低逐漸減小，而是當(dāng)溫度降到4.15K附近時(shí)，水銀的電阻突然降到零。某些金屬、合金和化合物，在溫度降到絕對(duì)零度附近某一特定溫度時(shí)，它們的電阻率突然減小到無法測(cè)量的現(xiàn)象叫做超導(dǎo)現(xiàn)象，能夠發(fā)生超導(dǎo)現(xiàn)象的物質(zhì)叫做超導(dǎo)體。超導(dǎo)體由正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)的溫度稱為這種物質(zhì)的轉(zhuǎn)變溫度(或臨界溫度)TC�，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)大多數(shù)金屬元素以及數(shù)以千計(jì)的合金、化合物都在不同條件下顯示出超導(dǎo)性。如鎢的轉(zhuǎn)變溫度為0.012K，鋅為0.75K，鋁為1.196K，鉛為7.193K。
超導(dǎo)體得天獨(dú)厚的特性，使它可能在各種領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。但由于早期的超導(dǎo)體存在于液氦極低溫度條件下，極大地限制了超導(dǎo)材料的應(yīng)用。人們一直在探索高溫超導(dǎo)體，從1911年到1986年，75年間從水銀的4．2K提高到鈮三鍺的23．22K，才提高了19K。
1986年，高溫超導(dǎo)體的研究取得了重大的突破。掀起了以研究金屬氧化物陶瓷材料為對(duì)象，以尋找高臨界溫度超導(dǎo)體為目標(biāo)的“超導(dǎo)熱”。全世界有260多個(gè)實(shí)驗(yàn)小組參加了這場(chǎng)競(jìng)賽。
1986年1月，美國國際商用機(jī)器公司設(shè)在瑞士蘇黎世實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家柏諾茲和繆勒首先發(fā)現(xiàn)鋇鑭銅氧化物是高溫超導(dǎo)體，將超導(dǎo)溫度提高到30K；緊接著，日本東京大學(xué)工學(xué)部又將超導(dǎo)溫度提高到37K；
1987年1月初，日本川崎國立分子研究所將超導(dǎo)溫度提高到43K；不久日本綜合電子研究所又將超導(dǎo)溫度提高到46K和53K。中國科學(xué)院物理研究所由趙忠賢、陳立泉領(lǐng)導(dǎo)的研究組，獲得了48．6K的鍶鑭銅氧系超導(dǎo)體，并看到這類物質(zhì)有在70K發(fā)生轉(zhuǎn)變的跡象。
超導(dǎo)科學(xué)研究
1.非常規(guī)超導(dǎo)體磁通動(dòng)力學(xué)和超導(dǎo)機(jī)理
主要研究混合態(tài)區(qū)域的磁通線運(yùn)動(dòng)的機(jī)理，不可逆線性質(zhì)、起因及其與磁場(chǎng)和溫度的關(guān)系，臨界電流密度與磁場(chǎng)和溫度的依賴關(guān)系及各向異性。超導(dǎo)機(jī)理研究側(cè)重于研究正常態(tài)在強(qiáng)磁場(chǎng)下的磁阻、霍爾效應(yīng)、漲落效應(yīng)、費(fèi)米面的性質(zhì)以及T<Tc時(shí)用強(qiáng)磁場(chǎng)破壞超導(dǎo)達(dá)到正常態(tài)時(shí)的輸運(yùn)性質(zhì)等。對(duì)有望表現(xiàn)出高溫超導(dǎo)電性的體系象有機(jī)超導(dǎo)體等以及在強(qiáng)電方面具有廣闊應(yīng)用前景的低溫超導(dǎo)體等，也將開展其在強(qiáng)磁場(chǎng)下的性質(zhì)研究。
2.強(qiáng)磁場(chǎng)下的低維凝聚態(tài)特性研究
低維性使得低維體系表現(xiàn)出三維體系所沒有的特性。低維不穩(wěn)定性導(dǎo)致了多種有序相。強(qiáng)磁場(chǎng)是揭示低維凝聚態(tài)特性的有效手段。主要研究?jī)?nèi)容包括：有機(jī)鐵磁性的結(jié)構(gòu)和來源；有機(jī)（包括富勒烯）超導(dǎo)體的機(jī)理和磁性；強(qiáng)磁場(chǎng)下二維電子氣中非線性元激發(fā)的特異屬性；低維磁性材料的相變和磁相互作用；有機(jī)導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的輸運(yùn)和載流子特性；磁場(chǎng)中的能帶結(jié)構(gòu)和費(fèi)米面特征等。
3.強(qiáng)磁場(chǎng)下的半導(dǎo)體材料的光、電等特性
強(qiáng)磁場(chǎng)技術(shù)對(duì)半導(dǎo)體科學(xué)的發(fā)展愈益變得重要，因?yàn)樵诟鞣N物理因素中，外磁場(chǎng)是唯一在保持晶體結(jié)構(gòu)不變的情況下改變動(dòng)量空間對(duì)稱性的物理因素，因而在半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)研究以及元激發(fā)及其互作用研究中，磁場(chǎng)有著特別重要的作用。通過對(duì)強(qiáng)磁場(chǎng)下半導(dǎo)體材料的光、電等特性開展實(shí)驗(yàn)研究，可進(jìn)一步理解和把握半導(dǎo)體的光學(xué)、電學(xué)等物理性質(zhì)，從而為制造具有各種功能的半導(dǎo)體器件并發(fā)展高科技作基礎(chǔ)性探索。
4.強(qiáng)磁場(chǎng)下極微細(xì)尺度中的物理問題
極微細(xì)尺度體系中出現(xiàn)許多常規(guī)材料不具備的新現(xiàn)象和奇異特性，這與這類材料的微結(jié)構(gòu)特別是電子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。強(qiáng)磁場(chǎng)為研究極微細(xì)尺度體系的電子態(tài)和輸運(yùn)特性提供強(qiáng)有力的手段，不但能進(jìn)一步揭示這類材料在常規(guī)條件下難以出現(xiàn)的奇異現(xiàn)象，而且為在更深層次下認(rèn)識(shí)其物理特性提供豐富的科學(xué)信息。主要研究強(qiáng)磁場(chǎng)下極微細(xì)尺度金屬、半導(dǎo)體等的電子輸運(yùn)、電子局域和關(guān)聯(lián)特性；量子尺寸效應(yīng)、量子限域效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和表面、界面效應(yīng)；以及極微細(xì)尺度氧化物、碳化物和氮化物的光學(xué)特性及能隙精細(xì)結(jié)構(gòu)等。
5.強(qiáng)磁場(chǎng)化學(xué)
強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)化學(xué)反應(yīng)電子自旋和核自旋的作用，可導(dǎo)致相應(yīng)化學(xué)鍵的松馳，造成新鍵生成的有利條件，誘發(fā)一般條件下無法實(shí)現(xiàn)的物理化學(xué)變化，獲得原來無法制備的新材料和新化合物。強(qiáng)磁場(chǎng)化學(xué)是應(yīng)用基礎(chǔ)性很強(qiáng)的新領(lǐng)域，有一系列理論課題和廣泛應(yīng)用前景。近期可開展水和有機(jī)溶劑的磁化及機(jī)理研究以及強(qiáng)磁場(chǎng)誘發(fā)新化學(xué)反應(yīng)研究等。
6.磁場(chǎng)下的生物學(xué)、生物－醫(yī)學(xué)研究等
磁體科學(xué)和技術(shù)
強(qiáng)磁場(chǎng)的價(jià)值在于對(duì)物理學(xué)知識(shí)有重要貢獻(xiàn)。八十年代的一個(gè)概念上的重要進(jìn)展是量子霍爾效應(yīng)和分?jǐn)?shù)量子霍耳效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)。這是在強(qiáng)磁場(chǎng)下研究二維電子氣的輸運(yùn)現(xiàn)象時(shí)發(fā)現(xiàn)的（獲85年諾貝爾獎(jiǎng)）。量子霍爾效應(yīng)和分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)激起物理學(xué)家探索其起源的熱情，并在建立電阻的自然基準(zhǔn)，精確測(cè)定基本物理常數(shù)e，h和精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)(＝e2/h(
熟悉物理學(xué)史的人都清楚，由固體物理學(xué)演化為凝聚態(tài)物理學(xué)，其重要標(biāo)志就在于其研究對(duì)象的日益擴(kuò)大，從周期結(jié)構(gòu)延伸到非周期結(jié)構(gòu)，從三維晶體拓寬到低維和高維，乃至分?jǐn)?shù)維體系。這些新對(duì)象展示了大量新的特性和物理現(xiàn)象，物理機(jī)理與傳統(tǒng)的也大不相同。這些新對(duì)象的產(chǎn)生以及對(duì)新效應(yīng)、新現(xiàn)象的解釋使得凝聚態(tài)物理學(xué)得以不斷的豐富和發(fā)展。在此過程中，極端條件一直起著至關(guān)重要的作用，因?yàn)闃O端條件往往使得某些因素突出出來而同時(shí)抑制其它因素，從而使原本很復(fù)雜的過程變得較為簡(jiǎn)單，有利于直接了解物理本質(zhì)。
相對(duì)于其它極端條件，強(qiáng)磁場(chǎng)有其自身的特色。強(qiáng)磁場(chǎng)的作用是改變一個(gè)系統(tǒng)的物理狀態(tài)，即改變角動(dòng)量（自旋）和帶電粒子的軌道運(yùn)動(dòng)，因此，也就改變了物理系統(tǒng)的狀態(tài)。正是在這點(diǎn)上，強(qiáng)磁場(chǎng)不同于物理學(xué)的其他一些比較昂貴的手段，如中子源和同步加速器，它們沒有改變所研究系統(tǒng)的物理狀態(tài)。磁場(chǎng)可以產(chǎn)生新的物理環(huán)境，并導(dǎo)致新的特性，而這種新的物理環(huán)境和新的物理特性在沒有磁場(chǎng)時(shí)是不存在的。低溫也能導(dǎo)致新的物理狀態(tài)，如超導(dǎo)電性和相變，但強(qiáng)磁場(chǎng)極不同于低溫，它比低溫更有效，這是因?yàn)榇艌?chǎng)使帶電的和磁性粒子的遠(yuǎn)動(dòng)和能量量子化，并破壞時(shí)間反演對(duì)稱性，使它們具有更獨(dú)特的性質(zhì)。
強(qiáng)磁場(chǎng)可以在保持晶體結(jié)構(gòu)不變的情況下改變動(dòng)量空間的對(duì)稱性，這對(duì)固體的能帶結(jié)構(gòu)以及元激發(fā)及其互作用等研究是非常重要的。固體復(fù)雜的費(fèi)米面結(jié)構(gòu)正是利用強(qiáng)磁場(chǎng)使得電子和空穴在特定方向上的自由運(yùn)動(dòng)從而導(dǎo)致磁化和磁阻的振蕩這一原理而得以證實(shí)的。固體中的費(fèi)米面結(jié)構(gòu)及特征研究一直是凝聚態(tài)物理學(xué)領(lǐng)域中的前沿課題。當(dāng)今凝聚態(tài)物理基礎(chǔ)研究的許多重大熱點(diǎn)都離不開強(qiáng)磁場(chǎng)這一極端條件，甚至很多是以強(qiáng)磁場(chǎng)下的研究作為基礎(chǔ)。如波色凝聚只發(fā)生在動(dòng)量空間，要在實(shí)空間中觀察到此現(xiàn)象必需在非均勻的強(qiáng)磁場(chǎng)中才得以可能。又如高溫超導(dǎo)的機(jī)理問題、量子霍爾效應(yīng)研究、納米材料和介觀物體中的物理問題、巨磁阻效應(yīng)的物理起因、有機(jī)鐵磁性的結(jié)構(gòu)和來源、有機(jī)（包括富勒烯〕超導(dǎo)體的機(jī)理和磁性、低維磁性材料的相變和磁相互作用、固體中的能帶結(jié)構(gòu)和費(fèi)米面特征以及元激發(fā)及其互作用研究等等，強(qiáng)磁場(chǎng)下的研究工作將有助于對(duì)這些問題的正確認(rèn)識(shí)和揭示，從而促進(jìn)凝聚態(tài)物理學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展和完善。
帶電粒子象電子、離子等以及某些極性分子的運(yùn)動(dòng)在磁場(chǎng)特別是在強(qiáng)磁場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生根本性變化。因此，研究強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)化學(xué)反應(yīng)過程、表面催化過程、材料特別是磁性材料的生成過程、生物效應(yīng)以及液晶的生成過程等的影響，有可能取得新的發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生交叉學(xué)科的新課題。強(qiáng)磁場(chǎng)應(yīng)用于材料科學(xué)為新的功能材料的開發(fā)另辟新徑，這方面的, , 工作在國外備受重視，在國內(nèi)也開始有所要求。高溫超導(dǎo)體也正是因?yàn)樵谖磥淼膹?qiáng)電領(lǐng)域中蘊(yùn)藏著不可估量的應(yīng)用前景才引起科技界乃至各國政府的高度重視。因此，強(qiáng)磁場(chǎng)下的物理、化學(xué)等研究，無論是從基礎(chǔ)研究的角度還是從應(yīng)用角度考慮都具有非常重要的科學(xué)和技術(shù)上的意義，通過這一研究，不僅有助于將當(dāng)代的基礎(chǔ)性研究向更深層次開拓，而且還會(huì)對(duì)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著重要的推動(dòng)作用。
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