7超导材料——当代科学的明珠.PDF

7 超导材料 —— 当代科学的明珠 引言 超导电性 （简称超导）, 是指某些材料被冷却到一定温度下, 电流通过时这些材料出现 零电阻,即失去电阻的现象,同时材料内部失去磁通成为完全抗磁性的物质。相应地,具有超导 电性的材料称为 超导材料。超导材料在电阻消失前的状态称为常导状态, 电阻消失后的状态 称为超导状态。 超导技术是21 世纪具有战略意义的综合性高新技术，可广泛用于能源、信息、医疗、 电力工业、交通、国防、科研及国防军工等重大工程方面。21 世纪超导技术会同20世纪半 导体技术一样具有重要意义。一方面，高温超导线材通电能力超出相同截面积铜导线100 倍 以上，因而在能源领域应用潜力巨大，并有可能引发电力系统的革命。美国能源部认为高 温超导电力技术是21 世纪电力工业惟一的高技术储备，是检验美国将科学发现转化为应用 技术能力的重大实践。日本认为超导电力技术是在21 世纪全球竞争中保持尖端优势的关键 所在。另一方面，超导元器件的高灵敏特性使得其在移动通信、航空航天、资源勘探、医疗 诊断以及军事国防等领域有广阔的应用前景。 我国自20世纪60年代即开始超导技术和超导材料的研究，经过30多年的努力，在超导磁 体及其应用、超导材料研究、超导电子学以及超导基础研究等方面都取得很大成绩。 本章将简要介绍有关超导技术与超导材料的有关基础知识。 7.1 超导材料的开发历程 7.1.1 惊人的发现——超导材料的问世 现代人们的生活、工作离不开“电”，电力必须靠良导体传输。电工手册规定铜导线截 面额定电流不能超过5A ／cm2 ，否则过热会导致电线或绝缘层溶解引起失火等灾难。对远距 离输电(只能使用小尺寸导线)必须加高压，使用大电流的机器必须接大截面尺寸的铜导体， 这使得铜线绕制的磁体体积庞大！ 因此如何找到一种完全没有电阻，消除电能损耗的导电材料一直是物理学家和材料科学 工作者梦寐以求的愿望。1908年7月10 日荷兰莱顿实验室在物理学家卡麦林·昂尼斯领导下 将氦液化成功，获得了4.25～1.15 K的极低温，从此开创了极低温下物性的研究。 图7.1 昂尼斯肖像 图7.2 极低温度下汞的电阻与温度关系 1911年昂尼斯（Onnes，如图7.1所示）带领学生进行纯水银(汞)在低温下电阻行为的研 究，发现：当冷却到低温氦的沸点时(4 ．2 K) 电阻突然降为零( 电阻降到该仪器无法测量的程 度) ，当升温到4 ．2 K 以上时，这种现象消失，再冷时又出现零电阻现象，而且在4 ．2 K附 261 近汞的电阻下降是突变，如图7.2所示。这一发现立即引起全世界范围的震动。后来在Sn、 Pb及不纯汞等金属中也发现了电阻消失的现象。昂尼斯由于该项具有历史意义的发现而获 得1913年度诺贝尔物理学奖。 昂尼斯在诺贝尔领奖演说中指出：低温下金属电阻的消失“不是逐渐的，而是突然的”， 水银在-269℃“进入了一种新状态，由于其特殊导电性能，可称为超导态” 。因此，人们把这 种现象称为超导现象，具有超导性质的材料即超导体。超导体从此问世于人间。超导体开始 失去电阻的温度为超导临界转变温度（简称临界温度）TC 。超导体的直流电阻率在一定的 低温下突然消失，被称为零电阻效应。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流动。这样就能以极小的功率在线圈中通过巨大的电流，从而 产生高达几特以至几十特的超强磁场，这是人们长期以来梦寐以求的。 7.1.2 超导奥秘的探索 为什么低温下的超导态汞会在弱磁场中失去超导能力呢？从1911年到1912年，尽管发现 的超导体的数目在不断增加，但人们还是没有解决这一问题，却一直认为温度是对超导有影 响，而磁力线可以穿过超导体,如图7.3(a)所示。 直到1933年，荷兰的W.迈斯纳和R.奥克森菲尔德两位科学家在测定金属锡和铅在磁场 中冷却到超导温