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关于高温超导材料的历史介绍

2022.9.29

  高温超导体通常是指在液氮温度(77 K)以上超导的材料。人们在超导体被发现的时候(1911年),就被其奇特的性质(即零电阻,反磁性,和量子隧道效应)所吸引。但在此后长达七十五年的时间内所有已发现的超导体都只是在极低的温度(23 K)下才显示超导,因此它们的应用受到了极大的限制。

  高温超导材料一般是指临界温度在绝对温度77K以上、电阻接近零的超导材料,通常可以在廉价的液氮(77K)制冷环境中使用,主要分为两种:钇钡铜氧(YBCO)和铋锶钙铜氧(BSCCO)。钇钡铜氧一般用于制备超导薄膜,应用在电子、通信等领域;铋锶钙铜氧主要用于线材的制造。

  1911年,荷兰莱顿大学的卡末林·昂尼斯意外地发现,将汞冷却到-268.98°C时,汞的电阻突然消失;后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性,由于它的特殊导电性能,卡末林·昂尼斯称之为超导态,他也因此获得了1913年诺贝尔奖。

  1933年,荷兰的迈斯纳和奥森菲尔德共同发现了超导体的另一个极为重要的性质,当金属处在超导状态时,这一超导体内的磁感应强度为零,却把原来存在于体内的磁场排挤出去。对单晶锡球进行实验发现:锡球过渡到超导状态时,锡球周围的磁场突然发生变化,磁力线似乎一下子被排斥到超导体之外去了,人们将这种现象称之为“迈斯纳效应”。

  自卡麦林·昂尼斯发现汞在4.2K附近的超导电性以来,人们发现的新超导材料几乎遍布整个元素周期表,从轻元素硼、锂到过渡重金属铀系列等。超导材料的最初研究多集中在元素、合金、过渡金属碳化物和氮化物等方面。至1973年,发现了一系列A15型超导体和三元系超导体,超导材料要用液氦做致冷剂才能呈现超导态,因而在应用上受到很大限制。1986年柏诺兹和缪勒发现了35K 超导的鑭钡铜氧体系。这一突破性发现导致了更高温度的一系列稀土钡铜氧化物超导体的发现。通过元素替换,1987年初美国吴茂昆(朱经武)等和我国物理所赵忠贤等宣布了90K钇钡铜氧超导体的发现,第一次实现了液氮温度(77 K)这个温度壁垒的突破。柏诺兹和缪勒也因为他们的开创性工作而荣获了1987年度诺贝尔物理学奖。

  这类超导体由于其临界温度在液氮温度(77K)以上,因此通常被称为高温超导体。液氮温度以上钇钡铜氧超导体的发现,使得普通的物理实验室具备了进行超导实验的条件,因此全球掀起了一股探索新型高温超导体的热潮。1987年底,我国留美学者盛正直等首先发现了第一个不含稀土的铊钡铜氧高温超导体。1988 年初日本研制成临界温度达110K的铋锶钙铜氧超导体。1988年2月盛正直等又进一步发现了125K 铊钡钙铜氧超导体。几年以后(1993年)法国科学家发现了 135K 的汞钡钙铜氧超导体。

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