论文部分内容阅读
时速高达500公里的超导磁悬浮列车、没有能耗的超导输电线……这些令人振奋的应用前景，既是人类的美好希望，更是激励科学家不断探索的巨大动力。
寻找新型材料
1911年，荷兰物理学家卡茂林·昂尼斯意外发现，将水银冷却到接近绝对零度(-268.98℃)时，其电阻突然消失。后来，他又发现，许多金属(例如铝、锡)和合金都具有与水银类似的特性：在低温下电阻为零(这一温度叫超导材料的临界温度)，由于它的特殊导电性能，昂尼斯称之为超导态。昂尼斯本人也因此获得了1913年诺贝尔奖。
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4.2K(-268.98℃)进入了一种新状态，由于它的特殊导电性能，可以称为“超导态”。
昂尼斯和其他许多科学家后来又发现了28种超导元素和8000多种超导化合物。但出现超导现象时的温度大都接近绝对零度(-273℃)，所以，此超导材料没有太大的实用可能性和经济价值。
但这一发现引起了范围内的震动。从那时起，科学家一直不断尝试提高超导材料的临界温度。直到1973年，英、美科学家发现了铌锗合金，其临界超导温度为23.2K(-249.8℃)，才使超导材料研究走上了快速路，这个纪录保持了13年。
1986年，在瑞士国际商用公司实验室工作的德国科学家贝特诺茨和美国科学家缪勒发现，氧化物(镧－钡－铜－氧)陶瓷材料在43K(-230℃)的较高温度下出现了超导现象，打破了传统“氧化物陶瓷是绝缘体”的观念，引起了全球科学界的轰动。他们也因此获得了1987年的诺贝尔物理学奖。
不断挑战上限
1957年，库珀等3位科学家提出了超导微观理论，揭示了低温超导现象。该理论认为，电子会因声子(即量子化的晶格振动)而产生相互作用，当其克服电子之间的排斥力时，便会形成电子对，称为“库珀对”。而这种能量交换使一些普通金属材料产生了超导性。
然而，在温度升高时，即使最好的金属低温超导材料也会失去其超导性能。其原因是：随着温度的不断升高，超导材料内部的原子振动也不断加剧，电子对不断地被拆散，该材料原有的电阻得以恢复。超导材料的临界温度取决于三个因素：可以利用的电子数量、声子震动的频率、相互作用的强度(即声子和电子之间的耦合力)。
1987年底，铊－钡－钙－铜－氧化材料又把临界超导温度的纪录提高到125K(-148℃)。从1986～1987年的短短一年多的时间里，临界超导温度竟然提高了100K以上，这在材料发展史上，乃至科技发展史上都堪称是一大奇迹。遗憾的是，科学家们一直无法破解铜氧化物材料在非常冷的温度下(例如液氮的温度)是如何显示超导性的。
由于铁基材料和铜氧化物这两类超导体在很多方面存在相似性，研究人员希望通过研究铁基超导体找到线索，进而探寻铜氧化物的超导机制。
这两种材料的超导转变温度，都远远高于其他所有已知超导体。它们都有各自的最佳掺杂溶度，即掺杂到某一溶度时，该体系的超导转变温度会达到一个极大值。在此温度以下，该材料进入超导态，这个转变温度也被称为临界温度。
铁基材料和铜氧化物最大的相似之处在于，它们都是层状结构，但这种结构是不是高温超导的关键因素还有待证明。
铜氧化物和铁基超导体都有不同原子层相互交错堆积而成。铜氧化物的主要特征是铜氧层，相应地，铁基化合物也有由铁和磷族元素构成的原子层，在这些层中，铁元素和元素周期表中氧元素那一列的元素，如磷、砷、锑等结合在一起。
目前研究组发现的超导体，就是由镧氧层和铁砷层交错构成。如果把这两种超导体的晶体结构比作三明治，铜氧层和铁层就是夹在三明治里的肉。物理学家认为，超导电性就源于这个夹心层。
两边的“面包片”仅仅为夹心层提供额外的电子，或是从夹心层移走一些电子。往镧氧铁砷掺杂了氟之后，氟就会取代部分氧原子，由于每个氟原子比此前的氧原子多出一个电子，这些额外电子就会转移到铁砷层，进而改变它的电学性质。
铁基超导体最吸引人之处，或许在于它让高温超导体家族有了新成员，铜氧化物不再孤独。研究者已经被铜氧化物困扰了20多年，始终没有找到一个理论能解释它的所有性质，尤其是超导转变温度为什么如此之高。
现在，研究者或许可以比较铜氧化物和铁基材料这两种高温超导体，找到关键线索，最终解开高温超导这个未解之谜。
常温超导不再遥远
最先进的超导电缆可将电能输送几千公里而仅有百分之几的损耗。但麻烦的是，电缆必须一直浸在77K(约-196℃)的液氧之中。因此，如果要架设这样的电缆，每隔1000米左右就必须安装泵机和冷却设备，大大增加了超导电缆方案的成本和复杂程度，而且本身要消耗巨大的电能。
超导体的直流电阻率在一定的低温下突然消失，被称作零电阻效应。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形成强大的电流，从而产生超强磁场。
多年来，物理研究人员一直在坚持不懈地探求常温超导之谜。在常温下，传输电流零损耗(无电阻)的材料有着巨大的应用市场。这种材料可用于磁悬浮高速列车高效的核磁共振摄影、无损耗的发电机、变压器和输电线、功能强大的超级计算机等等。
能在常温常压下工作的超导体，将使全球化电力供应梦想成真，目前的电网将会彻底改变。通过横穿地中海底的超导电缆，非洲撒哈拉沙漠的太阳能也可以给西欧供电。
2008年，一大类以铁元素为基质的全新超导体(铁基超导体)被人发现。2009年10月10日，美国科学家将超导温度提高到254K(-19℃)，对于推广常温超导的实际应用具有重大的意义，理论上能够找到常温超导体工作机制的希望也因此而大增。
如果掌握了这一机制，常温超导体也许就不再遥不可及。
寻找新型材料
1911年，荷兰物理学家卡茂林·昂尼斯意外发现，将水银冷却到接近绝对零度(-268.98℃)时，其电阻突然消失。后来，他又发现，许多金属(例如铝、锡)和合金都具有与水银类似的特性：在低温下电阻为零(这一温度叫超导材料的临界温度)，由于它的特殊导电性能，昂尼斯称之为超导态。昂尼斯本人也因此获得了1913年诺贝尔奖。
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4.2K(-268.98℃)进入了一种新状态，由于它的特殊导电性能，可以称为“超导态”。
昂尼斯和其他许多科学家后来又发现了28种超导元素和8000多种超导化合物。但出现超导现象时的温度大都接近绝对零度(-273℃)，所以，此超导材料没有太大的实用可能性和经济价值。
但这一发现引起了范围内的震动。从那时起，科学家一直不断尝试提高超导材料的临界温度。直到1973年，英、美科学家发现了铌锗合金，其临界超导温度为23.2K(-249.8℃)，才使超导材料研究走上了快速路，这个纪录保持了13年。
1986年，在瑞士国际商用公司实验室工作的德国科学家贝特诺茨和美国科学家缪勒发现，氧化物(镧－钡－铜－氧)陶瓷材料在43K(-230℃)的较高温度下出现了超导现象，打破了传统“氧化物陶瓷是绝缘体”的观念，引起了全球科学界的轰动。他们也因此获得了1987年的诺贝尔物理学奖。
不断挑战上限
1957年，库珀等3位科学家提出了超导微观理论，揭示了低温超导现象。该理论认为，电子会因声子(即量子化的晶格振动)而产生相互作用，当其克服电子之间的排斥力时，便会形成电子对，称为“库珀对”。而这种能量交换使一些普通金属材料产生了超导性。
然而，在温度升高时，即使最好的金属低温超导材料也会失去其超导性能。其原因是：随着温度的不断升高，超导材料内部的原子振动也不断加剧，电子对不断地被拆散，该材料原有的电阻得以恢复。超导材料的临界温度取决于三个因素：可以利用的电子数量、声子震动的频率、相互作用的强度(即声子和电子之间的耦合力)。
1987年底，铊－钡－钙－铜－氧化材料又把临界超导温度的纪录提高到125K(-148℃)。从1986～1987年的短短一年多的时间里，临界超导温度竟然提高了100K以上，这在材料发展史上，乃至科技发展史上都堪称是一大奇迹。遗憾的是，科学家们一直无法破解铜氧化物材料在非常冷的温度下(例如液氮的温度)是如何显示超导性的。
由于铁基材料和铜氧化物这两类超导体在很多方面存在相似性，研究人员希望通过研究铁基超导体找到线索，进而探寻铜氧化物的超导机制。
这两种材料的超导转变温度，都远远高于其他所有已知超导体。它们都有各自的最佳掺杂溶度，即掺杂到某一溶度时，该体系的超导转变温度会达到一个极大值。在此温度以下，该材料进入超导态，这个转变温度也被称为临界温度。
铁基材料和铜氧化物最大的相似之处在于，它们都是层状结构，但这种结构是不是高温超导的关键因素还有待证明。
铜氧化物和铁基超导体都有不同原子层相互交错堆积而成。铜氧化物的主要特征是铜氧层，相应地，铁基化合物也有由铁和磷族元素构成的原子层，在这些层中，铁元素和元素周期表中氧元素那一列的元素，如磷、砷、锑等结合在一起。
目前研究组发现的超导体，就是由镧氧层和铁砷层交错构成。如果把这两种超导体的晶体结构比作三明治，铜氧层和铁层就是夹在三明治里的肉。物理学家认为，超导电性就源于这个夹心层。
两边的“面包片”仅仅为夹心层提供额外的电子，或是从夹心层移走一些电子。往镧氧铁砷掺杂了氟之后，氟就会取代部分氧原子，由于每个氟原子比此前的氧原子多出一个电子，这些额外电子就会转移到铁砷层，进而改变它的电学性质。
铁基超导体最吸引人之处，或许在于它让高温超导体家族有了新成员，铜氧化物不再孤独。研究者已经被铜氧化物困扰了20多年，始终没有找到一个理论能解释它的所有性质，尤其是超导转变温度为什么如此之高。
现在，研究者或许可以比较铜氧化物和铁基材料这两种高温超导体，找到关键线索，最终解开高温超导这个未解之谜。
常温超导不再遥远
最先进的超导电缆可将电能输送几千公里而仅有百分之几的损耗。但麻烦的是，电缆必须一直浸在77K(约-196℃)的液氧之中。因此，如果要架设这样的电缆，每隔1000米左右就必须安装泵机和冷却设备，大大增加了超导电缆方案的成本和复杂程度，而且本身要消耗巨大的电能。
超导体的直流电阻率在一定的低温下突然消失，被称作零电阻效应。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形成强大的电流，从而产生超强磁场。
多年来，物理研究人员一直在坚持不懈地探求常温超导之谜。在常温下，传输电流零损耗(无电阻)的材料有着巨大的应用市场。这种材料可用于磁悬浮高速列车高效的核磁共振摄影、无损耗的发电机、变压器和输电线、功能强大的超级计算机等等。
能在常温常压下工作的超导体，将使全球化电力供应梦想成真，目前的电网将会彻底改变。通过横穿地中海底的超导电缆，非洲撒哈拉沙漠的太阳能也可以给西欧供电。
2008年，一大类以铁元素为基质的全新超导体(铁基超导体)被人发现。2009年10月10日，美国科学家将超导温度提高到254K(-19℃)，对于推广常温超导的实际应用具有重大的意义，理论上能够找到常温超导体工作机制的希望也因此而大增。
如果掌握了这一机制，常温超导体也许就不再遥不可及。