高溫超導

紀溫超導，球掀股“超導熱”。研究展，溫超導技術超導材料技術、超導強電技術和超導弱電技術三個方面取得了重大進展和突破。

眾領域，超導技術具非突優取。隨溫超導材料低溫製冷技術迅速展，超導技術步伐迅速。超導技術、、技術裝備裝備令，具略義。鉍系材、釔系積雙薄膜、釔系型塗層材、釔系准單疇塊材溫超導纜，技術展際近，某甚際領。

，研究磁懸浮列材料磁強、積、量超導磁。磁懸浮列運磁鐵“斥，異吸”質，磁鐵具抗拒引，即“磁懸浮”。運鐵運輸系統，列完脫離軌懸浮駛，“輪”列，速達百。謂“磁懸浮列”。列裝超導磁，懸浮線圈上高速前進。這些線圈固定在鐵路的底部，由於電磁感應，在線圈裡產生電流，地面上線圈產生的磁場極性與列車上的電磁體極性總是保持相同，這樣在線圈和電磁體之間就會一直存在排斥力，從而使列車懸浮起來。

2，此外在受控熱核反應裝置、回旋加速器等中都具有巨大的應用價值。

利用超導隧道效應，可以製造具有高靈敏的電磁信號探測元件和用於高速運行的計算機元件，可以製造出超導量子干涉磁強計，能測出腦磁圖和心磁圖，這對人的大腦活動具有重大的意義。也可以應用超導體於微波器件中，這對通信的質量的提高也具有重大的應用價值，通信質量的提高將會提高的人們生活水平，改善現在的生活現狀。

3，在軍事工業中，超導技術也可以發揮其特有的作用，超導掃雷具就是其中之一。超導掃雷具的工作原理是：超導掃雷具模擬艦船磁場特性，採用兩根大電流電纜在海水中形成電極，並與海水組成閉合電路產生磁場，或者在船上安裝一個電磁體產生磁場，從而得以將磁水雷引爆。

4，超導材料在強電、弱電方面的應用也具有很大的空間。在強電方面如高能物理受控熱核反應、核磁共振等方面的應用，還有一些物理研究需要很強的磁場，一些特殊的設備都需要超導磁體。核磁共振成像儀就是一個實例。其基本原理：原子核帶有正電，並進行自旋運動。通常情況下，原子核自旋軸的排列是無規律的，但將其置於外加磁場中時，核自旋空間取向從無序向有序過渡。自旋系統的磁化矢量由零逐漸增長，當系統達到平衡時，磁化強度達到穩定值。如果此時核自旋系統受到外界作用，如一定頻率的射頻激發原子核即可引起共振效應。在射頻脈衝停止后，自旋系統已激化的原子核，不能維持這種狀態，將回復到磁場中原來的排列狀態，同時釋放出微弱的能量，成為射電信號，把這許多信號檢出，並使之進行空間分辨，就得到運動中原子核分布圖像。核磁共振的特點是流動液體不產生信號，稱為流動效應或流動空白效應。因此血管是灰白色管狀結構，而血液為無信號的黑色。這樣使血管軟組織很容易分開。正常脊髓周圍有腦脊液包圍，腦脊液為黑色的，並有白色的硬膜為脂肪所襯托，使脊髓顯示為白色的強信號結構。核磁共振已應用於全身各系統的成像診斷。在弱電方面，由於約瑟夫森效應可以得到精確度高的電壓值，在電壓計量工作中具有重要意義：超導量子干涉儀（SQUID）的發明也是一個重要的應用，其具有高的磁測量靈敏度，在磁學中意義重大。

鉍超導家族的化學通式為Bi2Sr2Can-1CunO2n+4，n=2，3。也就是說這個家族有兩個成員，即Bi2Sr2CaCuO8和Bi2Sr2Ca2Cu3O10。習慣上稱為鉍2212相和鉍2223相。在鉍2223相中，如果用Pb少量地取代Bi，材料的超導性能會得到改善。鉍2212相的超導轉變溫度為85K，鉍2223相的超導轉變溫度為110K。

鉈超導家族是高溫超導體中最大的家族。又可分為兩個分族。第一個分族的分子通式為Tl2Ba2Can-1CunO2n+4，n=1，2，3…。這個家族有三個主要成員，即2201相，2212相和2223相。2201相（Tl2Ba2CuO6）的超導轉變溫度為90K，2212相（Tl2Ba2CaCu2O8）的超導轉變溫度為110K。2223相（Tl2Ba2Ca2Cu3O10）的超導轉變溫度為125K。因這一分族的每個成員的分子式里都含有兩個Tl原子，在晶體結構上對應兩個鉈原子層，所以人們又把這個分族叫做鉈雙層分族。

鉈家族的另一個分族的化學分子通式為Tl(Ba，Sr)2Can-1CunO2n+3，n=1，2，3。這個通式中的(Ba，Sr)表示這個位置可以是Ba也可以是Sr。當這個位置的原子是Sr時，Ca可以被某一種稀土元素（R）部分取代。能參與取代的稀土元素達15種之多。這個家族的主要成員在晶體結構上有三個，即1201相，1212相和1223相。因為每個相的(Ba，Sr)的位置都可以是Ba或者是Sr，所以結構上的三個相在化學組成上就分成了TlBa2CuO5，TlSr2CuO5；TlBa2CaCu2O7，TlSr2CaCu2O7；TlBa2Ca2Cu3O9，TlSr2Ca2Cu3O96個成員。而每個含Sr的成員的Ca又可以被稀土元素取代。所以這個分族有成員幾十個。因這個分族每一個分子中只含一個鉈原子，即在晶格中只有一層鉈原子，所以人們又常把這個分族稱為鉈單層分族。鉈單層分族的1201相、1212相和1223相的超導轉變溫度分別為45K，95K和120K。

汞超導家族的化學通式為HgBa2Can-1CunO2n+2+x，n=1，2，3…。因這個家族的晶格中一般地有多餘的氧原子存在，所以在氧的下標上有"+x"。這個家族的主要成員有HgBa2CuO4，HgBa2CaCu2O6+x和HgBa2Ca2Cu3O8+x，即1201相、1212相和1223相，這三個相的轉變溫度分別為85K，120K和133K。其中1223相中的133K是迄今為止所發現的在常壓下最高的超導臨界轉變溫度。高溫超導體是金屬氧化物，在本質上是陶瓷材料，所以有的人將其稱為陶瓷超導材料。

稀土213家族的化學通式一般寫為（R，Ba）2CuO4-x，這裡R表示某一種稀土元素。至少有十種稀土元素可以用來合成這個家族的超導體。這個化學分子式中含兩個（R，Ba）類原子，一個Cu原子，4個氧原子，所以被稱為214結構。在晶格中，R和Ba的位置是等價的，所以這裡把它們看作一類原子。由於一般地講，在晶格中存在著氧原子少缺，所以在分子式中寫成O4-x。這個家族的超導轉變溫度約為36K。

稀土224家族的化學通式為RBa2Cu3O7-x，R同樣表示某個稀土元素。至少有13種稀土元素可以用來合成這個家族的超導體。因為這個家族的分子式中金屬元素的個數分別為1，2和3，所以人們把這三種家族稱為123超導體家族。因為元素的增多，人們習慣上不再把氧原子寫出來表示這個家族。由於這個家族被發現的第一個成員的稀土元素是釔（Y），所以人們也常把123家族稱為釔家族。123家族的超導轉變溫度為90K左右。

早在19世紀，有關物質導電的宏觀經驗定律就已建立。例如，歐姆定律、基爾霍夫定律、電阻定律等，關於物質導電的機理已經成為一個非常重要的課題。

1882年昂內斯成為萊頓大學物理系教授，開始把實驗室的全部研究方向都確定在低溫方向。1911年2月，昂內斯發現，在4.3K時，鉑的電阻是一個定值。他認為這個定值是由雜質引起的，從而昂內斯選擇汞作研究對象，因為汞在常溫下可以連續用蒸餾法提純。在3K時，他發現電阻降到3×10－6以下，這是第一次觀察到的超導電性。

1913年9月在華盛頓召開的第三屆國際製冷會議上，昂內斯正式提出了“超導態”概念。

超導體的零電阻效應被發現后，人們也許是驚喜萬分，在相當長的一段時間裡，一直誤認為超導電性是超導體的最本質的性質，卻忽略了超導體的磁性質。邁斯納注意到超導體在有磁場時的轉變中，有滯后現象存在。隨後研究表明，當物體進入超導態后，外部空間的磁場分佈將發生變化，使超導體內部的磁感應強度保持為零。後來稱這一發現為“邁斯納效應”。

但是這個時期還是認識超導機制的起步階段。

20世紀30年代，超導唯象理論有了快速的發展，有戈特—卡西米爾的熱力學理論與二流體模型，有倫敦兄弟的電動力學理論。可以說金屬電子導電理論此時在許多方面取得了巨大的成功。但是，超導電性是宏觀世界的一種現象，在解釋超導現象時，它的微觀機制是如何的呢？還沒有人能夠給出恰當的解釋。此後，許多人開始這方面的研究。他們認為，金屬電子導電理論所使用的自由電子模型對超導體不再適用，應該充分考慮電子間以及電子與正離子間的相互作用。從此以後，超導物理界在電子間的庫侖作用以及電—聲相互作用方面展開了廣泛的研究。最終在1957年由巴丁、庫珀和施里弗三人共同建成了完整的超導微觀機制。此後，一些物理學家根據前人的工作，相繼地發現了超導隧道效應和約瑟夫森效應。

對超導現象，BCS理論給出了比較滿意的解釋。而在應用方面，超導現象具有很寬敞的應用空間，具有很高的應用價值。到了現代，人們一直致力於對超導材料的研究。在1968年以前，高溫超導材料的研究處於停滯狀況，一直在探索，但是沒有較大的進展。

接近室溫的超導。一般超導合金在接近絕對零度時電阻為零，所以在其應用上會遇到製冷等問題的障礙。高溫超導研究為現代科學的熱門課題。

超導體得天獨厚的特性，使它可能在各種領域得到廣泛的應用。但由於早期的超導體存在於液氦極低溫度條件下，極大地限制了超導材料的應用。人們一直在探索高溫超導體，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象，以尋找高臨界溫度超導體為目標的“超導熱”。全世界有260多個實驗小組參加了這場競賽。

1986年1月，美國國際商用機器公司設在瑞士蘇黎世實驗室科學家柏諾茲和繆勒首先發現鋇鑭銅氧化物是高溫超導體，將超導溫度提高到30K；緊接著，日本東京大學工學部又將超導溫度提高到37K；12月30日，美國休斯敦大學宣布，美籍華裔科學家朱經武又將超導溫度提高到40．2K。

1986年10月，柏諾茲等人提出了他們在Ba-La-Cu-O系統中獲得了Tc為33K左右的報道。同年12月15日，休斯頓大學報告了在處於壓力下的La-Ba-Cu-O化合物體系中獲得40.2K的超導轉變。同年12月26日，中科院物理研究所宣布，他們成功地獲得轉變溫度48.6K的超導材料。到1987年2月16日。朱經武的試驗小組在92K處觀察到了超導轉變。同年2月24日，中科院物理研究所趙忠賢領導的研究集體宣布，液氮溫區超導體起始轉變溫度在100K左右。這時期超導臨界溫度突破液氮沸點77K大關，對人類具有劃時代的意義。

液氮代替了液氫，為超導技術實際應用展開了廣闊的前景。現代物理學中關於超導現象的研究還在進一步的進行中。

1987年1月初，日本川崎國立分子研究所將超導溫度提高到43K；不久日本綜合電子研究所又將超導溫度提高到46K和53K。中國科學院物理研究所由趙忠賢、陳立泉領導的研究組，獲得了48．6K的鍶鑭銅氧系超導體，並看到這類物質有在70K發生轉變的跡象。2月15日美國報道朱經武、吳茂昆獲得了98K超導體。2月20日，中國也宣布發現100K以上超導體。3月3日，日本宣布發現123K超導體。3月12日中國北京大學成功地用液氮進行超導磁懸浮實驗。3月27日美國華裔科學家又發現在氧化物超導材料中有轉變溫度為240K的超導跡象。高溫超導體的巨大突破，以液態氮代替液態氦作超導製冷劑獲得超導體，使超導技術走向大規模開發應用。氮是空氣的主要成分，液氮製冷機的效率比液氦至少高10倍，所以液氮的價格實際僅相當於液氦的1/100。液氮製冷設備簡單，因此，現有的高溫超導體雖然還必須用液氮冷卻，但卻被認為是20世紀科學上最偉大的發現之一。

科學家第一次在基於鈈的材料中發現了超導電性。他們發現由鈈、鈷和鎵組成的一種合金在絕對溫標18.5K以下存在超導性。這個溫度反常的高，意味著除了重費米子系統、高溫氧化物和傳統的超導材料之外，含鈈化合物很可能也是一類新型的超導體(J.L.Sarraoetal.，Nature420，297(2002))。

這項工作是由美國洛斯阿拉莫斯(LosAlamos)國家實驗室的JohnSarrao和他的同事，以及在佛羅里達大學和德國的超鈾元素研究所的合作者們共同完成的。他們發現，鈈化合物的臨界溫度（Tc）比重費米子系統（基於鈾和鈰的化合物）要高一個量級。臨界溫度是超導材料的電阻變為零的溫度。

這種材料同時還有很高的臨界電流（超過此界限材料就失去超導特性的電流強度），這對其實際應用非常有利——當然鈈危險的放射性會限制這一應用。這個很高的臨界電流來源於材料中由於輻射導致的缺陷所產生的釘扎中心。

研究人員在測量樣品的磁化率和比熱的過程中發現這種材料的超導性。隨後，他們測量了樣品的磁化率和電阻對溫度的依賴關係，發現其結果顯示，該化合物5f軌道上的電子的局域化程度處在鈰化合物與鈾化合物之間的。

鈈屬於錒族元素，位於5f電子從局域化到退局域化的轉變區，這使得它屬於已知最複雜的的物質之一。研究人員們相信，鈈的超導性直接來源於其奇異的電子性質。從臨界溫度的角度來看，它處在臨界溫度僅有1K左右的重費米子材料和臨界溫度高達100K的銅氧化合物之間。

該小組希望進一步的研究能夠發現在其他危險性稍弱的超鈾元素中也存在超導性。Sarrao說：“經驗告訴我們，當一個超導體被找到的時候，它旁邊的化合物很可能是也超導的，所以還有非常多的相關化合物需要研究。”

高溫超導體（High-temperature superconductors）是超導物質中的一種族類，具有一般的結構特徵以及相對上適度間隔的銅氧化物平面。它們也被稱作銅氧化物超導體。此族類中一些化合物中，超導性出現的臨界溫度是已知超導體中最高的。

不同銅氧化物在常態（以及超導態）性質之間具有共同的特徵；這些性質中，許多無法以金屬的傳統理論來解釋。銅氧化物的一致性理論至今尚不存在，然而這項問題觸發了許多實驗方面與理論方面的研究工作；此一領域的重要性已經遠超過開發出室溫超導體這項目標。

銅氧化物超導體在實驗上是由卡爾·米勒及約翰內斯·貝德諾爾茨首度發現，不久兩人的研究成果即受到1987年諾貝爾物理學獎的肯定。

1987年，來自台灣的美國物理學家吳茂昆和朱經武在釔鋇銅氧系材料上把臨界超導溫度提高到90K以上，液氮的“溫度壁壘”（77K）也被突破了。根據權威的科學引文索引資料庫Web of Science，由吳茂昆為第一作者（共同作者包括休士頓大學朱經武）的論文"Superconductivity at 93 K in a new mixed-phase Y-Ba-Cu-O compound system at ambient pressure"自1987年3月於美國物理學會期刊《物理評論快報》發表以來自2018年已獲期刊論文引用超過五千多次，這篇史上第一次超越液態氮沸點“溫度壁壘”（77K,絕對零度以上攝氏77度）而將超導溫度從30K提升到90K（攝氏零下183度）以上的研究突破自1911年後七十多年的物理學研究瓶頸，為臨界溫度高於77K的材料稱為高溫超導體下了定義，不但於當年獲矚目，也被指為超導體領域30年來最重要的先驅之一，吳茂昆團隊的發現對爾後超導體的科學與商業應用頗具影響。1987年底，鉈－鋇－鈣－銅－氧系材料又把臨界超導溫度的記錄提高到125K。從1986年－1987年的短短一年多的時間裡，臨界超導溫度提高了近100K。

2015年，物理學者發現，硫化氫在極度高壓的環境下(至少150GPa，也就是約150萬標準大氣壓)，約於溫度203K （-70°C）時會發生超導相變，是目前已知最高溫度的超導體。

高溫超導銅氧化物超導體包括YBCO（釔-鋇-銅-氧化合物）等，都是著名的突破液氮的“溫度壁壘”（77K）的材料。