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物理学的“巨人之战” 高温超导的过去、现在和未来

北极星储能网  来源:科学大院  作者:罗会仟  2017/2/4 15:02:15  我要投稿  

北极星储能网讯:编者的话: 2017年1月9日,2016年度国家科学技术奖励大会在北京人民大会堂举行。本刊作者、中国科学院物理研究所研究员、中国科学院院士赵忠贤获得国家最高科学技术奖。

1987年2月,赵忠贤及合作者独立发现液氮温区高温超导体,并在国际上首次公布其元素组成为Ba-Y-Cu-O。1987年,获得第三世界科学院(现更名为发展中国家科学院)物理奖,这是中国科学家首次获此奖项。1989年,因“液氮温区氧化物超导电性的发现”获国家自然科学奖集体一等奖(排名第一)。

2008年,日本报道了LaFeAsO有26K的超导电性,赵忠贤认识到其中可能孕育新的突破,并提出轻稀土元素替代和高温高压的合成方案,率先将铁基超导体的临界温度从26K提高到52K,显著超过40K的麦克米兰极限。很快,研究团队又合成了绝大多数50K以上的系列铁基超导体,创造了大块铁基超导体55K的最高临界温度纪录。2013年,赵忠贤因“40K以上铁基高温超导体的发现及若干基本物理性质研究”荣获国家自然科学奖一等奖。 2015年,荣获国际超导领域重要奖项Matthias奖。

高温超导领域,我国为何能长期保持世界领先?以史为镜,从罗会仟的《高温超导30载:过去、现在和未来》一文也许能得到一些启示。

引 言

近年来,中国物理学家在铁基高温超导领域持续做出了许多卓越贡献,相关发现和研究开启了超导物理学史上的崭新篇章。2016年是高温超导发现30周年,随着铁基超导的助力,高温超导机理研究已经步入加速阶段,相信在不久的将来,高温超导机理的面纱终会全面揭开,整个凝聚态物理也将发生革命性的变化。

超导是凝聚态物质中电子的一种宏观多体量子态,百余年来一直是活跃的前沿领域。超导研究不仅在材料应用方面具有巨大潜力,而且其中发现的种种奇异量子现象是基础科学研究的重要源泉。铁基高温超导的发现以及对其不断深入的研究,给多年来令人困惑的高温超导和室温超导领域带来了一缕曙光。推动超导基础研究在中国的发展,将进一步巩固我们在凝聚态物理研究中已占领的国际制高点,提升我国在基础科学前沿领域的竞争力。

超导的基本性质与应用

1911年4月8日,荷兰莱顿大学低温物理实验室的卡末林—昂内斯(H. Kamerlingh Onnes)团队在研究低温下金属汞的电阻时,发现汞的电阻在4.2开附近突然下降了4个数量级,超出了仪表的测量范围。经过仔细查验,卡末林—昂内斯认为汞的电阻已变为零,并把这个具有零电阻的导体称之为超导,把发生超导现象的温度定义为临界温度。随后,德国的迈斯纳(W. Meissner)和奥克森费尔德(R. Ochsenfeld)发现超导体还具有特殊的磁性质——完全抗磁性,即当超导材料温度降至临界温度Tc之下时,所有的外磁场磁力线将被排出导体体外,无论如何降温,外磁场的施加顺序如何,超导体内部的磁感应强度始终为零。这种完全抗磁性现象被称为迈斯纳效应。一个材料能否称之为超导体,必须同时具有零电阻和迈斯纳效应两个独立的物理性质。

随着研究的展开,人们发现:超导现象发生前后,材料内部的晶体结构并未发生变化,而材料内部电子的整体比热却发生一个跃变。因此,超导现象实际上是材料内部电子的一个集体行为,用现代物理语言来说,就是宏观量子态。1957年,美国物理学家巴丁(J. Bardeen)、库珀(L.N. Cooper)和施里弗(J.R. Sieffer)建立了常规超导的微观理论——BCS理论。该理论认为,在常规金属合金中,固体材料中带正电的原子实会对“路过”的带负电的电子产生吸引相互作用,而后一个路过的电子将“感受”到前一个路过的电子造成的“印记”,即两个电子之间存在一种间接相互作用,其媒介就是周期排列的原子所产生的热振动能量量子——声子。如果两个电子动量相反,那么它们各自与周围原子实的相互作用就可以等效为它们之间存在一种弱的吸引相互作用,导致材料中电子两两配对。配对后的电子对称为库珀对,所有库珀对将在运动过程中保持步调一致,并集体凝聚到低能组态。因此,运动中即便受到阻碍,配对电子也会彼涨此消,使得整个配对的自由电子群体可以保证能量损失为零,从而实现零电阻状态。电子对的集体凝聚将“抗拒”体外磁场的进入,从而实现迈斯纳效应。正是如此,超导材料在宏观和微观上都展现出许多神奇的电磁特性,具有许多潜在应用。

超导材料在能源、科研、医疗、通信等多个领域都具有极其重要的应用,主要分为强电应用和弱电应用两大方面。

超导的强电应用主要用于超导电力和超导磁体。可以说,所有用电设备都可以使用无损耗、高效率的超导材料。超导电缆将提高电力传输容量并大大降低传输损耗,超导变压器能够确保电能输送的安全,超导发电机能提供高效的电力供应,超导限流器以及超导储能系统将实现电网暂态故障的抑制并提高电能质量。随着超导技术的进步,预计在2020年左右,全球超导电力技术的产值将超过750亿美元。和常规导体磁悬浮相比,超导磁悬浮力量更强大,一平方米的超导体足以悬浮起一个小孩。超导磁悬浮列车具有高速、低噪声、高稳定度和高安全性等不可替代的优势。超导磁体可以在小空间范围内实现稳恒强磁场,是如今科学研究、工业生产和日常生活中不可缺少的重要支撑。许多大型加速器都需要用到大量超导磁体,例如欧洲大型强子对撞机(Large Hadron Collider,LHC)上具有9300多个超导磁体,这是对撞机运行的必备基础。采用磁场强度和均匀度更高的超导磁体,医院的核磁共振成像仪的成像分辨率将大大提高,检测成本也将下降。随着石化能源的枯竭,人们积极寻找的替代能源之一就是可控热核聚变,又称超导托卡马克或人造小太阳,其中关键技术就是利用超导磁体提供的强磁场将核聚变约束在有限空间内。

超导的弱电应用是指基于超导电子宏观量子态调控的一些电子学器件。超导微波器件具有信噪比高,带边抑制明显,带宽控制灵活等优势。所谓4G/5G手机,其通信基站也许就使用了超导滤波器。这些高性能微波器件同样在军事设备、卫星通信、航空航天等领域大有用武之地,已发射的实践九号卫星和即将发射的天宫二号空间实验室都配置了相关装置。基于两个超导体之间量子效应的超导量子干涉器件(SQUID),是目前世界上最灵敏的磁探测技术,仅受到量子力学基本原理的限制。SQUID也是超导量子比特的基本单元,以超导量子比特为运算单元的量子计算机,将借助量子力学原理实现高性能计算,掀起一场新的信息革命。

超导体的零电阻效应和迈斯纳效应

既然超导材料有着如此巨大的应用潜力,为何在超导发现100多年后,其实际应用范围仍然远不如半导体呢?这是因为超导的实现必须依赖一定的条件。首先,超导材料只有处于临界温度以下时才能呈现超导态,而目前所发现的临界温度远远低于室温,如此低温环境需要大量的低温液体,特别是昂贵的液氦来维持,极大增加了超导的应用成本。其次,超导材料能承受的外磁场具有一定上限,称之为临界磁场。只有一个临界磁场的称为第一类超导体,一旦磁场超过这个临界值,超导态将不复存在。大部分超导体具有两个临界磁场,称为第二类超导体。外磁场大于下临界磁场时,完全抗磁态将被破坏,但零电阻态仍能保持;外磁场大于上临界场时,零电阻态也将彻底破坏。再者,通过超导材料的电流密度存在一个上限,称为临界电流密度。临界磁场和临界电流密度的存在意味着,即使超导体电阻为零,通过超导体的电流以及由超导线圈产生的磁场也将受到限制。因此,超导材料探索和应用研究的首要目的,就是寻找高临界温度、高临界磁场和高临界电流密度的新超导材料。

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