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前幾天，由德國(guó)馬普物質(zhì)結(jié)構(gòu)與動(dòng)力學(xué)研究所領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際研究小組借助短紅外激光脈沖在陶瓷材料上成功實(shí)現(xiàn)了室溫超導(dǎo)——雖然只有百萬(wàn)分之幾微秒。短時(shí)室溫超導(dǎo)的實(shí)現(xiàn)，無(wú)疑是超導(dǎo)材料界的一個(gè)重磅炸彈，給數(shù)十年來(lái)不斷追求提高超導(dǎo)臨界溫度的材料人又燃起了一把火！

那么什么是超導(dǎo)現(xiàn)象呢？簡(jiǎn)而言之，超導(dǎo)現(xiàn)象就是在某個(gè)低溫條件下，導(dǎo)體的電阻突然消失的這么一種神奇的現(xiàn)象。但僅僅具備電阻為零這個(gè)條件是不是就一定是超導(dǎo)體呢？可以很負(fù)責(zé)的告訴你，不是哦，要想成為超導(dǎo)體，還得具備另外一個(gè)條件，那就是完全抗磁性。換句話說(shuō)，超導(dǎo)體必須具備兩大條件：電阻為零和完全抗磁性。

超導(dǎo)體完全抗磁性

從1911年問(wèn)世以來(lái)，盡管取得了一系列的突破和發(fā)展，但是限制超導(dǎo)材料在大范圍普及應(yīng)用的瓶頸就是其非常低的溫度。所以，這100多年的時(shí)間，材料科學(xué)家一直在尋求更高溫度的超導(dǎo)材料，從Tc為4.2K的金屬汞，到1973年發(fā)現(xiàn)的Tc為23.2K的鈮鍺合金，再到1987年的Tc為77K的釔鋇銅氧。下面請(qǐng)?jiān)试S我暫時(shí)冒充小崔一下，也來(lái)一個(gè)“小崔說(shuō)事”，今天我們的主題就是《超導(dǎo)材料的昨天，今天和明天》。

昨天，路漫漫

1911年，Onnes首先發(fā)現(xiàn)Hg在4.2K溫度附近電阻突然消失，由此開拓了一個(gè)新的超導(dǎo)物理領(lǐng)域。自那以后，世界各國(guó)掀起了一股對(duì)超導(dǎo)現(xiàn)象和超導(dǎo)技術(shù)研究的熱潮。而超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展更是依賴于超導(dǎo)材料的發(fā)展，超導(dǎo)材料的發(fā)展也就是在不斷地提高其臨界溫度的一個(gè)歷程。不過(guò)，這個(gè)過(guò)程并不輕松。

直到1973年，發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)合金――鈮鍺合金，其臨界超導(dǎo)溫度為23.2K，這一記錄保持了近13年。1986年，設(shè)在瑞士蘇黎世的美國(guó)IBM公司的研究中心報(bào)道了一種氧化物（鑭鋇銅氧化物）臨界溫度為35K。同一年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室研究的超導(dǎo)材料，其臨界超導(dǎo)溫度達(dá)到40K，液氫的“溫度壁壘”（40K）被跨越。

超導(dǎo)體發(fā)展歷程

很快，亨茨維爾亞拉巴馬大學(xué)的吳茂昆及其研究生（Ashburn和Torng），與休斯頓大學(xué)的朱經(jīng)武和他的學(xué)生共同發(fā)現(xiàn)了釔鋇銅氧，這是首個(gè)超導(dǎo)溫度在77K以上的材料，突破了液氮的“溫度壁壘”（77K）。也因此引發(fā)了對(duì)新高溫超導(dǎo)材料的研究熱潮。隨后，中國(guó)科學(xué)家趙忠賢以及美國(guó)華裔科學(xué)家朱經(jīng)武相繼在釔－鋇－銅－氧系材料上把臨界超導(dǎo)溫度提高到90K以上。1987年底，鉈－鋇－鈣－銅－氧系材料又把臨界超導(dǎo)溫度的記錄提高到125K。從1986－1987年的短短一年多的時(shí)間里，臨界超導(dǎo)溫度提高了近100K。

自那以后，超導(dǎo)材料進(jìn)入了高溫超導(dǎo)材料的時(shí)代，區(qū)別與之前的液氮溫度以下的低溫超導(dǎo)材料。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，也有很多超導(dǎo)材料的臨界溫度被發(fā)現(xiàn)超過(guò)100K了，但離室溫超導(dǎo)體還很遠(yuǎn)，所以材料科學(xué)家對(duì)于提高超導(dǎo)材料的臨界溫度的探索一直都沒有止步。

今天，又一春

近日，馬普研究員安德烈·卡弗拉里與來(lái)自法國(guó)、瑞士等國(guó)家的科學(xué)家合作，發(fā)現(xiàn)用紅外激光脈沖照射一種叫做釔鋇銅氧化物（YBCO）的晶體時(shí)，它在室溫下（300K）短暫地顯出了超導(dǎo)性。他們認(rèn)為，是激光脈沖使晶格中的原子出現(xiàn)了暫時(shí)改變，從而提高了材料的超導(dǎo)性。

雙層氧化銅分子層原子分布示意圖

釔鋇銅氧化物的晶體具有一種非常特殊的結(jié)構(gòu)：雙層氧化銅分子層與一層稍厚一些的鋇、銅、氧原子中間層交互疊加構(gòu)成晶體。這種材料的超導(dǎo)性便來(lái)自其中的雙層氧化銅分子層。電子可以在這里結(jié)合形成所謂“庫(kù)珀對(duì)”(Cooperpairs)。這種電子對(duì)可以在不同層之間穿越，這就意味著這些電子對(duì)能像鬼魂一樣穿越層面不受阻擋——這是一種典型的量子現(xiàn)象。然而這種晶體結(jié)構(gòu)也只有在低于“臨界溫度”的情況下才會(huì)顯示超導(dǎo)性，因?yàn)橹挥性谶@樣的條件下電子才會(huì)形成庫(kù)珀對(duì)，并且不僅僅在雙層氧化銅分子層內(nèi)穿越，而且還能穿越更厚的中間層。而當(dāng)溫度高于臨界溫度時(shí)，這種電子的庫(kù)珀對(duì)便消失了，這種材料也就變回一種導(dǎo)電性很差的金屬合成材料。

同時(shí)，來(lái)自瑞典林雪平市、普薩拉大學(xué)和查爾姆斯理工大學(xué)的材料研究人員，與瑞士同步輻射光源（SLS）的研究人員在瑞士合作利用先進(jìn)的X射線光譜研究超導(dǎo)體YBa2Cu3O7-X（簡(jiǎn)稱YBCO）。他們發(fā)現(xiàn)，自摻雜是實(shí)現(xiàn)室溫超導(dǎo)的關(guān)鍵因素。

雙層氧化銅“鏈”之間的載流子運(yùn)動(dòng)示意圖

這種短時(shí)室溫超導(dǎo)現(xiàn)象的實(shí)現(xiàn)，包括對(duì)其作用機(jī)制的初步探索，都讓我們有足夠的信心相信超導(dǎo)材料馬上要迎來(lái)第二春。它成為繼上世紀(jì)80年代末90年代初高溫超導(dǎo)材料的發(fā)現(xiàn)又一個(gè)里程碑。這項(xiàng)最新研究成果也幫助改進(jìn)了目前還尚不完善的高溫超導(dǎo)體理論。曼可威斯基表示：“這項(xiàng)成果將幫助材料科學(xué)家們研發(fā)具有更高臨界溫度的超導(dǎo)材料。并最終實(shí)現(xiàn)可在室溫下應(yīng)用，完全無(wú)需冷卻的超導(dǎo)材料的夢(mèng)想。”到目前為止，超導(dǎo)磁體，馬達(dá)或電機(jī)在應(yīng)用時(shí)都必須使用液氮或液氦進(jìn)行冷卻。如果這種復(fù)雜的冷卻過(guò)程不再需要，這將意味著這一領(lǐng)域的一項(xiàng)關(guān)鍵性技術(shù)突破。

明天，更精彩

從100多年之前發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象，到100多年之后的今天短時(shí)室溫超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)；超導(dǎo)技術(shù)歷經(jīng)百年滄桑，歷代科學(xué)巨匠也是孜孜以求，可是說(shuō)，我們?nèi)祟悓?duì)超導(dǎo)材料的研究與開發(fā)已經(jīng)站在了一個(gè)新的高度。我們完全可以站在這個(gè)更高的平臺(tái)上去構(gòu)建我們的超導(dǎo)材料的應(yīng)用藍(lán)圖。

超導(dǎo)材料的應(yīng)用有些大家是看不到的，如電壓基準(zhǔn)；有的是看到而沒有注意到的，如用于醫(yī)院診斷的核磁共振成像打的超導(dǎo)磁體；比較大型的應(yīng)用是在大科學(xué)裝置方面，如加速器、磁約束核聚變實(shí)驗(yàn)裝置；在科學(xué)儀器方面有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，如高靈敏度量子干涉磁強(qiáng)計(jì)和儀器磁體。如此小體積高磁場(chǎng)的磁體，以及如此高靈敏度的電磁信號(hào)檢驗(yàn)儀器是非超導(dǎo)材料不能替代的。這些應(yīng)用基本都是使用低溫超導(dǎo)材料，而高溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用除了上述方面之外還可能有更廣泛的應(yīng)用，如：超導(dǎo)磁懸浮列車、超導(dǎo)電力系統(tǒng)、新式的超導(dǎo)船舶推進(jìn)系統(tǒng)等。目前比較有一定規(guī)模的高溫超導(dǎo)應(yīng)用是移動(dòng)通訊基站上的超導(dǎo)濾波器，北美已經(jīng)有幾千套在基站上應(yīng)用。然而，其他方面的應(yīng)用還基本上處于樣機(jī)和試驗(yàn)階段。

過(guò)去有企業(yè)家和專家預(yù)測(cè)，到2020年，與超導(dǎo)材料及其應(yīng)用有關(guān)的市場(chǎng)可能達(dá)到2000億美元。這種預(yù)測(cè)在過(guò)去很長(zhǎng)的一段時(shí)間被認(rèn)為過(guò)于樂觀，因?yàn)檫@種預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)是基于一種高磁場(chǎng)下有高臨界電流的實(shí)用帶材的實(shí)現(xiàn)。這種帶材的行業(yè)術(shù)語(yǔ)被稱為第二類帶材，即用以YBCO或ReBCO（Re代表稀土元素）為基底的實(shí)用帶材。目前可以做到幾百米，但價(jià)錢太貴，只有突破一些關(guān)鍵的工藝技術(shù)才有可能降低成本。同時(shí)要達(dá)到低溫超導(dǎo)材料所具有的那樣的可靠性。近日發(fā)現(xiàn)的短時(shí)室溫超導(dǎo)為這個(gè)工藝技術(shù)的突破提供了很好的努力方向，相信隨著室溫超導(dǎo)時(shí)間的延長(zhǎng)和高溫超導(dǎo)機(jī)理的發(fā)現(xiàn)之后，高溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用將遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止于此。而作為材料人，我們則大有可為！

文章來(lái)源：材料人網(wǎng)