低溫超導(dǎo)的發(fā)覺
自1911年德國科學(xué)家H.K-Onnes在英國萊頓實(shí)驗(yàn)室首次發(fā)覺了水銀在4.2K的氣溫下出現(xiàn)零內(nèi)阻現(xiàn)象以來，“超導(dǎo)”這一名詞早已誕生了百余年。在這百余年的科研進(jìn)展中，無數(shù)科學(xué)家為之作出了卓越貢獻(xiàn)。
1933年效應(yīng)發(fā)覺。1957年，的BCS理論提出，為低溫機(jī)制作出了合理的解釋。1986年，德國科學(xué)家和制備出了La-Ba-Cu-O系低溫超導(dǎo)體高溫超導(dǎo)，其低溫轉(zhuǎn)變體溫已然達(dá)到了30K以上，為低溫超導(dǎo)體的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同年，低溫轉(zhuǎn)變體溫被提升到70K。
1987年，科學(xué)家研究出的Y-Ba-Cu-O超導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)了從液氦溫區(qū)向液氮溫區(qū)的轉(zhuǎn)變，突破了“77K”這一氣溫壁壘，即是低溫超導(dǎo)現(xiàn)象，這一發(fā)覺，是超導(dǎo)研究中一次質(zhì)的飛越。迄今為止，Hg系的銅氧化物的臨界水溫在常溫和高壓條件下分別達(dá)到了134K和164K。
超導(dǎo)體所具備奇特的零內(nèi)阻效應(yīng)，邁納斯效應(yīng)，約瑟夫森效應(yīng)和核素效應(yīng)使其有了廣泛的應(yīng)用價(jià)值，使人們找尋的一類傳輸無耗損的材料的構(gòu)想成為現(xiàn)實(shí)。并且因?yàn)槌瑢?dǎo)材料的高溫限制，使其在生活中的應(yīng)用大大減少。
隨著低溫超導(dǎo)體臨界體溫的提升，各種新型超導(dǎo)體的出現(xiàn)和制備工藝的改進(jìn)，使低溫超導(dǎo)體的應(yīng)用領(lǐng)域愈加廣泛，如超導(dǎo)磁流體發(fā)電，低溫變壓器，超導(dǎo)儲能，低溫量子干涉器等等?，F(xiàn)在，一般是將超導(dǎo)材料分為常規(guī)超導(dǎo)體(如Nb-Ti合金)，非晶超導(dǎo)材料，復(fù)合低溫材料(如超導(dǎo)線帶材料)，低溫超導(dǎo)體，有機(jī)超導(dǎo)材料等。其中低溫超導(dǎo)材料這一重要分支成為了最具應(yīng)用前景和應(yīng)用價(jià)值的一類。
低溫超導(dǎo)材料
低溫超導(dǎo)材料屬于第二類超導(dǎo)體，有上臨界磁場和下臨界磁場，當(dāng)氣溫達(dá)到低溫轉(zhuǎn)變體溫時(shí)，當(dāng)磁場硬度介于上下臨界磁場中間時(shí)將處于特殊的混和狀態(tài)。目前的主要有五種代表性的氧化物低溫超導(dǎo)材料，La系，Bi系，Y系，TI系和Hg系。
常見的兩類低溫超導(dǎo)體：
1、Bi-Sr-Ca-Cu-O低溫超導(dǎo)體
鉍鍶鈣銅氧類低溫超導(dǎo)體的物理通式-+4，n=1,2,3,4。當(dāng)n=1,2,3,4時(shí)，分別取得四種不同的低溫超導(dǎo)相。均是Cu-O層，砷化鎵層，Bi2O2層的結(jié)合。Bi系的四種低溫超導(dǎo)相結(jié)構(gòu)上具備了相像性，即同樣具備了相仿的產(chǎn)生能。
現(xiàn)在的研究發(fā)覺，提升鉍鍶鈣銅氧類低溫超導(dǎo)體的臨界電壓密度可以用Pb參雜，這是因?yàn)锽i系低溫超導(dǎo)相中所存在的一維的調(diào)制結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)增加了晶體的對稱性。用Pb來參雜，部份取代Bi，產(chǎn)生點(diǎn)缺陷，減小了這些調(diào)制結(jié)構(gòu)的影響，增強(qiáng)了整體的穩(wěn)定性。
應(yīng)用最廣的使Bi系低溫超導(dǎo)體的帶材，2212相低溫超導(dǎo)體具有二維各向異性和層狀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而通過控制第二相和提升織構(gòu)度來提升載流性能和臨界參數(shù)。制備的流程一般為：以一定物理計(jì)量比的原材料(碳酸物或氯化物)進(jìn)行混和焙燒，得到的樣品接著進(jìn)行碾磨以及在Ag管中粉末充管，經(jīng)過以后的一系列拉拔、軋制、熱處理、再軋機(jī)等機(jī)械處理和熱處理反復(fù)進(jìn)行，得到最終成品。
2、Y-Ba-Cu-O低溫超導(dǎo)體
在Y-123相中，Y可以用其他稀土元素取代如La、Eu、Nd等，大多都可以產(chǎn)生臨界氣溫90K的超導(dǎo)體，而且用Ce、Pr、Pm置換之后，出現(xiàn)局域化的自旋，因而失去超導(dǎo)電性。在Y系超導(dǎo)體中，按Y、Ba、Cu物理計(jì)量比的不同可分為Y-123、Y-124、Y-247相。ABO3型層狀氮化物結(jié)構(gòu)，具體為三個(gè)類氮化物單元堆垛而成。
塊材制備工藝：主要為氧化物或氯化物的原料進(jìn)行物理計(jì)量比的混和，充分碾磨以及預(yù)焙燒和焙燒，引入熔體織構(gòu)工藝來克服大角氫鍵，最后進(jìn)行氧化處理。帶材則主要有軋機(jī)輔助雙軸織構(gòu)襯底工藝和離子束輔助沉淀工藝來實(shí)現(xiàn)。薄膜的制備工藝主要有磁控濺射法、激光沉淀法等。該系高溫超導(dǎo)薄膜已成功地用于約瑟夫遜器件和量子干涉元件。
科學(xué)家提出了對于YBCO系鍍層導(dǎo)體進(jìn)行厚化處理，來觀察其臨界電壓密度的變化這一研究方向。按照薄膜長度降低以后，導(dǎo)體的織構(gòu)在局部發(fā)生變化，為避免織構(gòu)畸變，在低溫超導(dǎo)薄膜表面周期性的引入一層極薄的非低溫層，其各項(xiàng)參數(shù)與YBCO低溫超導(dǎo)體非常相仿。這一技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)單位長度超導(dǎo)體臨界電壓密度的提升。
低溫超導(dǎo)體和常規(guī)超導(dǎo)體
低溫超導(dǎo)體與常規(guī)超導(dǎo)體相比較，有什么本征特征決定了它們在磁路動力學(xué)方面的優(yōu)缺呢?
diyi，低溫超導(dǎo)體相干寬度ζ約為1nm左右，比常規(guī)超導(dǎo)體要小約一到兩個(gè)量級，而基于匯聚能釘扎的化學(xué)圖象，單元釘扎中心對磁路線的釘扎能與ζn(n=1~3)成反比，因而，低溫超導(dǎo)體的單元釘扎能比常規(guī)超導(dǎo)體要低好多。
第二，好多低溫超導(dǎo)體具有極強(qiáng)的各向異性，這樣一個(gè)體系可以用準(zhǔn)二維的低溫平面和面間的約瑟夫森耦合來描述，而磁路線也可以用超導(dǎo)平面上的渦旋餅加上其間的約瑟夫森渦旋鏈的圖象來描述。這樣一個(gè)圖象對極其各向異性的體系，如Bi，Tl，Hg的2212和2223體系或/多層膜特別適宜。但值得一提的是，人們對于各向異性度不是很高的Bi，Tl或Hg的1212和1223體系，以及體系依然用品有各向異性的三維連續(xù)模型來描述。正因?yàn)檫@種各向異性，低溫超導(dǎo)體的混和態(tài)相圖表現(xiàn)出了十分復(fù)雜而有趣的精細(xì)結(jié)構(gòu)，這其中包括好多曾經(jīng)人們沒有發(fā)覺的相變線。
第三，低溫超導(dǎo)體的工作氣溫可以很高，這就意味著可以有很強(qiáng)的熱漲落，而強(qiáng)的熱漲落會增加集體釘扎勢Uc，同時(shí)大大提高熱激活磁路蠕動過程。
第四，低溫超導(dǎo)體具有較大的比值ρn/ζ，大的ρn對應(yīng)小的磁路運(yùn)動減振常數(shù)η，小的ζ促使最可幾磁路跳躍(或隧穿)的容積大大降低，這種都有利于量子隧穿過程因而造成很大的量子隧穿率和量子漲落的幅度，這兒ρn代表正常態(tài)的內(nèi)阻。
以上四個(gè)基本特征中的任何兩個(gè)或三個(gè)結(jié)合在一起才會構(gòu)成低溫超導(dǎo)體的一個(gè)新的特征。下表將低溫超導(dǎo)體的一些熱阻的范圍與常規(guī)超導(dǎo)體作一個(gè)比較。
低溫超導(dǎo)材料應(yīng)用
因?yàn)榈蜏爻瑢?dǎo)材料嚴(yán)格的高溫要求高溫超導(dǎo)，使其在日常生活中的應(yīng)用遭到了限制。應(yīng)用上，材料的制備成本較高，臨界電壓和臨界磁場仍未達(dá)到大規(guī)模應(yīng)用水平，氧化物低溫超導(dǎo)材料存在著各向異性、晶界的大量存在、相干電子寬度較短等特點(diǎn)嚴(yán)重限制了線材的長距離應(yīng)用。
低溫超導(dǎo)材料在弱電強(qiáng)磁方面的應(yīng)用主要有超導(dǎo)磁流體發(fā)電、高溫輸電、超導(dǎo)發(fā)電機(jī)與電動機(jī)，低溫儲能以及低溫超導(dǎo)磁懸浮火車等。在強(qiáng)電弱磁方面的應(yīng)用主要有低溫計(jì)算機(jī)，超導(dǎo)量子干涉器，低溫開關(guān)等。
低溫超導(dǎo)薄膜應(yīng)用于諧振器、濾波器等元件，塊材則用于磁懸浮、儲能飛輪等方面。超導(dǎo)體的制備工藝也將進(jìn)一步的改進(jìn)，如單晶硅生長和薄膜制備工藝早已取得了很大突破。低溫超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用將會越來越多的惠及于人類，也會創(chuàng)造出比BCS理論更wan美的理論來解釋低溫機(jī)制。
近日威斯康辛學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院士Chang-BeomEom的科研團(tuán)隊(duì)早已開發(fā)出了一種奇特的多層超導(dǎo)體，這些低溫材料是由氮族元素化合物組成的，不同于大多數(shù)低溫超導(dǎo)材料的組成元素為類似于鈮、水銀等傳導(dǎo)性元素，或是有氮族的五種元素之一與錳酸鍶氧化物混和制成。這一發(fā)覺，離人類希望創(chuàng)造出一類溫度超導(dǎo)體的心愿更進(jìn)一步。
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