什么是高溫超導(dǎo)體？

高溫超導(dǎo)體是超導(dǎo)物質(zhì)中的一種族類，具有一般的結(jié)構(gòu)特征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(dǎo)體。高溫超導(dǎo)體并不是大多數(shù)人認(rèn)為的幾百幾千的高溫，只是相對原來超導(dǎo)所需的超低溫高許多的溫度，不過也有零下200攝氏度左右。而在人類所研究的超導(dǎo)中溫度算提高非常多，所以稱之為高溫超導(dǎo)體。

高溫超導(dǎo)體發(fā)現(xiàn)

1908年在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)氦氣液化后。1911年卡末林·昂內(nèi)斯發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象，Blaugher闡述了超導(dǎo)電性與低溫制冷系統(tǒng)之間的關(guān)系。目前，商業(yè)化的低溫超導(dǎo)體有NbTi和Nb，Sn兩種，它們的臨界溫度分別為9K和18K，因此對于大多數(shù)應(yīng)用而言必須運(yùn)行在5K溫區(qū)以下。

通常昂貴的制冷成本使其難以在工業(yè)領(lǐng)域獲得應(yīng)用。相比而言，新的高溫超體導(dǎo)氧化物陶瓷材料僅需較少的冷量，且可在液氮飽和大氣壓力平衡溫度77K以上實(shí)現(xiàn)低場應(yīng)用，還可在30～40K溫區(qū)實(shí)現(xiàn)高場應(yīng)用。制冷機(jī)在77K下的運(yùn)行功耗低于在4K時相應(yīng)數(shù)值的十分之一。

如下圖所示。所有高溫超導(dǎo)體必須工作在由電流密度、運(yùn)行溫度和磁場3個相互關(guān)聯(lián)臨界參數(shù)所限定的區(qū)域內(nèi)。其中高溫超導(dǎo)體無阻載流(呈現(xiàn)超導(dǎo)態(tài))所對應(yīng)的最高溫度稱為該超導(dǎo)體的臨界溫度(Tc)，其載流能力上限稱為臨界電流密度(Jc)，而臨界磁場(Hc)則是指磁場強(qiáng)度高于此數(shù)值后高溫超導(dǎo)體將喪失超導(dǎo)電性。

3個臨界參數(shù)超過其中任何一個，高溫超導(dǎo)體都將轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)。自從1986年高溫超導(dǎo)被發(fā)現(xiàn)后，高溫超導(dǎo)材料正逐步用于制作一些原理樣機(jī)，如電動機(jī)、發(fā)電機(jī)、電力電纜、變壓器、故障限流器和磁懸浮列車用磁體等。

最常見的高溫超導(dǎo)體包括BSCCO-2212、BSCCO-2223、YBCO-123和MgB2導(dǎo)體，它們采用不同的工藝制備。

高溫超導(dǎo)體的應(yīng)用

1、高溫超導(dǎo)體在電子工業(yè)中的應(yīng)用

人類已進(jìn)人信息共享和全球通信新時代，寬帶無線通訊系統(tǒng)已進(jìn)人歐洲和日本。超導(dǎo)濾波器由于臨界溫度高，具有抗干擾能力，在空間探測應(yīng)用方面有優(yōu)勢，具有一定的戰(zhàn)略意義。

美國利用超導(dǎo)濾波器建立無線載波蜂窩網(wǎng)基礎(chǔ)，這是超導(dǎo)濾波器朝大規(guī)模商業(yè)化邁出的重大一步;

歐洲Cryoelectra公司為當(dāng)代和第3代無線通訊網(wǎng)絡(luò)開發(fā)出了超導(dǎo)濾波器，并成功完成現(xiàn)場試驗(yàn);

瑞典Infinion無線技術(shù)裝備公司利用高溫超導(dǎo)體-半導(dǎo)體技術(shù)為第3代通信網(wǎng)絡(luò)研制出一種軟件無線電用模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器;

日本擬在測量和通訊領(lǐng)域采用低溫超導(dǎo)和高溫超導(dǎo)快速單磁通量子器件(RSFQ)，其中低功耗超導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)器件開發(fā)項(xiàng)目在2002年初開始實(shí)施，包括高速路由器的轉(zhuǎn)換模塊和計(jì)算機(jī)處理器模塊;掃描超導(dǎo)量子干涉顯微鏡，在半導(dǎo)體芯片質(zhì)量控制方面將有廣泛應(yīng)用。

這些項(xiàng)目將為實(shí)現(xiàn)無阻塞網(wǎng)絡(luò)通信應(yīng)用和制造超低功耗器件做出貢獻(xiàn)。

2、高溫超導(dǎo)體在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

利用超導(dǎo)量子干涉器件(SQUID)開發(fā)的腦造影儀和心磁圖記錄儀也取得了進(jìn)展。它們?yōu)椴捎闷渌椒ú荒茉\斷的疾病提供了一種非介人探查方法。腦造影儀已走出基礎(chǔ)研究階段，并臨床試用于早期確診與定量評價心臟局部缺血癥和有生命危險的心律不齊病，以預(yù)測突然死亡的危險性。心磁圖記錄儀不久就會成為臨床診斷儀器。

3、高溫超導(dǎo)體在軍事中的應(yīng)用

高溫超導(dǎo)體在軍事中的應(yīng)用主要有以下幾方面:高溫超導(dǎo)電動機(jī)和發(fā)電機(jī)、變壓器、故障電流限制器和掃雷艇用直接制冷磁體、SQUID磁強(qiáng)計(jì)、高溫超導(dǎo)空間實(shí)驗(yàn)站、船用防dan系統(tǒng)用無電子激光器(2K-4K的泥腔)、艦船集成動力系統(tǒng)、導(dǎo)dan用高精度超導(dǎo)陀螺儀、超導(dǎo)電磁炮等。

Bi系高溫超導(dǎo)體制造的艦船推進(jìn)同步電機(jī)具有高功匆體積比、尺寸緊湊、重量輕、堅(jiān)固性好、噪音低、調(diào)速操控簡便、耗油少等特征，主要應(yīng)用于高速艦船(潛艇、驅(qū)逐艇、護(hù)航艇、水翼艇)、容積型艦船(大型破冰船、油輪、集裝箱船)等，美國海軍已完成該電機(jī)高功率試驗(yàn)。

高溫超導(dǎo)體研究現(xiàn)狀

2018年3月5日，《自然》期刊連發(fā)兩篇文章：將兩層只有原子厚的石墨烯以特別的角度(1.1度，被稱為“魔角”)偏移時，材料就能在零電阻下導(dǎo)電。盡管該系統(tǒng)仍然需要被冷卻至1.7K(1.7開爾文，約零下271攝氏度)，但結(jié)果表明了它或許可以像已知的高溫超導(dǎo)體那樣導(dǎo)電。一旦該結(jié)果被確認(rèn)，此次的發(fā)現(xiàn)對于理解高溫超導(dǎo)電性至關(guān)重要。這一發(fā)現(xiàn)引起物理學(xué)界的熱烈反響，而文章的diyi作者為年僅21歲的中國人——留學(xué)美國麻省理工學(xué)院的博士生曹原——這也令國人頗為關(guān)注與振奮。

高溫超導(dǎo)體是超導(dǎo)臨界溫度一般高于25K(-248℃)的一類超導(dǎo)體，可見“高溫”只是相對而言。已發(fā)現(xiàn)的高溫超導(dǎo)材料有銅氧化物和鐵基超導(dǎo)體等。2015年，德國科學(xué)家宣稱在硫化氫中發(fā)現(xiàn)了203K的高溫超導(dǎo)，但需要在200GPa(200萬個大氣壓)的條件下才能實(shí)現(xiàn)。

已發(fā)現(xiàn)的高溫超導(dǎo)體應(yīng)用起來存在許多技術(shù)難度，而且其物理性質(zhì)極其復(fù)雜，難以被現(xiàn)有理論框架解釋。尋找新型的高溫超導(dǎo)體，以至常壓下的實(shí)用型常溫超導(dǎo)體，是科學(xué)家們探索的目標(biāo)。

物理學(xué)家不斷地想要找到高溫超導(dǎo)材料，以應(yīng)用在日常生活之中。然而，大多數(shù)材料只有在接近零度時，才會轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)體。即使是所謂的“高溫”超導(dǎo)體也只是在相對意義上的：目前零電阻導(dǎo)電的最高溫度約為-140℃。如果有哪種材料能夠在室溫下表現(xiàn)出超導(dǎo)電性，就可以為能量傳輸、醫(yī)用掃描儀和交通領(lǐng)域帶來革命性的改變。

與低溫超導(dǎo)材料相比，高溫超導(dǎo)新材料能在較高溫度下達(dá)到“零電阻”，在電力能源、高端醫(yī)療、高速交通、大科學(xué)儀器、軍工等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

高溫超導(dǎo)體發(fā)展趨勢

高溫超導(dǎo)技術(shù)是一種使能技術(shù)和橫向技術(shù)，現(xiàn)代工業(yè)在這種使能技術(shù)作用下將取得更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。據(jù)報(bào)道，超導(dǎo)技術(shù)是21世紀(jì)全球競爭中保持優(yōu)勢的關(guān)鍵。到2020年超導(dǎo)工業(yè)產(chǎn)值將達(dá)到1500-2000億美元，高溫超導(dǎo)體在電力工業(yè)的全球市場將達(dá)到45億美元。

從先進(jìn)的信息技術(shù)到醫(yī)學(xué)科學(xué)，從電力應(yīng)用到環(huán)境保護(hù)，從基礎(chǔ)科學(xué)到交通運(yùn)輸，各種超導(dǎo)裝置和器件都將發(fā)揮其優(yōu)勢作用。正如生命科學(xué)領(lǐng)域和信息技術(shù)領(lǐng)域一樣，高溫超導(dǎo)體領(lǐng)域要取得更大進(jìn)展，仍有許多技術(shù)上、制造上和市場上的障礙有待于克服，還需要得到政府和公眾的可持續(xù)資金支持。

低溫制冷技術(shù)是高溫超導(dǎo)體應(yīng)用的支撐技術(shù)，是高溫超導(dǎo)工業(yè)未來的關(guān)鍵。既適合于電子器件又適用于電力裝置的節(jié)能、可靠、小型和廉價的系列制冷機(jī)是目前開發(fā)的重點(diǎn)，脈沖管制冷機(jī)將為高溫超導(dǎo)電力裝置和電子器件的應(yīng)用帶來解決問題的希望。