超导物理作为一个有近百年历史的学科,它是随着对超导电性的研究,认识不断发展起来的,特别是20世纪50年代以来取得了一系列重大突破,引发了今天的"高温"超导电性机理及超导材料研究的热潮.

超导体

奇异的超导陶瓷

超群的超导磁体

广阔的超导应用(超导磁悬浮列车 超导计算机 核聚变反应堆)

超导新研究成果(超导潜艇:未来海军的兵器新星)

"绝对零度先生"昂内斯发现了神奇的超导现象　　昂内斯于1853年9月21日生于荷兰的格罗宁根,29岁即1882年就被任命为荷兰莱顿大学物理学教授和实验室主任.晋升后不久,昂内斯受到他的同胞范德瓦尔斯研究的影响,决定在莱顿大学建一个当时在世界上规模最大的低温实验室, 并把全部研究项目都转到低温研究方面.由于有了较好的实验条件,昂内斯于1906年使 用真空泵连续真空法,使低温气体获得最大限度的膨胀,这样,他获得了20.4k(零下252.76℃)的低温,液化了氢气.由于有了大量液态氢,就为进一步液化氦气打下了坚实的基础.

1808年7月10日,液化氦气的关键性实验从凌晨5点半就开始了,经过漫长的13小时之后,实验室的工作人员才在人类科学史上第一次看到了液态的氦.当时,昂内斯激动得不得了,他激动地说:"当我看到了液氦时,那真有点像神话中的幻觉,一切都似乎是奇迹的显现."在实验过程中昂内斯获得了4.2k(零下268.96℃) 的低温.

过了两年,昂内斯进一步做了使氦固化的试验,但是没有成功.虽说氦没有固化成功,昂内斯意外地从中却获得了1.04k(零下272.12℃)的低温.这是人类向绝对零度大大逼近了一步.人们为了尊敬昂内斯的贡献,给他送了一个风趣的绰号叫"绝对零度先生".从此,昂内斯更加专心致志于探索物体在低温时表现出的特殊性质.

昂内斯和他的学生开始用汞作为测量对象,因为他认为金属材料纯净与否会大大影响测量.而汞可以用蒸馏法提炼得非常纯净.1911年4月的一天,昂内斯让他的学生霍尔斯特进行实验观察,在观察中发现当温度到4.2k以下时,电阻突然消失了,这使霍尔斯特大为惊讶.但是,昂内斯并不感到过分吃惊,因为这一实验结果与他的猜想相吻合.4月28日,昂内斯公布了他们的这一重要发现.同年11月25日,他又明确指出,"测量表明,从氢的熔点(14.02k)到氦的沸点(4.56k)之间,曲线显示出汞的电阻随温度下降而减小的速度与通常情形一样,是逐渐减小的;但到4.21k与4.19k之间,电阻减小的速度急剧加快;到4.19k时,电阻完全都消失了".就这样,低温超导现象被人类第一次发现了.

为了进一步证明电阻真的减到零,昂内斯和他的学生把磁铁穿过水银环路,由于电磁感应产生的电流保持了好几天,这就充分证实了电阻完全消失后的超导现象:即只要超导体内有电流,由于没有电阻,所以原则上电流就会永远流动下去,不会停止.1913年,昂内斯首次在论文中使用了"超导电性"这个词.

美国物理学家巴丁,库珀,施里弗说明了超导现象的微观本质和机制,创立了BCS超导微观理论

超导现象虽说于1911年就发现了,但是直到20世纪40年代末,还只能建立起一个唯象的理论,仅仅只限于解释超导的宏观现象.一直到1957年,关于超导现象的 微观本质和它的机制,才由美国物理学家巴丁,库珀和施里弗三人共同解决----他们合作创建了超导微观理论.他们三人创建的这套理论,取每人姓氏的第一个字母进行组合,即被称为"BCS"理论.这一理论提出后,迅即被大量理论研究和实验实践证明它是十分成功的----因为,这一理论能对超导电性作出正确的解释,并极大的促进了电性和超导磁体的研究和应用.所以如此,他们三人于1972年共同获得了诺贝尔物理学奖.

缪勒和柏德诺兹的研究成果导致多种液氮温区高温超导体材料的出现,并宣告了超导技术开发应用时代即将到来

20世纪70年代中期以后,人们对于超导现象的研究沉寂了一段时间.这是因为在实验室里,人们对超导材料的选择上仅限纯金属,金属合金和金属化合物,这些材料的临界温度约在23.2k以下,无法提高因此在应用上受到了阻碍.到1986年1月26日,美国国际商用机器公司苏黎世实验室的瑞士物理学家缪勒和西德物理学家柏德诺兹发现钡镧铜氧化合物的临界温度提高到了30k左右,并证明有可能提高到35k.

这次成功缘于一次国际会议的召开.在1983年7月的一次国际会议上,缪勒遇到了他的老朋友托马斯教授.在会上,托马斯教授提出了一个新的设想----他认为,绝缘体的电子通常都紧密地与原子核紧紧连在一起,因而不容易导电;但如果给某些绝缘体掺入一些杂质,以松散与核紧密相联的电子,这样的话,电子就比较自由,这些绝缘体就有可能成为超导体.

缪勒当时正在进行这方面的研究,托马斯的观点与他的想法正是不谋而合.听了托马斯的分析,缪勒的信心和劲头更足了.他对金属氧化物已经有充分的了解,最后,他选用了陶瓷材料.在以后的两年半中,他与他的助手柏德诺兹在实验室中苦干,终于取得了前面提到的突破性发现.

他们俩人的发现,意义不仅仅在于使超导的温度有了较大幅度的提高,更重要的是他们选用的陶瓷材料----突破了传统中材料的选择.正是由于这一选择和突破,在全世界掀起了一股前所未有的超导热,在短短的几个月时间里,美国,中国,日本和前苏联竞相宣布,它们的科学家们用陶瓷材料,将超导的临界温度大幅度地提高了.

1957年,挪威裔美国物理学家贾埃弗完成了量子力学隧道效应实验,并于1960年完成了超导体隧道效应实验.于1973年获诺贝尔物理学奖.

1962年,英国物理学家约瑟夫森预言,在超导体--绝缘体--超导体这样一个结构中(物理学上通称为一个"结"),将会出现无电阻电流,这一预言在1963年被实验证实,并命名为"约瑟夫森效应".又过了一年,一位叫默塞罗的物理学家发现,如果利用两个约瑟夫森结,则可利用两个电流的相互干涉作用,使无阻电流值更大这种干涉效应与光学中利用双缝增强光度的效应是差不多的."超导量子干涉仪"就是根据这一原理制造出来的.超导量子干涉仪的用途极为广泛,如果用来作精密测量,其精密度达到惊人的程度.

约瑟夫森和贾埃弗的发现,对于研制高性能的半导体和超导体元器件具有很高的应用价值,并导致超导电子学的建立.

超导研究已长达近一个世纪,20年前超导应用在科学界还被认为是一种侈谈.而今天,它已在科研,医疗,交通,通信,军事,电力和能源等领域得到了应用.但这只是序幕,超导研究与应用在21世纪将为我们展现更加绚丽辉煌的前景.

超导体

气体液化问题是19世纪物理的热点之一.1894年荷兰莱顿大学实验物理学教授卡麦林·昂内斯建立了著名的低温试验室.1908年昂内斯成功地液化了地球上最后一种"永久气体"———氦气,并且获得了接近绝对零度(零下273.2℃,标为OK)的低温:4.25K.—1.15K .(相当于0℃以下).为此,朋友们风趣地称他为"绝对零度先生".这样低的温度为超导现象的发现提供了有力保证.经过多次实验,1911年昂内斯发现:汞的电阻在4.2K. 左右的低温度时急剧下降,以致完全消失(即零电阻).1913年他在一篇论文中首次以"超导电性"一词来表达这一现象.由于"对低温下物质性质的研究,并使氦气液化"方面的成就,昂内斯获1913年诺贝尔物理学奖.

"超导电性"现象被发现之后,引起了各国科学家的关注和研究,并寄于很大期望.通过研究,人们发现:所有超导物质,如钛,锌,铊,铅,汞等,当温度降至临界温度(超导转变温度)时,皆显现出某些共同特征:(1)电阻为零,一个超导体环移去电源之后,还能保持原有的电流.有人做过实验,发现超导环中的电流持续了二年半而无显著衰减;(2)完全抗磁性.这一现象是1933年德国物理学家迈斯纳等人在实验中发现的,只要超导材料的温度低于临界温度而进入超导态以后,该超导材料便把磁力线排斥体外,因此其体内的磁感应强度总是零.这种现象称为"迈斯纳效应".

超导电性的本质究竟是什么.一开始人们便从实验和理论两个方面进行探索.不少著名科学家为此负出了巨大努力.然而直到50年人才获得了突破性的进展,"BCS"理论的提出标志着超导电性理论现代阶段的开始."BCS"理论是由美国物理学家巴丁,库珀和施里弗于1957年首先提出的,并以三位科学家姓名第一个大写字母命名这一理论.这一理论的核心是计算出导体中存在电子相互吸引从而形成一种共振态,即存在"电子对".

1962年英国剑桥大学研究生约瑟夫森根据"BCS"理论预言,在薄绝缘层隔开的两种超导材料之间有电流通过,即"电子对"能穿过薄绝缘层(隧道效应);同时还产生一些特殊的现象,如电流通过薄绝缘层无需加电压,倘若加电压,电流反而停止而产生高频振荡.这一超导物理现象称为"约瑟夫森效应".这一效应在美国的贝尔实验室得到证实."约瑟夫森效应"有力的支持了"BCS理论".因此.巴丁,库珀,施里弗荣获1972年诺贝尔物理奖.约瑟夫森则获得1973年度诺贝尔物理奖.

超导体的研究60年代以来,重心逐渐转向对超导新材料的开发方面.开发高临界温度的超导体材料将能为超导体的大规模应用创造条件.

德国物理学家柏诺兹和瑞士物理学家缪勒从1983年开始集中力量研究稀土元素氧化物的超导电性.1986年他们终于发现了一种氧化物材料,其超导转变温度比以往的超导材料高出12度.这一发现导致了超导研究的重大突破,美国,中国,日本等国的科学家纷纷研究,很快就发现了在液氮温度区获(-196C.以下)得超导电性的陶瓷材料,此后不断发现高临界温度的超导材料.这就为超导的应用提供了条件.柏诺兹和缪勒也因此获1987年诺贝尔物理奖.

超导电性现象被发现之后,不少人就想到了如何应用的问题.由于当时很多问题在技术上一时还难以解决,应用还只是可望不可即的事情.随着近年来研究工作的深入,超导体的某些特性已具有实用价值,例如超导磁浮列车已在某些国家进行试验,超导量子干涉器也研制成功,超导船,用约瑟夫森器件制成的超级计算机等正在研制过程中,超导体材料已经深入到科研,工业和人们的生活之中.

1911年,荷兰科学家昂内斯用液氦冷却水银,当温度下降到4.2K时发现水银的电阻完全消失,这种现象称为超导电性.1933年,迈斯纳和奥克森菲尔德两位科学家发现,如果把超导体放在磁场中冷却,则在材料电阻消失的同时,磁感应线将从超导体中排出,不能通过超导体,这种现象称为抗磁性.

超导电性和抗磁性是超导体的两个重要特性.使超导体电阻为零的温度,叫超导临界温度.经过科学家们数十年的努力,超导材料的磁电障碍已被跨越,下一个难关是突破温度障碍,即寻求高温超导材料.

奇异的超导陶瓷

1973年,人们发现了超导合金――铌锗合金,其临界超导温度为23.2K,该记录保持了13年.1986年,设在瑞士苏黎世的美国IBM公司的研究中心报道了一种氧化物(镧-钡-铜-氧)具有35K的高温超导性,打破了传统"氧化物陶瓷是绝缘体"的观念,引起世界科学界的轰动.此后,科学家们争分夺秒地攻关,几乎每隔几天,就有新的研究成果出现.

1986年底,美国贝尔实验室研究的氧化物超导材料,其临界超导温度达到40K,液氢的"温度壁垒"(40K)被跨越.1987年2月,美国华裔科学家朱经武和中国科学家赵忠贤相继在钇-钡-铜-氧系材料上把临界超导温度提高到90K以上,液氮的禁区(77K)也奇迹般地被突破了.1987年底,铊-钡-钙-铜-氧系材料又把临界超导温度的记录提高到125K.从1986-1987年的短短一年多的时间里,临界超导温度竟然提高了100K以上,这在材料发展史,乃至科技发展史上都堪称是一大奇迹!

高温超导材料的不断问世,为超导材料从实验室走向应用铺平了道路.

超群的超导磁体

超导材料最诱人的应用是发电,输电和储能.

由于超导材料在超导状态下具有零电阻和完全的抗磁性,因此只需消耗极少的电能,就可以获得10万高斯以上的稳态强磁场.而用常规导体做磁体,要产生这么大的磁场,需要消耗3.5兆瓦的电能及大量的冷却水,投资巨大.

超导磁体可用于制作交流超导发电机,磁流体发电机和超导输电线路等.

超导发电机 在电力领域,利用超导线圈磁体可以将发电机的磁场强度提高到5万～6万高斯,并且几乎没有能量损失,这种发电机便是交流超导发电机.超导发电机的单机发电容量比常规发电机提高5～10倍,达1万兆瓦,而体积却减少1/2,整机重量减轻1/3,发电效率提高50%.

磁流体发电机 磁流体发电机同样离不开超导强磁体的帮助.磁流体发电机发电,是利用高温导电性气体(等离子体)作导体,并高速通过磁场强度为5万～6万高斯的强磁场而发电.磁流体发电机的结构非常简单,用于磁流体发电的高温导电性气体还可重复利用.

超导输电线路 超导材料还可以用于制作超导电线和超导变压器,从而把电力几乎无损耗地输送给用户.据统计,目前的铜或铝导线输电,约有15%的电能损耗在输电线路上,光是在中国,每年的电力损失即达1000多亿度.若改为超导输电,节省的电能相当于新建数十个大型发电厂.

广阔的超导应用

高温超导材料的用途非常广阔,大致可分为三类:大电流应用(强电应用),电子学应用(弱电应用)和抗磁性应用.大电流应用即前述的超导发电,输电和储能;电子学应用包括超导计算机,超导天线,超导微波器件等;抗磁性主要应用于磁悬浮列车和热核聚变反应堆等.

超导磁悬浮列车

利用超导材料的抗磁性,将超导材料放在一块永久磁体的上方,由于磁体的磁力线不能穿过超导体,磁体和超导体之间会产生排斥力,使超导体悬浮在磁体上方.利用这种磁悬浮效应可以制作高速超导磁悬浮列车.

超导计算机

高速计算机要求集成电路芯片上的元件和连接线密集排列,但密集排列的电路在工作时会发生大量的热,而散热是超大规模集成电路面临的难题.超导计算机中的超大规模集成电路,其元件间的互连线用接近零电阻和超微发热的超导器件来制作,不存在散热问题,同时计算机的运算速度大大提高.此外,科学家正研究用半导体和超导体来制造晶体管,甚至完全用超导体来制作晶体管.

核聚变反应堆

"磁封闭体" 核聚变反应时,内部温度高达1亿～2亿℃,没有任何常规材料可以包容这些物质.而超导体产生的强磁场可以作为"磁封闭体",将热核反应堆中的超高温等离子体包围,约束起来,然后慢慢释放,从而使受控核聚变能源成为21世纪前景广阔的新能源.

超导新研究成果

载人"高温超导磁浮列车实验车"可载5人,其永磁导轨长15.5米,最大悬浮重量达700公斤.该车悬浮稳定性好,悬浮刚度高,低温系统连续工作可超过6小时.据该课题组负责人高级工程师王家素介绍,这是迄今为止世界上悬浮重量最大的载人"高温超导磁悬浮实验车".

超导潜艇:未来海军的兵器新星

许多尖端武器在几年前还只是科学家头脑中的构想,随着现代科技的迅猛发展如今即将变成现实,超导潜艇就是其中之一.与现役的常规潜艇或核潜艇相比,超导潜艇具有结构简单,推力大,航速高,无噪声,无污染,造价低等显著优点,被许多军事专家看好.

超导技术的主体是超导材料.简而言之,超导材料就是没有电阻,或电阻极小的导电材料.超导材料最独特的性能是电能在输送过程中几乎不会损失:近年来,随看材料科学的发展,超导材料的性能不断优化,实现超导的临界温度越来越高.20世纪末,科学家合成了在室温下具有超导性能的复合材料,室温超导材料的研制成功使超导的实际应用成为可能.与此同时,军事专家也"盯上"了超导材料,而超导潜艇只是超导材料在军事上的应用之一.

早在70年代,美,俄,英,日等国就已开展超导技术在海军舰艇方面的应用研究,随着新型超导材料的出现,实际应用成为可能.超导磁流体推进装置是根据电磁原理设计的.在潜艇上安装电磁铁,通电后,海水中就会有磁力线,同时产生方向与磁力线垂直的电流,在磁场和电流相互作用下,由于潜艇与海水之间产生大小相等方向相反的反作用力,潜艇将获得向前运动的推力,推力的大小与磁场强度和电流大小的乘积成正比.磁流体推进技术已在一些国家获得应用,但目前它的磁场还不能满足潜艇的要求.而超导技术正是解决这一问题的关键.

超导潜艇的优点是显而易见的.首先,独特的推进原理和极高的能量利用率将使潜艇具有更好的动力性能,航行速度无疑将会大大提高.据推算,超高速超导潜艇的航速可达50节以上;其次,潜艇所载弹药数量将因动力系统体积的减小而大量增加,潜艇的攻击力将显著增强.一艘性能十分先进的超导潜艇,其外型尺寸可能只有今日同类潜艇的一半,但所载弹药数量可能是现在的几倍.

最重要的一点是由于磁流体推进技术取代了传统的螺旋桨推动,超导潜艇的噪音显著降低,普通的反潜声纳对它束手无策,这将大大提高潜艇的隐蔽性和生存能力.

随着超导技术的不断完善,动力先进,隐身性好,攻击力强的小型高速超导潜艇将成为未来海战兵器中一颗耀眼的新星.