超导技术发展及展望

超导技术发展及展望

摘要：简要介绍了超导技术的原理，并且简单回顾了自超导现象被发现以来超导材料由低温到高温的发展历程。对几种不同种类典型的超导材料进行了介绍，分析比较了它们的优劣性。阐述了现今超导材料的应用现状，超导技术的发展瓶颈以及超导材料在制备中所面临的主要困难，并且对超导技术未来的发展方向与应用前景进行了预测分析和展望。

关键词：超导技术、发展历程、超导材料、高温超导、展望

1 引言

超导现象是指某些材料在低于某一温度时，该材料电阻变为零的现象，这一温度被称为超导临界温度。而将进入超导状态的超导体置于磁场中，磁感线将会从超导材料体内排出，该现象被称为超导材料的完全抗磁性（迈斯纳效应）。超导材料有超导电性和迈斯纳效应两个重要特性。根据这两个特性，超导材料可以做很多其他材料所无法做到的事。比如，远距离输电，由于电线电阻的存在，传输过程中损失了不少电能，如果用超导材料制作的电线进行传输，那么就可以大大减少电线上损失的电能了，极大地节约了能源，同时还可以提高传输电流的容量。自超导现象被发现以来，超导理论的日趋完善，越来越多的超导材料被研制出来，超导材料的制备工艺也日新月异，超导材料也应用到了越来越多的领域当中。

2 超导技术的发展历程

2．1 超导现象的发现

众所周知，金属的电阻会随着温度的减小而变小。然而，在超导现象被发现之前说某种金属会变得没有电阻，肯定会被认为是在妄语。但是，20世纪初，金属电阻消失的现象无可争辩地被发现了，这彻底扭转了人们的普遍看法。1908年年荷兰物理学家卡末林·昂内斯首次液化了氦气，最低温度可以达到4.2K左右，这也为超导的发现提供了技术支持。1911年，卡莫林·昂内斯在提纯水银作为实验材料时候，发现水银在温度4.2K左右时电阻突然降为零，即为超导现象[1]。超导现象的发现被

认为是超导技术的开端。

2．2 超导材料磁电障碍的跨越

1933年，德国著名物理学家迈斯纳和奥森菲尔德对锡单晶球超导体做磁场分布测量时发现，在小磁场中把金属冷却进入超导态时，金属体内的磁感线一下被排出，磁感线不能穿过它的体内，也就是说超导体处于超导状态时，体内的磁场恒等于零。这种现象被称为超导材料的完全抗磁性，又被称为“迈斯纳效应”。迈斯纳效应和零电阻是超导材料的两大特性，而迈斯纳效应的发现也意味着人类已经跨越了超导材料的磁电障碍，剩下的最大障碍就是温度了。

2．3 超导技术的快速发展

在1973年之后的十多年里，尽管超导技术的研究出现不少新的成果，但是超导临界温度始终没有突破23.3K的记录。以至于在这时期不少超导领域的研究者甚至一致沮丧地认为超导体的超导临界温度不可能超过30K这个“堡垒”。转机出现在1986 年，德国科学家伯诺滋和穆勒[2]发现La-Ba-Cu-O化合物的超导临界温度可以达到35K。同年，美国贝尔实验室研究的氧化物超导材料，其超导临界温度达到40K。这两项研究成果无疑给了当时正处于低潮的超导研究莫大的鼓舞。

1987年中科院物理研究所赵忠贤领导的研究组宣布，研究出了超导临界温度在92.8K的Y-Ba-Cu-O超导材料。1988年，日本科学家研制出超导临界温度达110K的Bi-Sr-Ca-Cu-O超导材料。至此，人类终于实现了液氮温区超导体的梦想，实现了科学史上的重大突破。这类超导体由于其临界温度在液氮温度（77K）以上，因此这类超导体被称为高温超导体。

高温超导体的发现带给了超导领域的研究者们更大的鼓舞，在全球范围内掀起了更大的超导研究热潮。科学家陆续发现了铊系化合物超导材料的超导临界温度可达125K，汞系化合物超导材料的临界温度则高达135K。如果将汞置于高压条件下，其临界温度甚至能达到难以置信的164K。

在超导现象被发现后超导技术的各种研究成果不断涌现，超导技术发展日新月异。尤其是1987年到1988年，超导技术经历了飞速的发展，超导材料的超导临界温

度一下子提升了100K以上，不啻为科技发展史上的一大奇迹。

2．4 超导理论的发展

早期的超导微观理论研究都是从单电子模型出发，但都以失败告终。随着研究的深入，人们认识到，处于超导态的电子必须存在一个能隙才能保护超导态的稳定。同位素效应实验发现说明超导临界温度和晶体中的原子热振动密切相关。原子热振动的能量准粒子又叫做声子，因此超导很可能起源于电子和声子之间的相互作用。基于这些研究背景，1957 年美国科学家巴丁、库珀和施里弗成功建立了常规金属超导体的微观理论，简称BCS 理论。BCS理论认为，低温超导电性源于电子通过声子相互吸引形成库珀电子对，使材料处于超导状态[3]。1986年后发现的高温超导电性，则不能用BCS理论来解释，它的微观机制与声子无关，至今还未发现一个公认的高温超导微观理论。斯坦福大学和东京大学的科学家在2001年的英国《自然》杂志上发表的研究成果[4]中称，已经通过实验找到了声子与高温超导电性有关的直接证据。这一新发现推翻了认为声子与高温超导电性无关的定论。这一新理论不但能解释低温超导电性，同时也能有效的解释高温超导的微观机理，为建立统一的超导微观理论向前迈出了可喜的一步，同时也为寻找新型的超导材料提供了有益的启示和线索。

3 几种典型超导材料及其制备

3．1 几种典型的超导材料

铜氧化合物高温超导材料比较常见，比如Hg-Ba-Ca-Cu-O体系的超导临界温度就比较高，可高达惊人的134K。虽然这类超导材料超导临界温度较高，但是价格昂贵，不利于推广。而二硼化镁系列超导材料虽然超导临界温度很低，仅为39K。但是其价格十分低廉，十分容易制成线材，应用前景十分广阔，仍然是研究热点。有机超导材料与其他超导材料的最明显区别是密度很小，在某些特殊应用场景会起很大作用，也是一个研究的热点。钴氧化物超导材料是一种比较特殊的超导材料，它在干燥条件下不具备超导特性，在超导临界温度以下，向钴氧化物层间注入水分子，使层与层之间充满水分子，钴氧化物就变成为了超导材料。

3．2 超导材料的制备

在实际应用中，一般使用的是高温超导材料，而高温超导材料主要包含线材、膜材(薄膜和厚膜)、块材和带材等类型。线材超导体主要用于发电机和电力传输，是各国研究的热点，重点。它的制备方法主要有金属包层复合带法，金属芯复合丝法，裸丝或裸带法。薄膜超导材料主要用于超导量子干涉仪，约瑟夫森结转换器，红外探测器，微波谐振器等。它的制备方法主要有磁控溅射、脉冲激光沉积、金属有机物化学气相沉积、分子束外延法、离子束辅助沉积等。厚膜超导材料主要用于微波谐振器、天线等电路互连和电流开关的地方。其制备方法有丝网印刷、刮浆、热解喷涂和电泳沉积等。块材最初都是用固相法或化学法制得氧化物粉末，然后用机械压块和烧结等粉末冶金工艺获得，主要用于磁悬浮和磁性轴承方面[5]。而带材的应用与制备方法均与前文提到的线材类似。

3．3 超导材料制备的困难

超导材料制备的主要问题是由实际应用提出来的，比如实际应用中需要超导临界温度更高的超导材料等。另一个阻碍超导材料在实际应用发展的原因是它的临界电流密度太低，尤其是在强磁场中。从理论上讲，临界电流密度越高越好，但提高高温超导氧化物材料的临界电流密度却非常困难。目前提高临界电流密度方法主要是形成非常有序的织构和引进钉扎中心，但是该方法对临界电流密度的提高十分有限，还需要研究人员继续深入研究下去。

4 结论

在科学技术飞速发展，日新月异的今天，超导材料以其独特，且其他材料无法比拟的特性自被发现以来的一百多年里一直是世界各国的研究热点，重点。从超导技术的发展历程可以看出，超导材料经历了由简单金属到复杂化合物的过程，超导临界温度也经历了由低温到高温的过程。现在，超导材料已经开始逐步进入实际应用领域，譬如，电力传输、超导磁悬浮列车等，虽然还不够完善，但是积累了经验。未来的超导技术会向着超导临界温度更高、超导材料制备容易，成本更低、更易加工的方向发