2009超导材料

中国第一组使用国产超导线材研制的超导电缆 于2004年7月在昆明 普吉变电站并网运行
超导变压器
超导电机 超导限流器是利用超导体的超导/正常态 转变特性，有效限制电力系统故障短路电流， 能够快速和有效地达到限流作用的一种电力 设备。 专家们预言，就高温超导体在电力系统 中的应用而言，最先得到实际应用的将可能 是超导限流器。并预计，超导限流器的国际 市场在2010年左右将可望达到35亿美元
一、 零电阻效应 当温度下降 到某一数值Tc或 以下时，超导体 的电阻率突然消 失变为零 (＜10-4Ω·cm)， 这时的温度Tc称 为超导体的临界 温度。
一些高溫超导体之Tc值
实验发现，对于处于超导态的物质，若施 以足够强的磁场，可以破坏其超导电性，使它 由超导态转变为常导态，电阻重新恢复。 这种能够破坏超导态所需的最小磁场强度， 叫临界磁场强度，以Hc表示。在临界温度Tc时，
百度文库三节 超导材料的应用
(Application of superconducting materials)
超导材料的应用大致可分为三类： 1.大电流应用（强电应用）：发电，输电和储能 (利用零电阻特性来获得大电流)(超导导线、超 导电缆、超导发电机、超导强磁体(磁悬浮列车、 热核聚变反应堆等) 2.电子学应用（弱电应用）：超导计算机、超导 量子干涉仪、滤波器、微波器件等（约瑟夫森效 应）
1、使超导转变温度提高了10K以上， 2、为新型超导体的探索研究开辟了新的道路， 3、将超导体从金属、合金和化合物扩展到氧化 物陶瓷。
超导代表LaBaCuO
临界温度约在30K~50K左右， 超导电流在图中粉红平面流动。
(a)
(b)
(c)
(a) (La, Sr)2CuO4(T)； (b) (Nd, Sr)2(Nd, Ce)2Cu2O8(T*)； (c) (Nd, Ce)2CuO4(T)
超导限流器
超导储能
超导储能装置
超导储能装置是利用超 导线圈将电磁能直接储存起 来，需要时再将电磁能返回 电网或其它负载的一种电力 设施。一般由超导线圈、低 温容器、制冷装置、变流装 置和测控系统几个部件组成。 目前美国、日本、德国 等一些发达国家在超导储能 装置方面的研究上投入了大 量的人力和物力，并且有许 多在建的超导储能装置。据 预测，到2010年全世界对超 导储能装置的需求将在15亿 美元左右。
导转变，使得Bi系列这种无稀土超导体的转变温度高
于液氮温度。
1993年5月，Hg-Ba-Ca-Cu-O系列氧化物被瑞士苏
黎世ETH实验室的席林发现 ，使最高转变温度达到
133.8K，这是迄今为止转变温度最高的高温超导体。
第二节 超导体的基本物理性质
(Basic physical properties of superconductor)
超导计算机——新一代高速低耗高性能计算机
随着超大规模集成电路的发展，计算机的运算速度也 一再迅速提高。超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产生大 量的热，而散热正是超大规模集成电路面临的难题。如果 超大规模集成电路中元件之间的互连线用零电阻或接近零 电阻的、不发热或仅微发热的超导器件来制作，则不存在 散热问题，计算机的运算速度就能再提高。此外，也有人 考虑用半导体和超导体来制造晶体管 （目前正在探索之 中），或完全用超导体来制作晶体管（目前这一工作还处 在最基础的研究阶段，能否制造出可以工作的器件还有待 观察）。
超导的发现：
1908年，荷兰物理学家昂内丝制成了液氦,1911 年在研究金属汞(水银)的电阻在液氦温区的变化规律 时，首次观察到金属汞在该温区0.02K温度范围内电 阻率的消失。
“绝对零度先生”“低温学之父”昂
• 1912年12月昂内丝发现了锡电阻率的消失， 1913年又发现了转变温度较高的铅(7.26K) 电阻率的消失。同年，他第一次在论文中 采用了“超导电性”这一名词。 • 除了锡和铅，后来又发现了低熔点的软金 属In、Tl、Ga和高熔点的硬金属Nb、Ta、 Ti、Th等金属超导体。磁冷却技术发展 后，又发现了转变温度更低的金属超导体 如Al、Cd、Zn、Os、Ru、Rh等。说明 低温下许多金属都具有超导电性。其中 Nb的转变温度最高，为9.5K，Rh的转变 温度最低，为0.0002K 。
• 合金超导体和化合物超导体：1953年代号A15的 化合物超导体（化学式为A3B，其中A为过渡金属） 制备成功，具有比金属超导体高得多的转变温度。 如V3Ga(15.4K)、Nb3Ga(18.3K)，转变温度最高 的是Nb3Ge(23.3K)。
Nb3Ge晶体结构，其中大球为Nb，小球为Ge
由于传统超导体必须在极低温度下运行，通常
临界磁场强度Hc为零。
二、 完全抗磁性——迈斯纳效应
1933年10月，荷兰的迈斯纳和奥森菲 尔德共同发现了超导体的另一个极为重要 的性质:当金属处在超导状态时，超导体内 的磁感应强度为零，原来存在于体内的磁 场(磁力线)被排挤出去。人们将这种现象称 之为“迈斯纳效应”。
由于迈斯纳效应，物质进入超导态后， 内部磁场不仅保持不变，而且实际上等于 零。因此超导体是理想的抗磁体。
曲线（a）：无外加磁场时 曲线（b）：有外加磁场时
• 1963年，另外两位物理学家（美国贝尔 电话实验室的Anderson和Rowell）用实 验（Sn-SnO-Pb超导隧道结）证实了 Josephson的预言。 • 1973年，Josephson获得了诺贝尔物理学 奖的一半。Josephson效应的发现，导致 了超导隧道电子器件的出现，给当今的 微电子技术注入了新的活力。
YBa2Cu3O7
第二代 YBaCuO 超导体
哈沃小组成功地用Bi元素代替了La-Sr-Cu-O中的
La，制成了Tc为72.2K的Bi-Sr-Cu-O超导体。
1988 年 1 月 ， 前 田 (Maeda) 小 组 将 Ca 掺 到 Bi-Sr-
Cu-O体系中，观测到了80K和110K两个温度上的超
第十一章 超导材料
第一节 超导材料的发展
(Development of superconducting materials)
超导电性—在一定条件下，材料通以电流时
失去电阻的性能（也叫零电阻特性）。 超 导 材 料—— 具有超导电性的材料。 超导材料分类——超导金属、超导合金、超导化合 物、超导氧化物陶瓷。
超导量子干涉仪(SQUID)
利用约瑟夫森效应，由超导约瑟夫森(Josephson)结制 成了超导量子干涉仪(SQUID)。可用SQUID作为直流电压 计，灵敏度高达10-14 伏特；用SQUID作磁强计，是极其灵 敏的磁场探测仪器（分辨率高达7×10-14特斯拉），它可以 分辨相当于十亿分之一的地磁场变化，用以探测弱磁物质， 寻找弱磁矿，研究月球岩石的磁性；还广泛用于科学研究、 生物磁(脑磁、心磁)、无损探伤及大地电磁测量等领域，是 高温超导体最早走向实用化的领域之一。利用超导材料做 成的探矿仪器，装在飞机甚至卫星上，可以大面积地探测 某些矿藏的分布。
超导发电机
利用超导导线制成的超导发电机，其单机发电容
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％。
特点：输出功率大，体积小，重量轻
超导发电机，拥有两万千瓦的功率
300kW超导单机发电机
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，目前用铜或 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。
曲线1：隧道结两端的Pb、Al都处于正常态时 曲线2：隧道结两端中的一端Pb处于超导态时
• 基于Giaever的工作，1962年Josephson从理论 上预言S-I-S超导隧道结将会出现下列奇特的物 理现象： （1）当超导隧道结两端电压为零时，存在一超 导电流，其临界电流密度有一最大值，称为超 导电子对隧道电流； （2）当超导隧道结两端电压不为零时，存在交 变的超导电子对隧道电流，且其频率与电压成 正比；如果再外加一交变的电磁场，则会对超 导电流起频率调制作用，结果会在I-V曲线上 出现一系列台阶。
超導導線(含2120根 微米直徑之鈮鈦合金 纖維)
电缆芯、低温容器、终端和 冷却系统四个部分高温超导 电缆的国际市场在2010年左 右可望达到15亿美元
铋系高温超导直流电缆
高温超导电缆
高温超导交流电缆的阻抗仅为常规电缆阻抗的 10%，其传输容量是常规电缆的3-5倍。
该电缆自2004年7月正式投入并网运行至今， 已累计输送电量超过4亿度。
这一发现不仅打破了传统超导体转变温
度保持了三十多年的23.3K的最高记录，更重 要的是，展现了一种具有新型结构的氧化物 超导材料(超导氧化物陶瓷)。正是由于他们 开创性的工作，在世界范围内掀起了一场超 导热浪，并为这一领域带来了突破性进展。 人们很快便得到了液氮温区的超导体。
1986年12月，美国休斯顿大学朱经武等发现 La-Ba-Cu-O化合物在施加压力的情况下， 其超导转变温度提高到了40.2K和52.5K。中 国科学院物理研究所的赵忠贤等宣布La-SrCu-O化合物的超导转变温度为48.6K，后又 发现了Y-Ba-Cu-O化合物(Tc~70K)。 1987年2月，朱经武等宣布发现Tc上升到液氮温 区的氧化物超导体(Tc92K)，赵忠贤等发现了Tc 在90K左右的Y-Ba-Cu-O化合物，并公布了该 化合物的具体成分和结构（属正交晶系）。
用的工作介质是液氦，限制了低温超导技术的广泛
应用。人们一直在探索能在液氮温区甚至能在室温
下工作的高温超导体。
长期以来，虽经科学家们的不断努力，但始终
无法使传统超导体的转变温度有很大的提高。经过 70多年只使转变温度提高了不到20K，平均每年只提 高了~0.27K。直到1986年超导氧化物陶瓷
LaBaCuO(转变温度35K)出现。
超导现象的发现是以低温技术的不断创新 作为前提条件的。
• 低温的获得：液化气体 • 热力学温标（开尔文温标） （0K， －273.15 ℃） 绝对零度（0K）能不能达到？ • 18世纪末的“新液体”及“永久气体”
低温大事纪
1877年12月，法国采矿工程师卡耶泰制得了液 氧(第一个“永久气体” 被液化了)。 1898年5月，英国物理学家杜瓦制得了液氢 。 1900年可以把物体冷却到20K（－253 ℃ ） (液氢的正常沸点) 1908年7月，荷兰物理学家昂内丝制成了液氦 （正常沸点4.25K）。从此，最后一个“永久 气体” 被液化了， “永久气体”这一名词也 永久地从科学辞典中被删除。（1909年1.38K， 1910年1.04K）
1986年1月，位于瑞士苏黎世的IBM实验室研究员 米勒(Muller K A)和他的学生贝德诺尔兹(Bednorz J G) 发现了La-Ba-Cu-O化合物在35K下的超导现象。1987 年10月14日，瑞典皇家科学院宣布两人分享该年度的 诺贝尔物理学奖。
Muller和Bednorz
米勒和贝德诺尔兹的发现的意义：
超导体的零电阻现象和迈斯纳效应是 超导态的两个既相互独立又相互联系的基 本属性。
单纯的零电阻现象并不能保证迈斯纳 效应的存在，但零电阻现象是迈斯纳效应 存在的必要条件。
因此，衡量一种材料是否是超导体， 须看是否同时具备零电阻现象和迈斯纳效 应。
三、 超导隧道效应
• 1957年超导BCS理论(可用于解释当时实验 上已经发现的所有超导现象)建立后不久,受 半导体隧道效应的启示（日本物理学家江崎 于同年发现了半导体的隧道效应并研制成功 隧道二极管），1960年美籍挪威裔物理学家 贾埃弗（I. Giaever）发现了超导隧道效应。 1973年两人分享了该年度的诺贝尔物理学奖 的一半。 • 什么是隧道效应？基于1927年海森伯格提出 的不确定原理，微观粒子存在隧道效应，即 微观粒子可以有一定的概率越过比自己动能 大的势垒。
1960年贾埃弗利用超导薄膜技术制备了S-I-N隧 道器件（隧道结），并成功测定了超导体的能隙 结构。 S-I-N隧道结结构:Pb(S)-Al2O3(I)-Al(N) 铅Pb临界温度:7.2K 铝Al临界温度:1.2K 绝缘层Al2O3的厚度为3nm （1）当隧道结两端电压为零时，没有电流通过； （2）当隧道结两端加上偏压，并使Pb 的电势高 于Al的电势时，有电流通过；如果所加电压足够 大，高于某一阈值时，电流明显增强，此时就产 生了隧道效应。