一．何為超導(dǎo)

氣體液化問題是19世紀(jì)物理的熱點之一,。1894年荷蘭萊頓大學(xué)實驗物理學(xué)教授卡麥林·昂內(nèi)斯建立了著名的低溫試驗室。1908年昂內(nèi)斯成功地液化了地球上最后一種“永久氣體”───氦氣,，并且獲得了接近絕對零度（零下273.2攝氏度,，標(biāo)為OK）的低溫：4.25K。──1.15K,。（相當(dāng)于零下攝氏度）,。為此，朋友們風(fēng)趣地稱他為“絕對零度先生”,。這樣低的溫度為超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)提供了有力保證,。經(jīng)過多次實驗，1911年昂內(nèi)斯發(fā)現(xiàn)：汞的電阻在4.2K,。 左右的低溫度時急劇下降,，以致完全消失（即零電阻）。1913年他在一篇論文中首次以“超導(dǎo)電性”一詞來表達(dá)這一現(xiàn)象,。由于“對低溫下物質(zhì)性質(zhì)的研究,，并使氦氣液化”方面的成就，昂內(nèi)斯獲1913年諾貝爾物理學(xué)獎,。

“超導(dǎo)電性”現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)之后,，引起了各國科學(xué)家的關(guān)注和研究，并寄于很大期望,。通過研究,，人們發(fā)現(xiàn)：所有超導(dǎo)物質(zhì)，如鈦,、鋅,、鉈、鉛,、汞等,，當(dāng)溫度降至臨界溫度（超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度）時，皆顯現(xiàn)出某些共同特征：（1）電阻為零,，一個超導(dǎo)體環(huán)移去電源之后,，還能保持原有的電流。有人做過實驗,，發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)環(huán)中的電流持續(xù)了二年半而無顯著衰減,；（2）完全抗磁性。這一現(xiàn)象是1933年德國物理學(xué)家邁斯納等人在實驗中發(fā)現(xiàn)的,，只要超導(dǎo)材料的溫度低于臨界溫度而進入超導(dǎo)態(tài)以后,，該超導(dǎo)材料便把磁力線排斥體外，因此其體內(nèi)的磁感應(yīng)強度總是零,。這種現(xiàn)象稱為“邁斯納效應(yīng)”,。

邁斯納效應(yīng)

當(dāng)金屬處在超導(dǎo)狀態(tài)時，這一超導(dǎo)體內(nèi)的磁感應(yīng)強度為零,，即能把原來存在于體內(nèi)的磁場排擠出去,。他們對圍繞球形導(dǎo)體（單晶錫）的磁場分布進行了實驗測試，結(jié)果驚奇地發(fā)現(xiàn)：錫球過渡到超導(dǎo)態(tài)時,，錫球周圍的磁場都突然發(fā)生了變化,，磁力線似乎一下子被排斥到超導(dǎo)體之外去了。于是,，人們將這種當(dāng)金屬變成超導(dǎo)體時磁力線自動排出金屬體之外,，而超導(dǎo)體內(nèi)的磁感應(yīng)強度為零的現(xiàn)象，稱為“邁斯納效應(yīng)”,。

超導(dǎo)電性的本質(zhì)究竟是什么,。一開始人們便從實驗和理論兩個方面進行探索。不少著名科學(xué)家為此負(fù)出了巨大努力,。然而直到50年人才獲得了突破性的進展,，“BCS”理論的提出標(biāo)志著超導(dǎo)電性理論現(xiàn)代階段的開始?！癇CS”理論是由美國物理學(xué)家巴丁,、庫珀和施里弗于1957年首先提出的，并以三位科學(xué)家姓名第一個大寫字母命名這一理論,。這一理論的核心是計算出導(dǎo)體中存在電子相互吸引從而形成一種共振態(tài),，即存在“電子對”。

1962年英國劍橋大學(xué)研究生約瑟夫森根據(jù)“BCS”理論預(yù)言，在薄絕緣層隔開的兩種超導(dǎo)材料之間有電流通過,，即“電子對”能穿過薄絕緣層（隧道效應(yīng)）,；同時還產(chǎn)生一些特殊的現(xiàn)象，如電流通過薄絕緣層無需加電壓,，倘若加電壓,，電流反而停止而產(chǎn)生高頻振蕩。這一超導(dǎo)物理現(xiàn)象稱為“約瑟夫森效應(yīng)”,。這一效應(yīng)在美國的貝爾實驗室得到證實,。“約瑟夫森效應(yīng)”有力的支持了“BCS理論”,。因此,。巴丁、庫珀,、施里弗榮獲1972年諾貝爾物理獎,。約瑟夫森則獲得1973年度諾貝爾物理獎。

超導(dǎo)體的研究60年代以來,，重心逐漸轉(zhuǎn)向?qū)Τ瑢?dǎo)新材料的開發(fā)方面,。開發(fā)高臨界溫度的超導(dǎo)體材料將能為超導(dǎo)體的大規(guī)模應(yīng)用創(chuàng)造條件。

德國物理學(xué)家柏諾茲和瑞士物理學(xué)家繆勒從1983年開始集中力量研究稀土元素氧化物的超導(dǎo)電性,。1986年他們終于發(fā)現(xiàn)了一種氧化物材料,，其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度比以往的超導(dǎo)材料高出12度。這一發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致了超導(dǎo)研究的重大突破,，美國,，中國，日本等國的科學(xué)家紛紛研究,，很快就發(fā)現(xiàn)了在液氮溫度區(qū)（-196C,。以下）獲得超導(dǎo)電性的陶瓷材料，此后不斷發(fā)現(xiàn)高臨界溫度的超導(dǎo)材料,。這就為超導(dǎo)的應(yīng)用提供了條件,。柏諾茲和繆勒也因此獲1987年諾貝爾物理獎。

　超導(dǎo)電性現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)之后,，不少人就想到了如何應(yīng)用的問題,。由于當(dāng)時很多問題在技術(shù)上一時還難以解決，應(yīng)用還只是可望不可及的事情,。隨著近年來研究工作的深入,，超導(dǎo)體的某些特性已具有實用價值，例如超導(dǎo)磁浮列車已在某些國家進行試驗,，超導(dǎo)量子干涉器也研制成功,，超導(dǎo)船、用約瑟夫森器件制成的超級計算機等正在研制過程中，超導(dǎo)體材料已經(jīng)深入到科研,、工業(yè)和人們的生活之中,。

現(xiàn)在已經(jīng)知道元素周期表上有近30種金屬元素的單質(zhì)具有超導(dǎo)性，它們的Tc值如表所示,。

超導(dǎo)金屬的Tc值(開)

這些金屬的Tc均在10開以下(除La外),，沒有實用價值,?？茖W(xué)家又開發(fā)出合金和化合物超導(dǎo)體。1961年制成了Tc為18.3開的鈮三錫(Nb3Sn),。20世紀(jì)70年代初期又發(fā)展了鈮-鋯-鈦三元合金,。1973年制成了Tc為23.2開的鈮三鍺(Nb3Ge)。如此低的臨界溫度,，給實際應(yīng)用仍帶來極大困難,。正在“山窮水盡疑無路”之時，20世紀(jì)80年代,，尋找高臨界溫度的超導(dǎo)材料的工作卻出人意料地出現(xiàn)了新的轉(zhuǎn)機,。

瑞士的貝德諾茨和繆勒從事超導(dǎo)研究，走的是一條與前人不同的路,。他們不是在人們早已熟知的金屬或合金中去尋找,，而是在金屬氧化物中去尋找。他們多年從事金屬氧化物的研究,，發(fā)現(xiàn)有些氧化物在常溫下的行為不像絕緣體,，卻有點像金屬。通常情況下,，SrTiO3是典型的絕緣體,，當(dāng)其結(jié)構(gòu)中存在氧空位，就有了+3價或+4價的鈦離子,，并有了額外的電子,，發(fā)生了超導(dǎo)相變。這就是他們尋找超導(dǎo)體氧化物的靈感,。1986年他們合成了第一個Tc為35開的高溫氧化物超導(dǎo)體鑭鋇銅氧化物(La-Ba-Cu-O),，使他們在1987年就獲得諾貝爾物理學(xué)獎。于是美,、日,、中等國的科學(xué)家紛紛加入這一研究行列，辛勤的勞動很快結(jié)出了豐收的果實,。日本東京大學(xué)宣布獲得Tc為37.5開的超導(dǎo)物質(zhì),。接著美籍華人朱經(jīng)武又把Tc提高到40.2開。中國科學(xué)院趙忠賢則獲得了48.6開的超導(dǎo)體。

1987年3月趙忠賢和朱經(jīng)武分別獨立發(fā)現(xiàn)釔鋇銅氧化物體系(Y-Ba-Cu-O)的Tc更高(為90開),，使超導(dǎo)溫度從極為寒冷的液氦區(qū)進入比較溫暖的液氧區(qū)(77開),。1988年，中國科學(xué)院獲得了高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為120開的鈦鋇鈣銅氧化物(Ti-Ba-Ca-Cu-O),，這充分顯示出我國在超導(dǎo)材料研究方面已處于世界領(lǐng)先地位,。以后鉈鋇鈣銅氧化物(Ti-Ba-Ca-Cu-O)和鉍鍶鈣銅氧化物(Bi-Sr-Ca-Cu-O)也被證實具有超導(dǎo)性，且Tc高達(dá)120開,。

在這些混合氧化物中,，似乎銅是不可缺少的。于是科學(xué)家對Y- Ba-Cu-O體系進行了深入的研究,，發(fā)現(xiàn)這種混合物中含有1個Y,、2個Ba和3個Cu，所以又稱它是1-2-3化合物,。由于Y-Ba-Cu-O是非化學(xué)計量化合物(又叫非整比化合物),，氧原子不足．必然形成結(jié)構(gòu)上的缺陷?；蛟S正是這種缺陷造成了超導(dǎo)性,。在對取代元素進行大量研究之后發(fā)現(xiàn)，體系中的Y,、Ba及Cu均可用其他金屬代替,。其中Cu雖是可被取代的，但也必須是變價的金屬元素如Mn,、Fe,、Co、Ni等,。

金屬或合金超導(dǎo)體制備復(fù)雜,，需用特殊的方法，如制備Nb3Sn已發(fā)明了粉末芯線燒結(jié)法,、多股絞合電纜法,、擴散法、氣相沉積法,、等離子體噴涂法,、反應(yīng)濺射法、電泳法等,。而氧化物超導(dǎo)體的制備條件則較簡單,，所用設(shè)備不過是普通的箱式電爐或管式電爐。貝德諾茨和繆勒就是用傳統(tǒng)的陶瓷制造工藝制得了第一個高溫超導(dǎo)體,。他們的具體操作方法是原材料混合,、燒結(jié),、研磨、壓餅成型,、燒結(jié),、再研磨、成型,、燒結(jié),。對于高溫超導(dǎo)薄膜的制造，通常采用濺射法,、蒸發(fā)法,、化學(xué)氣相沉積法、分子束外延法和涂布法,。北京某中學(xué)的學(xué)生在研究人員指導(dǎo)下,，毫不費力地制成了具有90開超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的釔鋇銅氧化物超導(dǎo)體?！芭f時王謝堂前燕，飛入尋常百姓家”,，從此超導(dǎo)材料研究不再那么神秘了,。

二．超導(dǎo)體的性質(zhì)

臨界溫度以下電阻為零，這只是超導(dǎo)體的第一個特性,，超導(dǎo)體還有另外一些與眾不同的性質(zhì),。

1933年德國的邁斯納和奧森費耳德出色地完成了超導(dǎo)體磁性質(zhì)的研究工作。他們通過一系列實驗指出．當(dāng)進入超導(dǎo)狀態(tài)后,，超導(dǎo)體把磁力線完全排斥出體外,，使它周圍的磁力線分布也發(fā)生相應(yīng)的變化，超導(dǎo)體內(nèi)部的磁感應(yīng)強度保持為零,。人們把這一重大發(fā)現(xiàn)稱為“邁斯納效應(yīng)”,。完全抗磁性是超導(dǎo)體的第二個基本特性。因此,，只有同時具有零電阻和完全抗磁性的材料才有希望成為真正的超導(dǎo)體,。

在一個淺平的錫盤上，放置一個體積很小但磁性很強的永久磁鐵,，然后把溫度降至錫的Tc,，這時可以看到小磁鐵竟離開錫盤表面飄然浮起，與錫盤保持一定距離后便懸空不動了,。這是由于超導(dǎo)體的抗磁性,，使小磁鐵的磁力線無法穿透超導(dǎo)體，磁場發(fā)生畸變,，便產(chǎn)生了一個向上的浮力,。

1958年,，美國的巴丁、庫柏和施瑞弗提出了著名的超導(dǎo)現(xiàn)象微觀理論,，簡稱BCS理論,。PCS理論認(rèn)為，在超導(dǎo)態(tài)金屬中的電子以晶格波為媒介相互吸引而形成電子對(稱為庫柏對),，無數(shù)電子對重疊又常常交換搭配對象而形成一個整體,，電子對作為一個整體的流動便產(chǎn)生超導(dǎo)電流。像分子那樣,，拆開電子對需一定能量,，因此超導(dǎo)體中的基態(tài)和激發(fā)態(tài)之間存在能量差，即超導(dǎo)能隙,。BCS理論成功地解釋了金屬及合金超導(dǎo)體的超導(dǎo)現(xiàn)象,，把人們的認(rèn)識提高到一個嶄新的高度，由此他們?nèi)双@得1972年諾貝爾物理學(xué)獎,。

1961至1962年,，美籍挪威人賈埃瓦用鋁做成了Al-Al2O3-Al隧道元件，進行超導(dǎo)實驗,，直接觀察到了超導(dǎo)能隙,，很好地證明了BCS理淪。但由于他沒經(jīng)過深入的思考,，誤認(rèn)為超導(dǎo)能隙是氧化層沒做好,，使兩側(cè)金屬超導(dǎo)體接觸短路造成的。1962年,，英國物理學(xué)家約瑟夫森在著名科學(xué)家安德森的指導(dǎo)下又發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)體的又一重要性質(zhì)—超導(dǎo)隧道效應(yīng),，即電子對可以通過氧化層形成無電阻的超導(dǎo)電流，也稱約瑟夫森效應(yīng),。這一性質(zhì)可用于電子器件領(lǐng)域,。用超導(dǎo)膜-絕緣層-超導(dǎo)膜制成隧道結(jié)的發(fā)明，將超導(dǎo)電性的應(yīng)用擴大到電子,、醫(yī)學(xué)和地學(xué)等領(lǐng)域,。由于約瑟夫森的這一重大貢獻(xiàn)，他和賈埃瓦兩人共同摘取了1973年諾貝爾物理學(xué)獎的桂冠,。

超導(dǎo)體磁通量量子化的特點又可用于高靈敏度的傳感器,、超導(dǎo)量子干涉儀。

超導(dǎo)的機制和混合氧化物為什么具有較高的Tc值,，這個奧秘正在探索之中,。

三.超導(dǎo)材料的分類

超導(dǎo)材料分為低溫超導(dǎo)材料和高溫超導(dǎo)材料。

1,、低溫超導(dǎo)材料

何謂低溫超導(dǎo)材料,？低溫超導(dǎo)材料是具有低臨界轉(zhuǎn)變溫度(Tc<>

2,、高溫超導(dǎo)材料

高溫超導(dǎo)體材料(HTS)具有超導(dǎo)電性和抗磁性兩個重要特性。要讓超導(dǎo)體得到現(xiàn)實的應(yīng)用,，首先要有容易找到的超導(dǎo)材料,。即主要研究方向就是尋找能在較高溫度下存在的超導(dǎo)體材料。高溫超導(dǎo)材料用途非常廣泛,，大致可分三大類：大電流應(yīng)用,、電子學(xué)應(yīng)用和抗磁性應(yīng)用。大電流應(yīng)用是由于超導(dǎo)材具有零電阻和完全的抗磁性,，因此只需消耗極少的電能,，就可以獲得的穩(wěn)定強磁場。超導(dǎo)體的基本特性之一是當(dāng)它處于超導(dǎo)態(tài)時具有理想的導(dǎo)電性,，同時由于其載流能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)強于常規(guī)導(dǎo)體,，因此，利用超導(dǎo)體可以傳輸大電流和產(chǎn)生強磁場,，并且沒有電阻熱損耗,。電工設(shè)備的基本特點是大電流、強磁場和高電壓,，因此在電工設(shè)備中使用超導(dǎo)材料可以減少電氣損耗,、提高效率、縮小體積,、減輕重量、降低成本,，還可以提高裝置的極限容量,。顯然，超導(dǎo)材料的應(yīng)用給電工技術(shù)帶來了質(zhì)的飛躍,，許多過去無法實現(xiàn)的電工設(shè)備由于采用超導(dǎo)技術(shù)而成為現(xiàn)實,，或即將成為現(xiàn)實。我國電力資源和負(fù)荷分布不均,，因此長距離,、低損耗的輸電技術(shù)顯得十分迫切。超導(dǎo)材料由于其零電阻特性以及比常規(guī)導(dǎo)體高得多的載流能力,，可以輸送極大的電流和功率而沒有電功率損耗,。據(jù)統(tǒng)計，按目前情況,，如果將銅或鋁導(dǎo)改為超導(dǎo)體,，光是在中國節(jié)省電能相當(dāng)于新建數(shù)十個大型發(fā)電廠。超導(dǎo)材料在這些方面的應(yīng)用是最誘人的,。

四．超導(dǎo)的應(yīng)用前景

超導(dǎo)技術(shù)的突破性進展和廣泛應(yīng)用,，將引起一場新的技術(shù)革命,，并對科技、經(jīng)濟,、軍事乃至社會發(fā)展產(chǎn)生不可估量的影響,。超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用范圍十分廣闊，在輸電,、電機,、交通運輸、航天,、微電子,、電子計算機、通信,、核物理,、新能源、生物工程,、醫(yī)療以及軍事裝備等領(lǐng)域,，都已展現(xiàn)出燦爛奪目的前景。

超導(dǎo)材料的應(yīng)用,，將會在電力工業(yè)中引起一場革命,。利用超導(dǎo)材料制成很細(xì)的導(dǎo)線，在無需變電所和變壓器等配電設(shè)備下輸電,，免去由于常規(guī)輸電造成的10%以上電力損失(送電,、變電、配電等每一步都存在電阻,，使一部分電能轉(zhuǎn)化成熱量而白白浪費),，電費開支節(jié)省15%以上。據(jù)估計,，光是實現(xiàn)超導(dǎo)輸電,，美國每年就可減少100億美元的電力損失。超導(dǎo)發(fā)電機,、電動機和其他大型電機與現(xiàn)有同類產(chǎn)品比,，不僅體積小、重量輕十分之九,、造價低一半,，而且可以大大提高電流效率。一臺100萬千瓦大型超導(dǎo)發(fā)電機,，設(shè)計壽命為40年,，光節(jié)約能量就相當(dāng)于400萬桶石油。

人們預(yù)計,，高溫超導(dǎo)將在能源工業(yè)上大有作為,，超導(dǎo)儲能可以調(diào)節(jié)電網(wǎng)的負(fù)荷,。電力輸入超導(dǎo)線圈中，電流可在里面長期流動而幾乎不損耗電能,，因此,，可設(shè)計大容量的超導(dǎo)儲能裝置于地下巖石中，儲存大量電能供電網(wǎng)調(diào)峰之用,。超導(dǎo)體約束的等離子體可以引起核聚變以實現(xiàn)受控?zé)岷朔磻?yīng),，為解決能源危機發(fā)揮重大作用。

超導(dǎo)體在電子學(xué)領(lǐng)域里大有用武之地,。用超導(dǎo)芯片(約瑟夫森器件)代替普通芯片制成超導(dǎo)計算機,，可以大大提高運算速度，減小計算機體積,。美國研制的一臺運算速度為800萬次/秒的超導(dǎo)計算機,，只有一部電話機那么大，運算速度提高了10～1000倍,，而且元件不發(fā)熱,、功耗非常小、無故障,、高效率運行時間要長得多,。

超導(dǎo)技術(shù)可用于通信。一根超導(dǎo)線路傳遞數(shù)據(jù)的速率高達(dá)每秒1億次,，可供1500萬部電話機同時通話,，比現(xiàn)有光纖通信的通信速率還快100倍。

用超導(dǎo)器件制成的極其精密的超導(dǎo)量子干涉儀,，可測出極其微弱的電磁波,，被廣泛用到電子工業(yè)中。超導(dǎo)量子干涉儀不但能探測出埋在地下的礦物,，也能探測出人腦的高級神經(jīng)活動，揭開人類大腦思維活動的奧秘,。利用超導(dǎo)原理制造的新型紅外探測器,、超導(dǎo)磁強針、超導(dǎo)重力儀,、超導(dǎo)濾波器及各種微波器件,，將廣泛應(yīng)用于航空航天事業(yè)、地震預(yù)報,、地質(zhì)勘探及天文學(xué)領(lǐng)域,。利用超導(dǎo)體的完全抗磁性可制造新型回旋加速器，把人們的視覺和感觀延伸到微觀世界深處,，揭開物質(zhì)起源,、生命起源的奧秘,。

給超導(dǎo)線圈通電可獲得超導(dǎo)磁體，產(chǎn)生極強的磁場,。日本用鈮三錫(Nb3Sn)和釩三鎵(V3Ga)超導(dǎo)材料制成一個產(chǎn)生17.5萬高斯強磁場的超導(dǎo)磁體,，只消耗15千瓦電力，而用普通銅線繞制,，就得消耗電力7000千瓦,，而且產(chǎn)生的熱量還要用大量的冷卻水帶走。超導(dǎo)磁體在磁流體發(fā)電,、電子顯微鏡,、高能加速器、電磁軌道炮,、受控?zé)岷司圩兎磻?yīng)裝置等中,，都可大顯神威。強超導(dǎo)磁體應(yīng)用在核磁共振計算機斷層診斷裝置上,，可以使分辨率大大提高,，能診斷出更早期的癌細(xì)胞。若用超導(dǎo)技術(shù)制成家用電器,，可做到體積小,、重量輕、耗電少,、精度高,，而且經(jīng)久耐用、價格便宜,。

超導(dǎo)磁懸浮列車是會“飛”的火車,，由于磁懸浮列車與鐵軌之間的磁力作用，使列車懸浮在鐵軌上方,，消除了鐵軌與車輪之間的摩擦力,，時速可達(dá)500千米，而且行車平穩(wěn),、噪聲小,、安全舒適、所需牽引力小,、不污染環(huán)境,。將來的輪船、汽車也可以用超導(dǎo)電動機開動,。如果用超導(dǎo)電動汽車來代替燃油汽車,，那么全世界一年可節(jié)省汽油10億噸。

2000年11月北京有色金屬研究院研制的百米長鉍系高溫超導(dǎo)帶材問世。這種帶材長116米,，寬3.6毫米,，厚0.8納米，以螺旋管方式纏繞,，用四引線法全長度測量,。77開(即-196℃)液氮溫度下臨界電流達(dá)12.7安。它主要用于輸電電纜,、變壓器,、核磁共振成像等。2001年4月,，340米長鉍系高溫超導(dǎo)線在清華大學(xué)研制成功,，標(biāo)志著我國已躋身于少數(shù)掌握超導(dǎo)線材產(chǎn)業(yè)化的國家行列。

專家們相信,，超導(dǎo)材料在工業(yè)上大規(guī)模應(yīng)用已經(jīng)為期不遠(yuǎn)了,。持樂觀態(tài)度的人預(yù)計，到2l世紀(jì)中葉超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)將會創(chuàng)造8000億美元的巨大市場,。

文章來源：現(xiàn)代化學(xué)新進展&中國新材料網(wǎng)

今日編輯：九雅

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