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一．何为超导
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昂内斯
荷兰物理学家 |
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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摄氏度，标为OK）的低温：4.25K。──1.15K。（相当于零下摄氏度）。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”。
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迈斯纳
德国物理学家 |
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· 迈斯纳效应
当金属处在超导状态时，这一超导体内的磁感应强度为零，即能把原来存在于体内的磁场排挤出去。他们对围绕球形导体（单晶锡）的磁场分布进行了实验测试，结果惊奇地发现：锡球过渡到超导态时，锡球周围的磁场都突然发生了变化，磁力线似乎一下子被排斥到超导体之外去了。于是，人们将这种当金属变成超导体时磁力线自动排出金属体之外，而超导体内的磁感应强度为零的现象，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”。
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| 迈斯纳效应 |
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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（-196C。以下）获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及的事情。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。
现在已经知道元素周期表上有近30种金属元素的单质具有超导性，它们的Tc值如表所示。
超导金属的Tc值(开)
这些金属的Tc均在10开以下(除La外)，没有实用价值。科学家又开发出合金和化合物超导体。1961年制成了Tc为18.3开的铌三锡(Nb3Sn)。20世纪70年代初期又发展了铌-锆-钛三元合金。1973年制成了Tc为23.2开的铌三锗(Nb3Ge)。如此低的临界温度，给实际应用仍带来极大困难。正在“山穷水尽疑无路”之时，20世纪80年代，寻找高临界温度的超导材料的工作却出人意料地出现了新的转机。
瑞士的贝德诺茨和缪勒从事超导研究，走的是一条与前人不同的路。他们不是在人们早已熟知的金属或合金中去寻找，而是在金属氧化物中去寻找。他们多年从事金属氧化物的研究，发现有些氧化物在常温下的行为不像绝缘体，却有点像金属。通常情况下，SrTiO3是典型的绝缘体，当其结构中存在氧空位，就有了+3价或+4价的钛离子，并有了额外的电子，发生了超导相变。这就是他们寻找超导体氧化物的灵感。1986年他们合成了第一个Tc为35开的高温氧化物超导体镧钡铜氧化物(La-Ba-Cu-O)，使他们在1987年就获得诺贝尔物理学奖。于是美、日、中等国的科学家纷纷加入这一研究行列，辛勤的劳动很快结出了丰收的果实。日本东京大学宣布获得Tc为37.5开的超导物质。接着美籍华人朱经武又把Tc提高到40.2开。中国科学院赵忠贤则获得了48.6开的超导体。
1987年3月赵忠贤和朱经武分别独立发现钇钡铜氧化物体系(Y-Ba-Cu-O)的Tc更高(为90开)，使超导温度从极为寒冷的液氦区进入比较温暖的液氧区(77开)。1988年，中国科学院获得了高超导转变温度为120开的钛钡钙铜氧化物(Ti-Ba-Ca-Cu-O)，这充分显示出我国在超导材料研究方面已处于世界领先地位。以后铊钡钙铜氧化物(Ti-Ba-Ca-Cu-O)和铋锶钙铜氧化物(Bi-Sr-Ca-Cu-O)也被证实具有超导性，且Tc高达120开。
在这些混合氧化物中，似乎铜是不可缺少的。于是科学家对Y- Ba-Cu-O体系进行了深入的研究，发现这种混合物中含有1个Y、2个Ba和3个Cu，所以又称它是1-2-3化合物。由于Y-Ba-Cu-O是非化学计量化合物(又叫非整比化合物)，氧原子不足．必然形成结构上的缺陷。或许正是这种缺陷造成了超导性。在对取代元素进行大量研究之后发现，体系中的Y、Ba及Cu均可用其他金属代替。其中Cu虽是可被取代的，但也必须是变价的金属元素如Mn、Fe、Co、Ni等。
金属或合金超导体制备复杂，需用特殊的方法，如制备Nb3Sn已发明了粉末芯线烧结法、多股绞合电缆法、扩散法、气相沉积法、等离子体喷涂法、反应溅射法、电泳法等。而氧化物超导体的制备条件则较简单，所用设备不过是普通的箱式电炉或管式电炉。贝德诺茨和缪勒就是用传统的陶瓷制造工艺制得了第一个高温超导体。他们的具体操作方法是原材料混合、烧结、研磨、压饼成型、烧结、再研磨、成型、烧结。对于高温超导薄膜的制造，通常采用溅射法、蒸发法、化学气相沉积法、分子束外延法和涂布法。北京某中学的学生在研究人员指导下，毫不费力地制成了具有90开超导转变温度的钇钡铜氧化物超导体。“旧时王谢堂前燕，飞入寻常百姓家”，从此超导材料研究不再那么神秘了。
二．超导体的性质
临界温度以下电阻为零，这只是超导体的第一个特性，超导体还有另外一些与众不同的性质。
1933年德国的迈斯纳和奥森费耳德出色地完成了超导体磁性质的研究工作。他们通过一系列实验指出．当进入超导状态后，超导体把磁力线完全排斥出体外，使它周围的磁力线分布也发生相应的变化，超导体内部的磁感应强度保持为零。人们把这一重大发现称为“迈斯纳效应”。完全抗磁性是超导体的第二个基本特性。因此，只有同时具有零电阻和完全抗磁性的材料才有希望成为真正的超导体。
在一个浅平的锡盘上，放置一个体积很小但磁性很强的永久磁铁，然后把温度降至锡的Tc，这时可以看到小磁铁竟离开锡盘表面飘然浮起，与锡盘保持一定距离后便悬空不动了。这是由于超导体的抗磁性，使小磁铁的磁力线无法穿透超导体，磁场发生畸变，便产生了一个向上的浮力。
1958年，美国的巴丁、库柏和施瑞弗提出了著名的超导现象微观理论，简称BCS理论。PCS理论认为，在超导态金属中的电子以晶格波为媒介相互吸引而形成电子对(称为库柏对)，无数电子对重叠又常常交换搭配对象而形成一个整体，电子对作为一个整体的流动便产生超导电流。像分子那样，拆开电子对需一定能量，因此超导体中的基态和激发态之间存在能量差，即超导能隙。BCS理论成功地解释了金属及合金超导体的超导现象，把人们的认识提高到一个崭新的高度，由此他们三人获得1972年诺贝尔物理学奖。
1961至1962年，美籍挪威人贾埃瓦用铝做成了Al-Al2O3-Al隧道元件，进行超导实验，直接观察到了超导能隙，很好地证明了BCS理沦。但由于他没经过深入的思考，误认为超导能隙是氧化层没做好，使两侧金属超导体接触短路造成的。1962年，英国物理学家约瑟夫森在著名科学家安德森的指导下又发现了超导体的又一重要性质—超导隧道效应，即电子对可以通过氧化层形成无电阻的超导电流，也称约瑟夫森效应。这一性质可用于电子器件领域。用超导膜-绝缘层-超导膜制成隧道结的发明，将超导电性的应用扩大到电子、医学和地学等领域。由于约瑟夫森的这一重大贡献，他和贾埃瓦两人共同摘取了1973年诺贝尔物理学奖的桂冠。
超导体磁通量量子化的特点又可用于高灵敏度的传感器、超导量子干涉仪。
超导的机制和混合氧化物为什么具有较高的Tc值，这个奥秘正在探索之中。
三．超导的应用前景
超导技术的突破性进展和广泛应用，将引起一场新的技术革命，并对科技、经济、军事乃至社会发展产生不可估量的影响。超导技术的应用范围十分广阔，在输电、电机、交通运输、航天、微电子、电子计算机、通信、核物理、新能源、生物工程、医疗以及军事装备等领域，都已展现出灿烂夺目的前景。
超导材料的应用，将会在电力工业中引起一场革命。利用超导材料制成很细的导线，在无需变电所和变压器等配电设备下输电，免去由于常规输电造成的10%以上电力损失(送电、变电、配电等每一步都存在电阻，使一部分电能转化成热量而白白浪费)，电费开支节省15%以上。据估计，光是实现超导输电，美国每年就可减少100亿美元的电力损失。超导发电机、电动机和其他大型电机与现有同类产品比，不仅体积小、重量轻十分之九、造价低一半，而且可以大大提高电流效率。一台100万千瓦大型超导发电机，设计寿命为40年，光节约能量就相当于400万桶石油。
人们预计，高温超导将在能源工业上大有作为，超导储能可以调节电网的负荷。电力输入超导线圈中，电流可在里面长期流动而几乎不损耗电能，因此，可设计大容量的超导储能装置于地下岩石中，储存大量电能供电网调峰之用。超导体约束的等离子体可以引起核聚变以实现受控热核反应，为解决能源危机发挥重大作用。
超导体在电子学领域里大有用武之地。用超导芯片(约瑟夫森器件)代替普通芯片制成超导计算机，可以大大提高运算速度，减小计算机体积。美国研制的一台运算速度为800万次/秒的超导计算机，只有一部电话机那么大，运算速度提高了10～1000倍，而且元件不发热、功耗非常小、无故障、高效率运行时间要长得多。
超导技术可用于通信。一根超导线路传递数据的速率高达每秒1亿次，可供1500万部电话机同时通话，比现有光纤通信的通信速率还快100倍。
用超导器件制成的极其精密的超导量子干涉仪，可测出极其微弱的电磁波，被广泛用到电子工业中。超导量子干涉仪不但能探测出埋在地下的矿物，也能探测出人脑的高级神经活动，揭开人类大脑思维活动的奥秘。利用超导原理制造的新型红外探测器、超导磁强针、超导重力仪、超导滤波器及各种微波器件，将广泛应用于航空航天事业、地震预报、地质勘探及天文学领域。利用超导体的完全抗磁性可制造新型回旋加速器，把人们的视觉和感观延伸到微观世界深处，揭开物质起源、生命起源的奥秘。
给超导线圈通电可获得超导磁体，产生极强的磁场。日本用铌三锡(Nb3Sn)和钒三镓(V3Ga)超导材料制成一个产生17.5万高斯强磁场的超导磁体，只消耗15千瓦电力，而用普通铜线绕制，就得消耗电力7000千瓦，而且产生的热量还要用大量的冷却水带走。超导磁体在磁流体发电、电子显微镜、高能加速器、电磁轨道炮、受控热核聚变反应装置等中，都可大显神威。强超导磁体应用在核磁共振计算机断层诊断装置上，可以使分辨率大大提高，能诊断出更早期的癌细胞。若用超导技术制成家用电器，可做到体积小、重量轻、耗电少、精度高，而且经久耐用、价格便宜。
超导磁悬浮列车是会“飞”的火车，由于磁悬浮列车与铁轨之间的磁力作用，使列车悬浮在铁轨上方，消除了铁轨与车轮之间的摩擦力，时速可达500千米，而且行车平稳、噪声小、安全舒适、所需牵引力小、不污染环境。将来的轮船、汽车也可以用超导电动机开动。如果用超导电动汽车来代替燃油汽车，那么全世界一年可节省汽油10亿吨。
2000年11月北京有色金属研究院研制的百米长铋系高温超导带材问世。这种带材长116米，宽3.6毫米，厚0.8纳米，以螺旋管方式缠绕，用四引线法全长度测量。77开(即-196℃)液氮温度下临界电流达12.7安。它主要用于输电电缆、变压器、核磁共振成像等。2001年4月，340米长铋系高温超导线在清华大学研制成功，标志着我国已跻身于少数掌握超导线材产业化的国家行列。
专家们相信，超导材料在工业上大规模应用已经为期不远了。持乐观态度的人预计，到2l世纪中叶超导产业将会创造8000亿美元的巨大市场。
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| 高温超导及其它晶体基片 |
超导MRI磁共振成像系统 |
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超导技术2 |
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视频：材料科学资料集成——超导材料
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