超导有什么用超导有哪些应用( 三 ) _小知识

铜氧化物高温超导家族具有多个子成员，按元素划分有汞系、铊系、铋系、钇系、镧系等；按照载流子形式可以划分为空穴型和电子型两大类；按照晶体结构中含有的Cu-O面层数可以划分为单层、双层、三层和无限层等。随着实验研究的铺开，人们很快认识到，铜氧化物高温超导体（或称铜基超导体）不能用传统的BCS 超导微观理论来描述。要获得如此之高的临界温度，仅仅依靠原子热振动作为中间媒介形成配对电子是远远不够的。进而，人们发现重费米子超导体、有机超导体和某些氧化物超导体均不能用BCS 理论来描述，尽管电子配对的概念仍然成立，但是如何配对、配对媒介和配对方式却千奇百怪。不能用传统BCS理论描述的超导体又被统称为“非常规超导体”，区别于可以用BCS 理论描述的 “常规超导体”，也就是说，所有的高温超导体都属于“非常规超导体” 。

有意思的是，2001 年日本科学家在二硼化镁（MgB2）材料中发现39 K的超导电性，后来该材料被证实为常规超导体，目前为止发现的临界温度最高的常规超导体，距离40 K的上限仅一步之遥。之所以能达到如此高的临界温度，是因为这种超导材料中有多种类电子都参与了超导电子配对，又被叫做多带超导体（见图4）。既然是常规超导体，40 K的麦克米兰极限也同样适用于二硼化镁，十余年来，物理学家在MgB2中无论怎么掺杂或者加压，都无法突破这个“紧箍咒” 。由此可见，寻找到一种40 K以上的高温超导材料是何其困难！

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图4 二硼化镁、铁基超导、铜基超导材料的典型结构和费米面

高温超导体的发现在当时沉闷的超导研究领域响起一阵春雷，人们对超导未来的发展满怀期待。然而现实总是残酷的，似乎触手可及的室温超导之梦停滞在164 K这个世界纪录上，再也难以往上挪动半步。人们试图在液氮温区大规模推广高温超导强电应用技术时，发现它实际上“中看不中用” 。本质为陶瓷材料的铜氧化物在力学性能上显得脆弱不堪、缺乏柔韧性和延展性，在物理上其临界电流密度太小，容易在承载大电流时失去超导电性而迅速发热。科学家们经过20 余年的工艺努力，铜氧化物超导线圈虽然已开始步入市场，但绝大部分超导强电应用还停留在常规金属合金超导体上。

不过，塞翁失马焉知非福，铜基超导的弱电应用近些年来发展迅速，已经成为超导应用的一大分支。利用铜基超导材料制备成的超导量子干涉仪是目前世界上最灵敏的磁探测技术，也是超导量子比特的基本单元，未来世界可能出现以超导比特为单元的量子计算机——一种基于量子力学原理的高速计算机。而用铜氧化物超导薄膜制备的超导微波器件正在走向商业化和市场化，您正在使用的3G或4G手机，其通讯基站就很可能用到了具有高信噪比的超导滤波器，这些高性能微波器件在军事设备、卫星通讯、航空航天等领域同样大有用武之地。由于铜基超导体在非常规超导体中最为特殊，因此也具有非常重要的基础研究价值，高温超导电性的微观机理，成为凝聚态物理学皇冠上的明珠之一。

挑战远远比想象中的困难，人们发现高温超导体里很多新奇物理现象可能超出了目前物理学理论体系所能理解的范畴，其中最为麻烦的就是，这类材料中电子之间存在很强的相互关联效应，成为强关联体系。经过近30 年的奋斗，人们对铜基超导体取得共识的研究结论寥寥无几，更多的是充满争议和困惑。用理论来指导寻找更高临界温度的超导体，近乎痴人说梦，而实验物理学家只能凭经验和感觉来大海捞针。

2008 年3 月1 日-5 日，活跃在超导研究最前沿的一群中国科学家齐聚在中国科学院物理研究所，参加 “高温超导机制研究态势评估研讨会”，探讨迷惘的高温超导研究未来之路，试图甄别铜基高温超导研究的突破点。此时，中国科学院物理研究所的超导实验室和极端条件实验室与远在合肥的中国科学技术大学已悄然走在了超导研究变革的前沿。

2008 年2 月23日，日本西野秀雄研究小组报道了在氟掺杂的 LaFeAsO 体系中存在26 K的超导电性。中国科学家在得知消息的第一时间里合成了该类材料，并开展了物性研究，其中中国科学院物理研究所和中国科学技术大学的研究人员采用稀土替代方法获得了一系列高质量的样品，惊喜地发现其临界温度突破了40 K，优化合成方式之后可以获得55 K 的高临界温度。新一代高温超导家族——铁基高温超导体就此诞生。

超导有什么用 超导有哪些应用( 三 )

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