超导材料的应用

超导材料的应用
超导材料的应用

超导材料的应用
1962年,年仅20多岁的剑桥大学实验物理研究生约瑟夫逊在著名科学家安德森指导下研究超导体能隙性质,他提出在超导结中,电子对可以通过氧化层形成无阻的超导电流,这个现象称作直流约瑟夫逊效应.当外加直流电压为V时,除直流超导电流之外,还存在交流电流,这个现象称作交流约瑟夫逊效应.将超导体放在磁场中,磁场透入氧化层,这时超导结的最大超导电流随外磁场大小作有规律的变化.约瑟夫逊的这一重要发现为超导体中电子对运动提供了证据,使对超导现象本质的认 识更加深入.约瑟夫森效应成为微弱电磁信号探测和其他电子学应用的基础.
70年代超导列车成功地进行了载人可行性试验.超导列车是在车上安装强大的超导磁体,地上安放一系列金属环状线圈.当车辆行进时,车上的磁体在地上的线圈中感应起相反的磁极,使两者的斥力将车子浮出地面.车辆在电机牵引下无摩擦地前进,时速可高达500千米.
1987年3月12日中国北京大学成功地用液氮进行超导磁悬浮实验.
1987年日本铁道综合技术研究所的“MLU002”号磁悬浮实验车开始试运行
1991年3月日本住友电气工业公司展示了世界上第一个超导磁体.
1991年10月日本原子能研究所和东芝公司共同研制成核聚变堆用的新型超导线圈.该线圈电流密度达到每平方毫米40安培,为过去的3倍多,达到世界最高水准.该研究所把这个线圈大型化后提供给国际热核聚变堆使用.这个新型磁体使用的超导材料是铌和锡的化合物.
1992年1月27日第一艘由日本船舶和海洋基金会建造的超导船“大和”1号在日本神户下水试航.超导船由船上的超导磁体产生强磁场,船两侧的正负电极使水中电流从船的一侧向另一侧流动,磁场和电流之间的洛化兹力驱动船舶高速前进.这种高速超导船直到目前尚未进入实用化阶段,但实验证明,这种船舶有可能引发船舶工业爆发一次革命,就像当年富尔顿发明轮船最后取代了帆船那样.
1992年一个以巨型超导磁体为主的超导超级对撞机特大型设备,于美国得克萨斯州建成并投入使用,耗资超过82亿美元.
1996年改进高温超导电线的研究工作取得进展,制成了第一条地下输电电缆.欧洲电缆巨头皮雷利电缆公司、美国超导体公司和旧金山的电力研究所的工人,共同把6000米长的铋、锶、钙、铜和氧制成的线缠绕到一根保持超导温度的液氮的空管子上.
目前国内外的研究状况及发展趋势
强磁场实验装置是开展强磁场下物理实验的最基本条件.建立20T以上的稳态强磁场装置是复杂的涉及多学科和高难度的大型综合性科学工程,其建设费用高,磁体装置的运行费用也很高.正因为如此,目前国际上拥有20T以上的稳态磁体的强磁场实验中心仅分布在主要的工业大国.世界上第一个强磁场实验室于1960年建于美国的MIT.随后,欧州的英国、荷兰、法国和德国以及东欧和苏联相继在70年代建立了强磁场实验室.日本的强磁场实验室建于80年代初.磁场水平由60年代的20T,提高到80年代的30T.90年代初,美国政府决定在Florida建立新的国家强磁场实验室,日本在筑波建立了新的强磁场实验室,强场磁体技术有了长足的进步和发展,稳态磁场水平近期可望达到40-50T.
伴随着强磁场实验室的建立,强磁场下的物理研究也在不断深入.量子霍尔效应的发现得到了1985年诺贝尔物理学奖.它是在20T稳态强磁场中研究金属－氧化物－半导体场效应晶体管输运过程时观测到的.近年来,有关强磁场下物理工作的文章对每个强磁场实验室来说平均每年都在上百篇,其中有很多重要的科学发现.目前的发展趋势普遍是将凝聚态物理学领域中前沿的研究对象如高温超导材料、纳米材料、低维系统等同强磁场极端条件相结合加以研究.在Grenoble强磁场实验室,半导体材料和半导体超晶格中的光电特性以及元激发及其互作用等是其主要的研究内容,而在美国、日本等强磁场实验室,则侧重在高温超导材料、低维系统、强关联电子系统、人造超晶格以及新材料等方面.同时,强磁场下的化学反应过程、生物效应等方面的研究也逐渐为人们所重视.
在中国虽有一些6T-12T的超导磁体分散在全国各地,但尚未形成一个全国性的强磁场实验中心,我国在10T以上稳态强磁场下的系统的科学研究工作尚属空白.为满足国内强磁场研究工作的需要,早在1984年中国科学院数理学部就组织论证,决策在等离子体物理研究所建立以20T稳态强磁场装置为主体的强磁场实验室.该装置于1992年建成并投入运行.与此同时,实验室相继建成了多个能满足不同物理实验、场强在15T左右的稳态强磁场装置,配备了相应的输运和磁化测量系统以及低温系统.中国科学院院士、著名物理学家冯端先生在了解了合肥强磁场实验室的情况后非常感慨地说：过去中国没有强磁场条件,对有关强磁场下的物理工作连想都不敢想,现在有了强磁场条件我们应该好好的考虑考虑这方面的问题了.
超导科学研究
1.非常规超导体磁通动力学和超导机理
主要研究混合态区域的磁通线运动的机理,不可逆线性质、起因及其与磁场和温度的关系,临界电流密度与磁场和温度的依赖关系及各向异性.超导机理研究侧重于研究正常态在强磁场下的磁阻、霍尔效应、涨落效应、费米面的性质以及TkBT和(c(>>1所必须的磁场强度作出判断.为开展这类材料费米性质研究奠定基础.
有机导体和超导体,由于小的电子有效质量和高的迁移率,10－20T强磁场可以满足观察量子振荡现象的必要条件.我们将利用磁阻测量中的Shubnikov-deHaas效应,研究有机导体和有机超导体的费米面性质作为主要目标,并研究其它输运性质.
以上研究中微弱信号的检测是这一研究中的关键技术之一,我们已经建立,有待进一步提高.高的样品质量是这研究的另一重要问题.否则,量子振荡会因为量子轨道受到碰撞而模糊不清.我们拟利用高质量的单晶或外延薄膜满足这一要求.
本项目的特色与创新之处：
1.利用20T强磁场和温度这一极端条件,以研究低维体系的电子能带结构,乃至费米面为目的的输运性质研究,在国内尚属首次；
2.层状钙钛矿结构导体La-M-Mn-O(M=Ca,Sr,Ba)的输运性质是凝聚态物理中的前沿课题.有关强磁场下电子能带结构和Hall效应的研究尚未见报道.
3.在强磁场和低温条件下,存在着新的科学机遇,可望新现象和新效应的发现.
2.高温超导体磁通动力学及高温超导机理的探索（院九五重点基金项目）
高温超导机理虽进行了大量的理论和实验研究,但至今仍然是一个未被解决的问题,对其正常态性质特别是低温下的正常态性质系统的了解将有助于对这一问题的正确揭示.由于高Tc材料的Tc太高,人们无法研究其低温下但仍处于正常态时的行为,同时由于上临界场又非常高,大大超过目前实验室所能达到的最大稳态场,因此以往那种用外加磁场迫使超导样品进入正常态的方法失去了意义.因此,选择Tc低但又能反映高温超导特征的合适体系对这一问题的研究尤为重要,这样就可以利用实验室所能达到的稳态强磁场条件,通过强磁场迫使超导样品进入正常态以开展其低温下的正常态特性研究,从而为正确揭示高温超导电性的机理提供实验依据.
高温超导体进入混合态后的行为虽然显示出和常规二类超导体相类似的行为,但存在众多的实验现象在常规理论的基础上不能得以解释.早在其发现后不久人们就注意到,在这类材料的H-T图上,除了临界场强Hc1与Hc2的曲线外,还多一条不可逆线Hirr(T).进一步研究表明在Hc1与Hirr(T)之间的区域磁通点阵是不可移动的因而保持零电阻特征,而在Hirr(T)与Hc2之间的区域磁通点阵是可移动的故有电阻出现,意味着高温超导体的应用范围将局限在一定的Hirr(T)值之下.因此,探讨不可逆线的物理本质是否是内禀的以及哪些因素对其有影响,无论是物理的角度还是从这类材料今后的应用前景角度考虑都是非常有意义的.另外一个基本的但至今仍没有定论的问题是不可逆线之上的磁通动力学行为,常规的针对第二类超导体所提出的一些基本图象在Hirr(T)与Hc2之间的区域是否仍然成立,还有在这一区域的涡旋运动规律如何,特别是在高温下但钉扎势很弱的情况下的涡旋运动如何去描述等等,这些问题的澄清有待于实验上的更深入地系统研究.
主要研究内容:
1.高温超导电性的机理
选择具有低Tc但又能反映高温超导体特征的La-Sr-Cu-O系统作为研究对象,外加强磁场迫使超导样品进入正常态,开展很低温度但仍处在正常态时的输运性质,主要有三方面的研究内容,一是研究沿导电层的电阻率随温度的变化行为以探讨电子散射机制；二是研究沿垂直于导电层方向的电阻率随温度的变化行为,探讨相邻导电层之间的其它层性质对系统整体的性能影响,并探讨低温时沿导电层的电阻率和沿垂直于导电层的电阻率之比是否仍然象高温时那样强烈地依赖于温度；三是通过霍尔系数的测量,研究它随温度的变化行为以及这种变化是否可以基于费米液体理论得以解释.最终期望为正确揭示高温超导电性的机理提供实验依据；四是,由于高温超导体的未掺杂原型相是磁性绝缘体,通过掺杂引入了载流子,相应的磁性响应发生改变,在此过程中包含有丰富的物理相变内容,伴随着相变的发生,载流子的浓度和类型、局域化行为、铜氧化物层上的电子散射机理以及层间的藕合机理等均会明显改变,从而最终导致这类材料的整体性质的千变万化,深入研究各种相变的特征以及探讨局域化行为是本研究的主要内容之一.
2.混合态磁通动力学行为及相关的物理现象
从实验角度研究La-Sr-Cu-O高温超导体磁场下的电阻转变的展宽、临界电流密度随温度的变化规律、I-V曲线等.通过磁阻和I-V以及临界电流密度等的测量并结合磁化实验,希望对不可逆线的物理本质以及影响其行为的因素有所了解；通过不同的电流和磁场几何位型下的输运性质的测量并与已有的模型作定量地比较性研究,以探讨磁通运动的规律；对临界电流密度作深入的系统实验研究,探讨磁通钉扎机理以及改善磁场下临界电流密度的有效途径.最终希望在这些研究的基础上来间接地探讨高温超导体混合态时的磁通动力学行为.
3.强磁场下Bi－2201单晶的输远性质研究（国家超导攻关项目）
自从高温超导体被发现以来,对它的超导态进行了大量的实验及理论研究.人们发现它的超导态基本上是正常的,即除了相干长度较短及几乎没有同位素效应外高Tc材料在超导态上与超导体没有什么不同.但是,高温超导体的正常态却表现出很复杂的情况.尽管人们对高Tc材料的正常态有了许多了解,但仍然有许多问题尚未弄清楚.其中一个重要原因就是高Tc材料的Tc太高,人们很难研究它的低温行为.而同时它的上临界场又非常高,大约在100T以上.这么强的磁场大大超过目前实验室能够得到的最高稳态磁场.因此,以往那种加磁场迫使样品进入正常态的方法失去了意义.另一方面,有些高Tc材料的重要的实验现象必须得在较低的温度下澄清.例如,高Tc材料的电阻率在低温下正比于温度的一次方.而不是温度的五次方（电声相互作用的结果）.
有人认为,这可能是由于高Tc材料的德拜温度太低造成的.因为电阻率的T5行为仅在1/4德拜温度以下出现.如果假定德拜温度为100K,则T5行为应出现在25K以下.因此为了澄清这类疑难问题,也必须寻找一种Tc在10K以下的高Tc材料.热电势也有类似的情况.因此综合上面的分析,不难看出,为了更好地研究高Tc材料的正常态性质,我们必须寻找一种高Tc材料,它的Tc是越低越好.
Bi－2201相对所有高Tc材料具有最低的Tc（单晶样品大约在7K左右）,而且它的结构相对简单,仅有一层铜氧面.但是2201相具有复杂的相关系,超导的Bi－2201仅存在于相图上一个很窄的范围内.早期甚至有人认为它是不超导的.因此许多有关Bi-2201相的物理工作都在不超导的样品上进行的.掺杂La可以使超导单晶相对容易获得,我们的最新结果是Tc可以高达25K,目的就是研究它的正常态输运性质.研究它的正常态电阻率是否起多大作用.研究它的霍尔系数是否有对温度很强的温度依赖性,而这种强的温度依赖性能否用费米液体的观点来解释.研究它的热电势能否用传统的理论来解释,从而为高Tc的研究工作提供重要的实验证据.