概念
超導史話超導物理的發現與發展
1911年4月的一天,昂內斯讓他的學生霍爾斯特進行實驗觀察,在觀察中發現當溫度到4.2k以下時,電阻突然消失了。就這樣,低溫超導現象被人類第一次發現了.
1913年,昂內斯首次在論文中使用了"超導電性"這個詞.
1957年,關於超導現象的 微觀本質和它的機制,由美國物理學家巴丁,庫珀和施里弗三人共同解決----他們三人於1972年共同獲得了諾貝爾物理學獎.
1957年,挪威裔美國物理學家賈埃弗完成了量子力學隧道效應實驗,並於1960年完成了超導體隧道效應實驗.於1973年獲諾貝爾物理學獎.
1986年，柏諾茲和繆勒終於發現了一種氧化物材料,其超導轉變溫度比以往的超導材料高出12度.因此獲1987年諾貝爾物理獎.
超導技術及套用
1973年,人們發現了超導合金――鈮鍺合金,其臨界超導溫度為23.2K,該記錄保持了13年.
1986年底,美國貝爾實驗室研究的氧化物超導材料,其臨界超導溫度達到40K,液氫的"溫度壁壘"(40K)被跨越.
1987年底,鉈-鋇-鈣-銅-氧系材料又把臨界超導溫度的記錄提高到125K.從1986-1987年的短短一年多的時間裡,臨界超導溫度竟然提高了100K以上,這在材料發展史,乃至科技發展史上都堪稱是一大奇蹟!
超群的超導磁體
超導材料最誘人的套用是發電,輸電和儲能.由於超導材料在超導狀態下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10萬高斯以上的穩態強磁場.而用常規導體做磁體,要產生這么大的磁場,需要消耗3.5兆瓦的電能及大量的冷卻水,投資巨大.超導磁體可用於製作交流超導發電機,磁流體發電機和超導輸電線路等.
超導發電機
在電力領域,利用超導線圈磁體可以將發電機的磁場強度提高到5萬～6萬高斯,並且幾乎沒有能量損失,這種發電機便是交流超導發電機.超導發電機的單機發電容量比常規發電機提高5～10倍,達1萬兆瓦,而體積卻減少1/2,整機重量減輕1/3,發電效率提高50%.
磁流體發電機
磁流體發電機同樣離不開超導強磁體的幫助.磁流體發電機發電,是利用高溫導電性氣體(電漿)作導體,並高速通過磁場強度為5萬～6萬高斯的強磁場而發電.磁流體發電機的結構非常簡單,用於磁流體發電的高溫導電性氣體還可重複利用.
超導輸電線路
超導材料還可以用於製作超導電線和超導變壓器,從而把電力幾乎無損耗地輸送給用戶.據統計,目前的銅或鋁導線輸電,約有15%的電能損耗在輸電線路上,光是在中國,每年的電力損失即達1000多億度.若改為超導輸電,節省的電能相當於新建數十個大型發電廠.
超導磁懸浮列車
利用超導材料的抗磁性,將超導材料放在一塊永久磁體的上方,由於磁體的磁力線不能穿過超導體,磁體和超導體之間會產生排斥力,使超導體懸浮在磁體上方.利用這種磁懸浮效應可以製作高速超導磁懸浮列車.
超導計算機 高速計算機要求積體電路晶片上的元件和連線線密集排列,但密集排列的電路在工作時會發生大量的熱,而散熱是超大規模積體電路面臨的難題.超導計算機中的超大規模積體電路,其元件間的互連線用接近零電阻和超微發熱的超導器件來製作,不存在散熱問題,同時計算機的運算速度大大提高.此外,科學家正研究用半導體和超導體來製造電晶體,甚至完全用超導體來製作電晶體.
核聚變反應堆"磁封閉體" 核聚變反應時,內部溫度高達1億～2億℃,沒有任何常規材料可以包容這些物質.而超導體產生的強磁場可以作為"磁封閉體",將熱核反應堆中的超高溫電漿包圍,約束起來,然後慢慢釋放,從而使受控核聚變能源成為21世紀前景廣闊的能源。
超導潛艇:
未來海軍的兵器新星
許多尖端武器在幾年前還只是科學家頭腦中的構想,隨著現代科技的迅猛發展如今即將變成現實,超導潛艇就是其中之一.與現役的常規潛艇或核潛艇相比,超導潛艇具有結構簡單,推力大,航速高,無噪聲,無污染,造價低等顯著優點,被許多軍事專家看好.
超導技術的主體是超導材料.簡而言之,超導材料就是沒有電阻,或電阻極小的導電材料.超導材料最獨特的性能是電能在輸送過程中幾乎不會損失:近年來,隨看材料科學的發展,超導材料的性能不斷最佳化,實現超導的臨界溫度越來越高.20世紀末,科學家合成了在室溫下具有超導性能的複合材料,室溫超導材料的研製成功使超導的實際套用成為可能.與此同時,軍事專家也"盯上"了超導材料,而超導潛艇只是超導材料在軍事上的套用之一.
早在70年代,美,俄,英,日等國就已開展超導技術在海軍艦艇方面的套用研究,隨著新型超導材料的出現,實際套用成為可能.超導磁流體推進裝置是根據電磁原理設計的.在潛艇上安裝電磁鐵,通電後,海水中就會有磁力線,同時產生方向與磁力線垂直的電流,在磁場和電流相互作用下,由於潛艇與海水之間產生大小相等方向相反的反作用力,潛艇將獲得向前運動的推力,推力的大小與磁場強度和電流大小的乘積成正比.磁流體推進技術已在一些國家獲得套用,但目前它的磁場還不能滿足潛艇的要求.而超導技術正是解決這一問題的關鍵.
超導潛艇的優點是顯而易見的.首先,獨特的推進原理和極高的能量利用率將使潛艇具有更好的動力性能,航行速度無疑將會大大提高.據推算,超高速超導潛艇的航速可達50節以上;其次,潛艇所載彈藥數量將因動力系統體積的減小而大量增加,潛艇的攻擊力將顯著增強.一艘性能十分先進的超導潛艇,其外型尺寸可能只有今日同類潛艇的一半,但所載彈藥數量可能是現在的幾倍.
最重要的一點是由於磁流體推進技術取代了傳統的螺鏇槳推動,超導潛艇的噪音顯著降低,普通的反潛聲納對它束手無策,這將大大提高潛艇的隱蔽性和生存能力.
隨著超導技術的不斷完善,動力先進,隱身性好,攻擊力強的小型高速超導潛艇將成為未來海戰兵器中一顆耀眼的新星.
鐵基超導體超導物理研究
高溫超導電性一直是凝聚態物理學領域的熱點研究課題之一。作為強關聯電子體系的銅氧化物高溫超導體，其豐富的物理性質大大拓寬了人們對凝聚態物質的理解，但是相關的機理卻是凝聚態物理領域的難題之一。最近發現的新型鐵基超導體，其層狀結構與銅氧化物相似，而超導轉變溫度可以高於50K。對鐵基超導體的研究可以為高溫超導另闢蹊徑，有助於揭示高溫超導的機理。超導能隙分布及能隙函式的配對對稱性是超導電性的一個關鍵問題。通過探測鐵基超導體超流密度可以獲得其超導電子配對信息，對鐵基超導機理的研究具有重要意義，而這項研究在高質量單晶樣品上尤為重要。中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室聞海虎研究員領導的SC1小組在鐵基超導體單晶樣品生長中取得一系列重要進展。他們用NaCl助熔劑方法生長出尺寸在亞毫米的電子型FeAs-1111單晶並成功測量了單晶的輸運性質（Y.Jiaetal.,APL93,032503(2008)；P.Cheng,etal.,Phys.Rev.B78,134508(2008)），同時他們還用FeAs做助熔劑生長出了厘米量級空穴型FeAs-122系列摻雜單晶，通過單晶的性能表征說明它們具有很高的質量（H.Q.Luo,etal.,Supercond.Sci.Tec.21，125014（2008）；Z.S.Wang,etal.,Phys.Rev.B78,140501(R)(2008)）。
2008年9月，該組成員任聰副研究員自主開發出了一套基於半導體二維電子器Hall效應的磁測量系統，該系統可以研究微米尺寸材料的低溫磁性。利用這一套系統，任聰、單磊和聞海虎等研究人員研究了最佳摻雜Ba0.6K0.4Fe2As2單晶（Tc=36K）的下臨界場Hc1的性質，從而獲得其超流密度的信息。他們發現Hc1的溫度依賴關係具有明顯的兩能帶特徵，可以用兩個各向同性的s波能隙函式擬合。擬合結果表明，具有較大能隙（2Δb/kBTc=6.0）的能帶對超流密度的貢獻小，而較小能隙(2Δa/kBTc=1.3)的能帶在超流中占據較大的權重。這一結果和第一性原理能帶計算的費米面附近的能態密度權重是一致的。他們還指出，比較電子型FeAs-1111體系，BaKFe2As2零溫極限下的超流密度比較大，與Tc的關係明顯不滿足於已知的Uemura標度關係。該標度關係在欠摻雜氧化物超導體中是滿足的。此結果說明鐵基超導體和氧化物超導體在機理上可能有明顯區別。該工作已發表在《物理評論快報》（C.Renetal.,PhysicalReviewLetter.101,257006(2008)）。
