超导体的发展历程

1911年:超导性的发现1933、迈斯纳和奥克森菲尔德两位科学家发现，如果超导体在磁场中冷却，在材料电阻消失的同时，会从超导体中放出磁感应线，这种现象称为抗磁性。通过科学家的努力，超导材料的磁电屏障已经被跨越，接下来的难点是突破温度屏障，即寻求高温超导材料。超导现象1911年，荷兰科学家黑克·卡默灵-昂内斯用液氦冷却了水银。当温度降至4.2K时，水银的电阻完全消失。这种现象叫做超导，这个温度叫做临界温度。根据临界温度的不同，超导材料可分为高温超导材料和低温超导材料[1]。但这里说的“高温”其实还是远低于冰点0℃，对于普通人来说是极低的温度。1973年发现超导合金——n B- Ge合金，其临界超导温度为23.2K，保持了近13年。1986 1986美国IBM公司位于瑞士苏黎世的研究中心报道一种氧化物(La-Ba-Cu氧化物)具有35K的高温超导性。此后，科学家几乎每隔几天就有新的研究成果。1986年，贝尔实验室研究的超导材料临界超导温度达到40K，跨越了液氢的“温度屏障”(40K)。1987 1987年，美籍华人科学家朱经武和中国科学家赵忠贤先后在钇钡铜氧材料上把临界超导温度提高到90K以上，液氮的“温度壁垒”(77K)也被打破。1987年底，铊-钡-钙-铜-氧材料将临界超导温度提高到125K，从1986-1987短短一年多的时间，临界超导温度提高了近100K，德国、法国和俄罗斯的科学家利用中子散射技术在单一氧化铜层TL2Ba2CuO6+δ中观测到所谓的磁共振模式，这一发现有助于氧化铜超导体机理的研究。高温超导体具有较高的超导转变温度(通常高于氮气液化的温度)，有利于超导在工业上的广泛应用。高温超导体发现至今已有16年，但对其不同于常规超导体的诸多特性及其微观机制的研究仍处于相当“初级”的阶段。这不仅体现在没有一个单一的理论能够完全描述和解释高温超导体的特性，还体现在缺乏不同体系中普遍存在的统一的“本征”实验现象。这一期《科学》杂志报道的结果意味着，中子散射领域的一个长期谜题有可能得到解决。早在1991年前，法国物理学家利用中子散射技术在双氧化铜层yba2cu3o6+δ超导体单晶中发现了微弱的磁信号。随后的实验表明，这种信号只有在超导体处于超导状态时才会显著增强，被称为磁共振模式。这一发现表明，电子的自旋以合作的方式产生集体有序运动，这是常规超导体所不具备的。这种集体运动可能参与了电子的配对，并对超导机制负责，这类似于传统超导体中引起电子配对的晶格振动。然而，在另一种超导体La2-xsrxCuO4+δ(单一氧化铜层)中无法观察到同样的现象。这让物理学家怀疑这种磁共振模式并不是氧化铜超导体的普遍现象。1999年，在bi2sr2cacu2o8+δ单晶上也观察到了这种磁共振信号。但由于Bi2SR2CaCu2O8+δ和YB2Cu3O6+δ一样，也具有双氧化铜层结构，所以关于磁共振模式是双氧化铜层的特殊表征还是“普适”现象的困惑并没有完全解决。理想的候选者应该是典型的高温超导晶体，结构尽可能简单，只有单一的氧化铜层。难点在于，由于中子与物质的相互作用非常微弱，只有用足够大的晶体才能进行中子散射实验。随着中子散射技术的成熟，对晶体尺寸的要求已经降低到0.1 cm 3量级。随着晶体生长技术的发展，TL2Ba2CuO6+δ单晶的尺寸已经进入毫米量级，是一种理想的候选材料。科学家将300毫米的Tl2ba2Cuo6+δ单晶按照晶体学取向排列在同一标准中，形成一个“人造”单晶，“提前”满足了中子散射的要求。经过近两个月的收集和对散射光谱的反复验证，最终以确凿的实验数据表明，在这样一个近乎理想的高温超导单晶上也存在磁共振模式。这一结果表明，磁共振模是高温超导的普遍现象。La2-xsrxcuo4+δ体系没有磁共振模只是“普适”现象的一个例外，可能与其结构的特殊性有关。磁共振模式及其与电子相互作用的理论和实验研究一直是高温超导领域的热点之一。上述结果将吸引许多物理学家的注意和兴趣。20世纪80年代是超导探索和研究的黄金时代。1981年合成了有机超导体。1986年，缪勒和伯诺兹发现了一种陶瓷金属氧化物LaBaCuO4，由钡、镧、铜和氧组成，其临界温度约为35K。由于陶瓷金属氧化物通常是绝缘物质，这一发现意义重大，缪勒和伯诺兹因此获得了诺贝尔物理学奖。1987超导材料探索有新突破。美国休斯顿大学物理学家朱经武和中国科学院物理研究所赵忠贤先后研制出临界温度约为90K的YBCO (YBCO)。1988 1988年初，日本研制出临界温度为110K的Bi-Sr-Ca-Cu-O超导体。至此，人类终于实现了液氮温区超导体的梦想，实现了科学史上的重大突破。这种超导体被称为高温超导体，因为它的临界温度高于液氮温度(77K)。自发现高温超导材料以来，一股超导热潮席卷全球。科学家还发现，铊化合物超导材料的临界温度可以达到125K，汞化合物超导材料的临界温度可以达到135K..如果将水银置于高压下，其临界温度将达到令人难以置信的164k k . 1997 1997研究人员发现，金铟合金在接近绝对零度时，既是超导体，又是磁体。1999科学家发现Ru-Cu化合物在45K具有超导性。由于其独特的晶体结构，该化合物在计算机数据存储方面的应用潜力将非常大。自2007年12月以来，中国科学院物理研究所陈根福博士一直从事镧、铁、氧、砷非掺杂单晶的制备工作。今年2月18日，东京工业大学的Hideo Hoshino教授及其合作者在《美国化学学会杂志》上发表了一篇两页的文章，指出掺氟La-O-Fe-As化合物在-247.15℃具有超导性。在长期研究中保持跨界关注习惯的陈根福和王楠林研究员立刻捕捉到了这条新闻的价值。王楠林的团队很快转向制作掺杂样品，他们在一周内实现了超导并测量了基本物理性质。几乎与此同时，物理所胡亥研究组听说氧化镧铁砷材料中，用二价金属锶代替三价镧，存在临界温度在-248.15℃以上的超导电性。2008年3月25日和26日，临界温度超过-233.15℃的超导体分别由中国科大陈宪辉小组和物理研究所王楠林小组独立发现，突破了麦克米兰极限，被证明是非传统超导体。2008年3月29日，中科院院士、物理所研究员赵忠贤带领的课题组通过，掺氟镨氧铁砷化合物的超导临界温度可达-221.15℃。4月初，该组发现无氟缺氧钐氧铁砷化合物的超导临界温度在压力下可以进一步提高到-218.15℃。