高温超导性材料简介材料学专业.doc

高温超导性材料简介 摘要：本文介绍了传统超导材料及高温超导材料，特别是铁基高温超导体的发现及近期的研究进展，以普及超导知识，为广大教育工作者提供一个与科研最前沿接触的机会。 关键词：铁基高温超导体；超导转变温度；超导机理 １ 引言 1991年荷兰科学家昂纳斯发现：当温度降至4.2Ｋ以下时，汞的电阻消失了，这种电阻为零的现象被称为超导．迄今为止，发现大部分的金属以及一些合金材料在低温下都具有超导现象。美国科学家巴丁、库珀和施瑞佛在1957年对材料的超导电性做出了理论解释，他们指出：超导是由材料中电子与声子的相互作用，即电子与晶格原子振动的相互作用所造成的。他们的理论被称为ＢＣＳ理论，这种由电－声子相互作用导致超导的超导体被称为常规超导体，或传统超导体，受制于麦克米兰极限，这类超导体的超导转变温度不可能超过39Ｋ。1986年，德国和瑞士的科学家伯诺兹和缪勒首次发现了一类基于铜元素的超导体这类材料是氧化物陶瓷，在常温下是绝缘体，而一旦降温，它们的超导转变温度大大超过了麦克米兰极限的39Ｋ，最高可达150Ｋ左右，这类材料又被称为高温超导体．它们的超导机制不能用ＢＣＳ理论解释高温超导材料及其应用是全球竞争的战略性新兴产业，与传统超导材料相比，这种新材料能在较高温度下达到零电阻，在电力能源、高端医疗设备、轨道交通、大科学工程、军工等领域有着广泛的应用前景，30年来新型高温超导材料的探索和超导机理的研究一直是凝聚态物理的一个重要研究方向。 2超导材料性质及分类 2.1性质 2.1.1零电阻性。超导材料处于超导态时电阻为零，能够无损耗地传输电能。如果用磁场在超导环中引发感生电流，这一电流可以毫不衰减地维持下去。这种“持续电流”已多次在实验中观察到。 2.1.2完全抗磁性。超导材料处于超导态时，只要外加磁场不超过一定值，磁力线不能透入，超导材料内的磁场恒为零。 2.1.3约瑟夫森效应。两超导材料之间有一薄绝缘层（厚度约1ｎｍ）而形成低电阻连接时，会有电子对穿过绝缘层形成电流，而绝缘层两侧没有电压，即绝缘层也成了超导体。当电流超过一定值后，绝缘层两侧出现电压Ｕ（也可加一电压Ｕ），同时，直流电流变成高频交流电，并向外辐射电磁波，其频率为ν＝2ｅＵｈ，其中ｈ为普朗克常量，ｅ为电子电荷。这些特性构成了超导材料在科学技术领域的广泛应用。 2.2超导材料按其化学成分可分为元素材料、合金材料、化合物材料和超导陶瓷。 2.2.1超导元素 在常压下有28种元素具有超导电性，其中铌（Ｎｂ）的Ｔｃ最高，为9.26Ｋ。电工中实际应用的主要是铌和铅（Ｐｂ，Ｔｃ＝7.201Ｋ），已用于制造超导交流电力电缆、高Ｑ值谐振腔等。 2.2.2合金材料 超导元素加入某些其他元素作合金成分，可以使超导材料的全部性能提高。如最先应用的铌锆合金（Ｎｂ－75Ｚｒ），其Ｔｃ为10.8Ｋ，Ｈｃ为8.7Ｔ。 2.2.3超导化合物 超导元素与其他元素化合常有很好的超导性能。如已大量使用的Ｎｂ3Ｓｎ，其Ｔｃ＝1.81Ｋ，Ｈｃ＝24.5Ｔ。其他重要的超导化合物还有Ｖ3Ｇａ，Ｔｃ＝16.8Ｋ，Ｈｃ＝24Ｔ；Ｎｂ3Ａｌ，Ｔｃ＝18.8Ｋ，Ｈｃ＝30Ｔ。 2..2.4超导陶瓷。 20世纪80年代初，柏诺兹和缪勒开始注意到某些氧化物陶瓷材料可能有超导电性，他们的小组对一些材料进行了试验，于1986年在镧－钡－铜－氧化物中发现了Ｔｃ＝35Ｋ的超导电性。柏诺兹和缪勒也因为他们的开创性工作而荣获了1987年度诺贝尔物理学奖。1987年，中国、美国、日本等国科学家在钡－钇－铜氧化物中发现Ｔｃ处于液氮温区有超导电性，使超导陶瓷成为极有发展前景的超导材料。 3　铜基超导材料 原来的（铁基超导材料出现以前）高温超导体包括四大类：90Ｋ的稀土系，110Ｋ的铋系，125Ｋ的铊系和135Ｋ的汞系。它们都含有铜和氧，因此也总称为铜氧基超导体或铜基超导材料。它们具有类似的层状结晶结构。正当（约1993年）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，发现难以克服的技术困难，即本质为陶瓷材料的铜氧化物在力学性能上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。好在铜基超导的弱电应用目前发展迅速，利用其制备成的超导量子干涉仪已成为目前世界上最灵敏的磁探测技术，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，未来世界还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。 4铁基高温超导材料 4.1铁基高温超导材料诞生 2008年2月23日，日本西野秀雄研究小组报道了在氟掺杂的镧－铁－砷－氧体系中存在26Ｋ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所和中国科技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40Ｋ，优化合成方式之后可以获得55Ｋ的高临界温度。在随后几年里，新的铁砷化物和铁硒化物等铁基超导体系不断被发现（图2），典型母体如镧－铁－砷－氧、钡－铁－砷、锂－铁－砷、铁－硒等，这些材料几乎在所有的原子位置都可以进行不同的掺杂而获得超导电性。铁基超导家族成员数目粗略估计有3000多种（许多还尚待发现），可谓是目前发现的最庞大超导家族。正是由于中国科学家的努力推动，铁基超导步入高温超导新家族，极大地吸引了全世界研究者的目光。在已发现的10种左右铁基超导体系中，中国科学家独立发现了其中４种作为继铜基超导体之后的第二大高温超导家族，铁基超导体具有更加丰富的物理性质和更有潜力的应用价值。铁基超导的研究加速了高温超导机理的解决进程，使得人们完全有理由相信在不久的将来，室温超导可以被实现并被广泛应用。 4.2铁基超导体的近期研究进展 尽管铁基超导体的种类多种多样，但彼此之间仍有一些相似的性质，对于理解高温超导体的超导机理起着至关重要的作用。这些相似性主要体现在这样几个方面：第一，与铜氧化物高温超导材料的结构相似，铁基超导材料也具有准二维的层状结构。Ｆｅ原子组成平面四方网格，是产生超导电性的关键结构单元，电子的输运和超导就发生在这些层中。第二，在大部分铁基超导体中，磁性与超导相或是彼此相邻、或是相互共存，表现出磁性与超导间的紧密关联。并且与铜氧化物超导体类似，在铁基超导体中，随着掺杂量的增加，磁性逐渐消失，而超导转变温度随掺杂量的变化关系呈现圆顶状曲线。第三，角分辨光电子谱实验发现：铁基超导体中存在不连续的费米面以及费米面间的准嵌套。在布里渊区中心Γ点处有一些空穴型的费米面，而在布里渊区边缘Ｍ点处则有一些电子型的费米面，并且有些费米面的大小、形状相近，形成费米面准嵌套。在大小相近的费米面上超导能隙相对较大，随着掺杂的进行，当费米面间的准嵌套被破坏时，超导电性也强烈地被抑制甚至消失。最后，与铜氧化物高温超导体类似，中子散射实验发现：在铁基超导体中，在Ｔｃ以下存在自旋波共振峰，（如图2所示）其波矢恰好连接准嵌套的费米面。这些实验证据表明铁基材料超导电性很可能与自旋涨落诱导的准嵌套费米面间的电子散射相关。 4.3　我国科学家的研究 对于铁基超导体的研究，我国科学家（如图1所示）做出了杰出的贡献。比如，在超导材料的制备方面，中国科学院赵忠贤院士、王楠林研究员，中国科学技术大学陈仙辉院士，浙江大学方明虎教授、袁辉球教授、许祝安教授及中国人民大学陈根富教授等处于世界领先地位。中国科学院戴鹏程研究员及中国人民大学鲍威教授带领各自的研究小组利用中子散射对铁基超导体的磁结构及自旋动力学进行了详尽的研究。中国科学院丁洪研究员、周兴江研究员和复旦大学封东来教授的课题组利用角分辨光电子谱对铁基超导体的能带结构、费米面与超导能隙的大小等方面做了详细考察。另外，南京大学闻海虎教授、清华大学薛其坤教授及中国科学院潘庶亨研究员利用扫描隧道显微镜研究了一系列铁基超导体的态密度及磁通涡旋态，中国人民大学于伟强教授利用核磁共振对超导体中的自旋涨落进行了研究。在理论方面，中国科学院向涛研究员及中国人民大学卢仲毅教授利用第一性原理预言了铁基超导体的能带和可能的磁结构，并得到了实验的验证。南京大学李建新教授、王强华教授及中国科学院胡江平研究员对超导机制也做了大量的研究。 5　总结 目前世界上对铁基超导材料的研究还在如火如荼地进行中，铁基高温超导材料的研究也于2014年获得了国家自然科学一等奖。有关铁基高温超导体的研究，对整个高温超导现象物理起源的理解有极大的启发意义，有助于进一步加深对高温超导机理的认识，也为发现新的高温超导体提供了新的方向。 参考文献 ［1］郑嫚瑶等．《牛顿第一定律》教学的创新设计[J]．物理教学探讨，2013，（8）． ［2］李良杰．牛顿第一定律的教材编制遮论[J]．课程教学研究，2013，（2）． ［3］郭桂周等．“牛顿第一定律”物理学史辨[J]．物理教师，2012，（11）． ［4］郑 青 岳．牛 顿 第 一 定 律 教 学 中 的 思 维 因 素 分 析[J]．中学物理教学参考，2011，（12）． ［5］陶本友．还原历史真相　凸显探究细节———《牛顿第一定律》教学设计[J]．中学物理教学参考，2012，（12）.