深入了解超导材料：认知学习指南

超导材料，是指在某一温度下，呈现出电阻等于零以及排斥磁力线性质的材料。从1911年荷兰物理学家卡麦林·昂内斯等人发现汞在液氦4.2 K附近呈超导态后（见图8-9），超导材料的研究就正式进入人们的视野。1911年至1932年间，研究者们发现了Pb、Sn、Nb等金属元素超导材料，1932年至1973年，又在很多合金材料中发现了超导电性，但是在1986年前发现的超导材料的临界转变温度都很低。此后瑞士IBM实验室的科学家首先在La-Ba-Cu-O体系中发现了超导电性，其临界转变温度达到35 K，开创了高温超导研究的新纪元。随后，我国科学家在超导技术研究上也有了质的突破，1987年朱经武和赵忠贤等各自独立研究制备了Y-Ba-Cu-O（YBCO）陶瓷超导材料，其临界温度达到了90 K以上。2001年，日本科学家发现了二硼化镁（MgB2）在39 K附近表现出超导特性，2008年日本科学家发现了铁基超导体，其最高临界温度能达到56 K。到目前为止，人们已经发现了上万种超导材料，典型的超导材料的临界转变温度与发现时间如图8-10所示。

图8-9　汞在4.2 K的超导转变曲线

图8-10　超导材料临界转变温度及发现年份

8.2.1 超导材料性质及参数

超导材料

当超导体的温度降低到转变温度时，超导材料就从正常态转换为超导态，处于超导态的样品具有以下几个基本特性：

1.超导材料的基本特性

（1）零电阻效应

当材料温度T降至某一数值TC时，超导体的电阻突然变为零，能够无损耗传输电能，这就是超导体的零电阻效应。电阻突然消失的温度称为超导体的临界温度TC。若将超导技术应用于输电配电，可显著降低电力传输过程中的能量损耗。

（2）迈斯纳效应（抗磁性）

1933年，迈斯纳发现超导体一旦进入超导状态，体内的磁通量将全部被排出体外，磁感应强度恒为零，这就是迈斯纳效应。具体叙述是一个磁体和一个处于超导态的超导体相互靠近时，磁体的磁场会使超导体表面出现超导电流。此超导电流形成的磁场，在超导体内部，恰好和磁体的磁场大小相等，方向相反。这两个磁场抵消，使超导体内部的磁感应强度为零（B＝0），即超导体排斥体内的磁场。利用超导材料的抗磁性，可以开发安静、快捷的交通工具。

（3）约瑟夫森效应（宏观量子效应）

用一薄绝缘层将两块超导材料隔开，当有直流电流I通过，且I＜临界电流IC时，材料结合处不产生电压；当I＞IC时，结合处产生电压，这种现象称为约瑟夫森效应。两块超导材料与中间绝缘层的组合称为约瑟夫森结或超导隧道结。约瑟夫森效应是超导电子学的基础，可应用于弱电信号检测领域。

（4）临界性

超导体只能在一些特殊条件下具有超导性，一旦超出限制，就立马失去超导性。它具有临界温度、临界磁场和临界电流密度等特性。只有小于它的临界值才能体现出它的超导性能。此外，还有相干长度，导向只有在一定的尺度之下，它才能保持住其超导性能。

2.超导体的临界参数

超导体有三个基本临界参数：临界温度TC、临界磁场HC和临界电流IC。

（1） 临界温度TC：超导体从常导态转变为超导态的温度，以TC表示，即临界温度就是电阻突然变为零时的温度。为了便于实际应用，超导材料的临界温度越高越好，在实际情况中，由于材料的组织结构不同，导致临界温度不是一个特定的数值。

通常人们按照超导材料的临界温度把超导材料分为高温超导体和低温超导体两种类型，定义25 K以下的为低温超导体。超导材料的化学组成多种多样，可以是金属、陶瓷、有机物和半导体等。目前，制约超导材料应用的极限条件是其临界温度，零下一百多摄氏度的温度在通常条件下是极其奢侈的。

（2）临界磁场HC：对于处于超导态的物质，若外加足够强的磁场，则可以破坏其超导性，使其由超导态转变为常导态。HC是温度函数，当T＝TC时，HC＝0，且随着温度的下降，HC增大，到绝对零度时达到最大值。可见，在绝对零度附近超导材料并没有什么实际意义，通常超导材料都要在临界温度以下的较低温度使用。

（3）临界电流IC：产生临界磁场的电流，也就是超导态允许流动的最大电流，即破坏超导电性所需的最小极限电流，以IC表示。

（4）三个临界参数的关系：要使超导体处于超导状态，必须将其置于三个临界值TC、HC、和IC之下。三者缺一不可，任何一个条件遭到破坏，超导状态随即消失，三者关系可用图8-11所示。

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图8-11　超导材料三个临界参数之间的关系

3.超导材料的分类

超导体的分类没有统一的标准，常按以下方法分类：

（1）超导材料根据临界温度的高低可以分为低温超导材料和高温超导材料，超导物理中将临界温度在液氦温度（4.2 K）以下的超导体称为低温超导体，也称为常规超导体，将临界温度在液氮温度（77 K）以上的超导体称为高温超导体。

（2）超导材料按化学成分可分为金属超导体材料（元素、合金、化合物等）、超导陶瓷、有机超导体及半导体或绝缘超导材料四类。

（3）超导材料根据超导体在磁场中表现出的迈斯纳效应，可以把超导体分成两类：第Ⅰ类超导体和第Ⅱ类超导体。通常，能够破坏超导态的磁场称为临界场HC，部分超导体只存在一个临界场，称为第Ⅰ类超导体。但是，大部分超导体存在两个临界场，即下临界场HC1和上临界场HC2，这类超导体被称为第Ⅱ类超导体，如图8-12所示。当磁场达到下临界场HC1时，磁场进入超导体内部，完全抗磁性被破坏，但是超导电子对仍然以超导环流的形式存在，这时零电阻态继续被保持，这个中间状态便被称为混合态；当磁场进一步增加到上临界场HC2时，这时零电阻态将被彻底破坏，超导体恢复到正常态。

图8-12　在外加磁场下两种类型超导体

8.2.2 超导材料的应用

1986年高温超导陶瓷的发现，使超导技术的应用及发展进入到一个新的历史阶段。超导技术领域的这场震撼全球的变革将有可能使世界跨入超导电子学的时代，超导电子器件在微弱信号的采集、传感、传输、处理、计算、储存、容量等方面的优越性都是常规半导体器件所无法比拟的。超导器件以其超高速、特宽频带、特低功耗、超高灵敏度、极低噪声、强抗干扰能力等一系列优点，使其在电子学领域中展现出十分诱人的应用前景。超导材料正在或将在以下几个方面获得应用。

1.大电流应用

主要是指超导磁体用于发电、输电和储能等三方面。由于超导体的零电阻特性，将它用于发电输电领域可以大大降低能量损失。超导储能装置可长时期储存大量的能量，然后根据需要加以释放。大型超导储能系统可作为陆基自由电子激光器或天基定向能武器的功率源。超导电机这种电机的体积和质量将比常规电机显著缩小，功率成倍增长，超导发电机应用如图8-13所示，效率大大提高，可为武器装备提供动力。在能量运输上，导线电阻使一部分电能在输送中转变为热能，存在严重的电能损耗。输送1000万千瓦的电力，损失相当于一座100万千瓦发电站的发电量。超导电缆具有零电阻特性，几乎可无损耗地输送电能。使用高温超导电缆比常规电线的总成本低15%。在超导发电上，超导磁场绕组具有极大的载流能力，能产生强磁场，却几乎不存在励磁损耗，电机机械损耗减少1/3，总损耗降低1/2，效率可达99.5%。超导发电机转子外径为常规发电机的4/5，长度为0.4～0.6，整机质量为1/3～1/2。超导发电机气隙磁密由常规发电机的0.8 T提高到4～5 T，极限容量可提高到107 kW以上。在超导储电方面，超导环形封闭线圈中流过巨大的零电阻永久电流，可无损耗地储存巨大的电能，理论测算回收电能效率可达90%。

2.电子学应用

其应用主要包括超导计算机、超导天线、超导微波器件等。超导元件所制的电子元件比传统电子元件更为灵敏快捷。超导计算机中的超大规模集成电路，其元件间的互连线用接近零电阻和超微发热的超导器件来制作，不存在散热问题，同时计算机的运算速度大大提高，其超导计算机应用示例如图8-14所示。此外，超导量子干涉器件可以测量小到100亿亿分之一伏特的电压差和100亿亿分之一安培的电流（每秒仅通过几个电子），也可以测量小于100万亿分之一特斯拉的磁场（仅相当于地磁场的100亿分之一）。随着薄膜技术的广泛采用，陶瓷超导体可应用于电子设备，特别是用作微电路之间、超导体和半导体之间以及记忆元件之间的连接。基于超导材料所具有的约瑟夫森效应，超导材料将在超导计算机、超导量子干涉器、超导磁强计、超导表面波器件、超导陶瓷天线和超导红外微波探测器等应用上实现突破。

图8-13　超导发电机（拥有20 000 kW的功率）

图8-14　中国超导计算机

3.抗磁性应用

超导材料制作的磁体还有一个重要的应用，就是磁悬浮。在导体截面相同时，超导体制作的导线可用比铜导线承载高出几十倍的电流。也就是说，由超导线圈制作的磁悬浮机构可以产生比传统磁悬浮机构大得多的磁浮力。另外，铜线圈通电时会不断地产生焦耳损耗，而超导线圈因为无电阻不会产生焦耳损耗。因此，在磁悬浮轨道交通系统中使用超导电磁线圈不但可以产生更大的悬浮力和驱动力，而且更加环保、节能，其磁悬浮应用示例如图8-15所示。

图8-15　超导磁悬浮列车

超导材料的应用不仅能提高工作效率，在现在这个能源越来越紧缺的时代，超导材料也必然能使资源得到大大节约，减少大量污染。超导材料不仅是过去、现在的研究热点，也是将来的研究热点。随着超导体研究日新月异的变化，超导材料必将深刻影响科学发展和人们的生活，其具体研究及应用领域如表8-2所示。

表8-2　超导材料及其应用