超导材料研究在全球的竞争

以中国、美国和日本为中心，世界各国迅速掀起“超导研究热”。短短3个月内，超导起始转变温度从33开迅速提高到100开以上，人类首次获得了液氮温区的超导体。

缪勒和柏诺兹的研究成果引发了许多人的兴趣。尤其是他们使用的材料钡镧铜氧化物（Ba-La-Cu-O），这种氧化物高温超导陶瓷自然引起了科研人员的高度重视。不久，日本东京大学工学部将超导温度提高到37开，美国休斯敦大学的美籍华裔科学家朱经武又将超导温度提高到40.2开。

在当年的年底，即1986年12月，中国科学院物理研究所的赵忠贤和陈立泉领导的研究小组获得了起始转变温度为48.6开的结果。这是一种锶镧铜氧化物（Sr-La-Cu-O）。1987年1月初，日本川崎国立分子研究所将超导温度提高到43开；不久日本综合电子研究所又将超导温度提高到46开和53开。

赵忠贤研究小组还看到这类物质有在70开发生转变的迹象。

1987年2月15日，朱经武和吴茂昆获得了转变温度为93开的纪录。他们使用的是一种钡钇铜氧化物（Ba-Ir-Cu-O）。2月20日，中国科学家宣布发现100开以上超导体。3月3日，日本科学家宣布发现123开超导体。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。3月27日美国华裔科学家又发现在氧化物超导材料中有转变温度为140开的超导迹象。超导体的突破实现了以液态氮代替液态氦作超导制冷剂，使超导技术开始走向大规模开发应用。氮是空气的主要成分，液氮制冷机的效率比液氦至少高10倍，所以液氮的价格仅相当于液氦的1/100。1988年，中国科学院的研究单位又发现了临界温度为120开的钛钡钙铜氧化物（Ti—Ba-Ca-Cu-O）。这些成就显示了中国在超导研究材料研究上的基础和实力。

1986年超导研究的突破，又经1987年的“超导热”，人们开始将注意力集中在超导陶瓷的研究与应用上。专家估计，如果研究的进展正常，再经过约50年的时间，技术人员会开发出超导线材、缆材和带材。这些超导材料可以稳定地在近80开的温度保持超导性能，临界电流密度要超过10万安培/厘米2。(www.xing528.com)

从更远的目标看，科技人员要使临界温度达到240开，甚至达到300开左右，这差不多是零下30摄氏度，或接近室温的水平了。从材料成分上看，可用氟、氮或碳来取代氧的元素，用铕、钬、镝来取代镧的元素，或者在钡钇铜氧化物（Ba-Ir-Cu-O）中添加钪、锶或别的金属元素，以提高超导材料的临界温度。这些材料都称为铜基超导材料。

在铜基超导材料之后，日本和中国科学家相继报告，他们发现了一类新的高温超导材料——铁基超导材料。物理学家认为，这是超导研究领域的一个“重大进展”。1986年以后，铜基超导材料一直为全世界物理学家的研究热点。很多科学家都希望找到新的高温超导材料。2008年2月，日本科学家首先发现，氟掺杂镧氧铁砷化合物在临界温度26开（-247摄氏度）时具有超导特性。3月25日，中国科学技术大学陈仙辉领导的小组报告，氟掺杂钐氧铁砷化合物在临界温度43开（-230摄氏度）时也变成超导体。3月28日，中国科学院物理研究所赵忠贤领导的小组报告，氟掺杂镨氧铁砷化合物的高温超导临界温度可达52开（-221摄氏度）。4月13日该小组又发现，氟掺杂钐氧铁砷化合物，假如在压力环境下，超导临界温度可进一步提升至55开（-218摄氏度）。中科院物理所闻海虎的小组还报告，锶掺杂镧氧铁砷化合物的超导临界温度为25开（-248摄氏度）。

超导体中的电子能无阻地前行，因为当低于某个特定温度时，电子就成对地组合起来。如果金属要阻碍电子运动，就要拆散电子对；但是在低于某个温度时，就难以拆散电子对了，因此电子对就能流畅运动。但是，电子对结合机制并不能解释临界温度最高可达138开（-135摄氏度）的铜基材料超导现象。每一种铜基超导材料都是由层状的“铜—氧”面组成，其中的电子是如何形成的，仍未解。

新的铁基超导材料将激发物理学界新一轮的超导研究热。科学家们将着眼于合成由单晶体构成的高品质铁基高温超导材料。此外，科学家们还第一次在基于钚的材料中发现了超导电性。他们发现由钚、钴和镓组成的一种合金在绝对温标18.5开以下存在超导性。这个温度非常高，且反常得高，这表明，含钚化合物很可能也是一类新型的超导体。这是由美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的科学家、在佛罗里达大学和德国的超铀元素研究所的合作者们共同完成的。这种材料有很高的临界电流（超过此界限材料就失去超导特性的电流强度），这对其实际应用非常有利；不利的是钚的放射性，这可能会限制其应用。

德国卡尔斯鲁厄技术研究院的科学家已经在德国坎森市的电网中铺设了世界最长的超导电缆，尽管它只有1千米长。比起常规的传统电缆，这根超导电缆的功率要高出5倍，而基本上没有什么损耗。这条可传输1万伏的超导电缆，设计的传输功率为40兆瓦。这种超导材料是一种特殊的陶瓷，在传输电能（无损耗）的情况下，需要将超导材料的温度下降至70余开，即-200摄氏度。这个温度区域只利用液氮作为冷却剂。当然，这只是一个试验项目，需要2年的时间进行试验。这在超导传输电能技术的发展中无疑是一座里程碑。相信在不远的将来，科学家一定能打造出一个更加安全、稳定和高效电网。