超导探索与科学思辨 李平林 郑州大学物理工程学院

教师个人主页 ● 郑州大学/教师队伍/ 教师个人主页/科学与思辨 ● hptt//www8.zzu.edu.cn/lpl6 超导探索与科学思辨 教师个人主页 ● 郑州大学/教师队伍/ 教师个人主页/科学与思辨 ● hptt//www8.zzu.edu.cn/lpl6

主 要 内 容 ● 概 论 ● 超导研究史话 ● 超导离我们生活有多近 ● 超导研究进展 ● 超导应用前景展望 ● 科学与思辨 超导探索与科学思辨 主 要 内 容 ● 概 论 ● 超导研究史话 ● 超导离我们生活有多近 ● 超导研究进展 ● 超导应用前景展望 ● 科学与思辨 ——爱因斯坦给我们的启示

超导探索与科学思辨 一、概 论 ● 历史回顾 ● 接连不断的诺贝尔奖 ● 昂纳斯的发现 ● 一些奇异属性 ● 目前的研究热点

超导探索历史与展望 历史回顾——常规超导 ● 1908年, 荷兰科学家Onnes成功液化了氦气，标志着低温物理学的研究从此进入了一个更加深入阶段。1911年，他又在4.2K的低温条件下观察到Hg的超导现象； ● 1932年发现迈斯纳效应，超导体具有完全抗性； ● 1957 年由Barden、Cooper 和Schrieffer 集大成，建立了解释常规超导体微观机理的BCS理论，该理论对单一元素及合金材料的常规超导现象给予较圆满的微观解释；并预言超导临界温度不超过30K； ● 1962年Josephson 效应的发现则开创了超导电子学这一崭新的应用领域；

超导探索历史与展望 1. 历史回顾——铜氧高温超导 ● 1986年4月瑞士苏黎士IBM实验室的科学家Bednorz和Müllar 观察到在35K左右La2-xBaxCuO4可能出现超导转变； ● 1987年休斯顿大学的朱经武和吴茂昆协作小组,观察到 YBa2Cu3O7－δ中显示超导迹象（92K)，全球掀起了高温超导研究热潮；目前仍然为164K 最高Tc保持者，加压的HgBa2Ca2Cu3O10+ δ ● 1988年初，Tsukuba的Maeda等发现铋系铜氧超导体；阿肯色的盛正值和Hermann发现了铊系铜氧超导体，这两体系超导体的临界温度均达到100K以上；

超导探索历史与展望 1. 历史回顾——高温超导 ● 1988年初，Tsukuba的Maeda等发现铋系铜氧超导体；阿肯色的盛正值和Hermann发现了铊系铜氧超导体，这两体系超导体的临界温度均达到100K以上； ● 随后，由Xue等人合成了Ba2Ca3Cu3Ox，其Tc也达到126K；和汞系HgBa2Ca2Cu3O8+δ超导体，其常压下Tc＝134K，在30万个大气压作用下Tc 值可达到164K，目前仍未能突破。 ● 我国在中长期科技规划中把高温超导材料列为重点发展的前沿课题（2006-2020）。

历史回顾 | 超导研究进展

2.当前热点——二硼化镁 超导材料的最新进展——二硼化镁超导材料的新发现 2001年1月日本东京青山学院的教授Jun kimitsu宣布了这一发现。MgB2的临界超导温度Tc=40k. ---Robert F. Serverce.Science,295,786(2002).

超导探索历史与展望 2. 当前热潮——铁氧超导 ● 最近(2008.3)发现的Fe基超导化合物，已越来越受关注,非铜氧化合物铁基超导体的发现,又一次掀起了研究高温超导的热潮. ● 转变温度TC=26K[1]的LaO1-xFxFeAs,TC= 41K[2]的CeO1-xFxFeAs和TC=56K[3]的Gd1−xThxFeAsO已经相继发现。 [1] Y. Kamihara, T. Watanabe, M. Hirano, and H. Hosono, J. Am. Chem. Soc. 130, 3296 (2008). [2] G. F. Chen, Z. Li, D. Wu, G. Li, W. Z. Hu arXiv:0803.3790v2 [cond-mat.supr-con] 27 Mar 2008 [3] Wang C, Li L J, Chi S, et al. Thorium-doping induced superconductivity up to 56K in Gd1−x Thx FeAsO. arXiv: cond-mat/0804.4290

超导探索与科学思辨 3. 超导一百年 —— 接连不断的诺贝尔 超导100年.doc

超导探索与科学思辨 4、昂纳斯的发现 ● 卡末林-昂纳斯以极大的精力改善了实验室装备，使之由初具规模发展到后来居上。莱顿低温实验室于1894年建立了能大量生产液氢和其它气体（包括氦气）的工厂和一栋规模甚大的实验楼馆。他以工业规模建立实验室，这在历史上还是第一次。就是从这里开始，物理学由手工业方式走向现代的大规模水平。下图是卡末林-昂纳斯的低温实验装置原理图。

超导探索与科学思辨 昂纳斯的低温实验装置原理图

超导探索与科学思辨 “永久气体”氦气液化成功 1908年7月10日,卡末林-昂纳斯和他的同事在精心准备之后，集体攻关，终于使氦液化。这次卡末林-昂纳斯共获得了60cc的液氦，达到了4.3K的低温。他们又经过多次实验，第二年达到1.38-1.04K。它标志着所有物质都可以存在于气液固状态。

超导探索与科学思辨 发现超导现象 昂纳斯为了研究金属在低温下的属性，选用了水银，却偶然地发现了并不只是属于纯水银的一种普遍现象--超导电性。然而，对于卡末林-昂纳斯来说，这一发现并非完全偶然，因为第一，他首先实现了氦的液化，而且直到20年代，全世界只有他独家生产液氦；第二，他所在的低温实验室拥有大规模液氢生产设备，可以保证维持氦恒温器的低温状态；第三，他明确地认定要探索低温下物质的各种特性，特别是电阻的变化。而正是从各种金属的电阻随温度变化的关系打开了通向超导电性的道路。 所以超导电性的发现对于卡末林-昂纳斯来说，又是必然的。

零电阻 将超导体冷却到某一临界温度Tc 以下时，电阻突然降为零的现象称为超导体的零电阻现象，称之为超导体零电阻。

超导探索与科学思辨 5、一些奇异属性 电阻完全消失？

超导探索与科学思辨 电流不消失？ 昂尼斯发现超导电性以后，继续进行实验，测量低温下电阻是否完全消失。卡茂林－昂尼斯把一个铅制圆圈放入杜瓦瓶中，瓶外放一磁铁，然后把液氦倒入杜瓦瓶中使铅冷却成为超导体，最后把瓶外的磁铁突然撤除，铅圈内便会产生感应电流并且此电流将持续流动下去，这就是卡茂林－昂尼斯持久电流实验。许多人都重复做这个实验，其中电流持续时间最长的一次是从１９５４年３月１６日到１９５６年９月５日，而且在这两年半时间内持续电流没有减弱的迹象，液氦的供应中断实验才停止。持续电流说明超导体的电阻可以认为是零。

超导探索与科学思辨 电流10万年不消失？ 后来，费勒和密尔斯利用核磁共振方法测得结果表明：将测量精度作为衰减量，超导电流至少持续时间不少于１０万年。“事实上，我们会发现，在绝大多数情况下，小于1010000000000年时间内，我们不能指望磁场或者电流会有任何变化！”（《超导电性导论》[美] M.廷哈姆，哈佛研究生教材，1975；中译本，1985年9月，科学出版社)

超导探索与科学思辨 一些奇异属性 ● 迈斯纳效应 当金属处在超导状态时，这一超导体内的磁感应强度为零，即能把原来存在于体内的磁场排挤出去。他们对围绕球形导体（单晶锡）的磁场分布进行了实验测试，结果惊奇地发现：锡球过渡到超导态时，锡球周围的磁场都突然发生了变化，磁力线似乎一下子被排斥到超导体之外去了。于是，人们将这种当金属变成超导体时磁力线自动排出金属体之外，而超导体内的磁感应强度为零的现象，称为“迈斯纳效应”。

●完全抗磁性 当超导体冷却到临界温度以下而转变为超导态后，只要周围的外加磁场没有强到破坏超导性的程度，超导体就会把穿透到体内的磁力线完全排斥出体外，在超导体内永远保持磁感应强度为零。超导体的这种特殊性质被称为“迈斯纳效应”。

观察迈纳斯效应的磁悬浮试验 在锡盘上放一条永久磁铁，当温度低于锡的转变温度时，小磁铁会离开锡盘飘然升起，升至一定距离后，便悬空不动了，这是由于磁铁的磁力线不能穿过超导体，在锡盘感应出持续电流的磁场，与磁铁之间产生了排斥力，磁体越远离锡盘，斥力越小，当斥力减弱到与磁铁的重力相平衡时，就悬浮不动了。

超导探索与科学思辨 一些奇异属性 ● 超导轴承 超导轴承.AVI ● 超导发动机 超导发动机.AVI

迈斯纳效应和零电阻毫无关系？ 目前最不可思议的是迈斯纳效应和零电阻竟然毫无关系！在电磁学里，我们知道，电和磁之间关系服从法拉第电磁感应定律，然而，在超导电性中，零电阻无法解释迈斯纳效应，同样，迈斯纳效应无法解释零电阻现象。最关键的问题是，在电磁感应定律中，变化的磁场感应电流，然而，在超导态时，稳定磁场却感应出超导涡漩电流。

高温超导体与常规超导体的区别 V. J. Emery, S. A. Kivelson, Nature 374, 434(1995) Tc以上 Tc以上 Tc以下 Tc以下

超导探索与科学思辨 目前研究热点（1） ●最近发现的铁氧化合物超导体已引起广泛关注，短期内相继发现了不同成分的系列样品，如转变温度Tc= 26 K的LaO1-xFxFeAs [1]，Tc=43 K的SmO1-xFxFeAs [2]和Tc=56 K的Gd1−xThxFeAsO [3]等等。研究表明，铁氧超导体显示了非常规配对对称性、较高的上临界场、低浓度的电子型载流子以及异常结能隙等特点，呈现出铜氧化物之外另一类非常规超导体的属性[4,5]。

超导探索与科学思辨 目前研究热点（2） ● 新型超导体的探索是目前研究的最现实目标。在未能认清高温超导微观机制的情况下，只有根据已经取得的经验寻找新的超导材料，以期不断提高临界温度Tc并实现更有效的应用。同时，在探索新型超导材料过程中，对其各种物理属性的认识也为建立微观模型提供依据。就目前研究进展而言，对于经验的运用似乎已经达到极限。自从1996年以来，充分运用各种经验手段，Tc 仍然未能突破164K。

超导探索与科学思辨 目前研究热点（3） ● 建立明确的微观机制是高温超导研究的最高目标。因为只有认清了高温超导发生的真正原因，才能找到有效提高临界温度Tc以及临界电流密度Jc等参数的有效途径，为制备室温超导体和投入广泛应用奠定理论基础。只要高温超导的应用未达到人类的理想境界，理论研究将一直是最热门的话题之一。

目前研究热点（4） ●二硼化镁超导电性研究新进展 超导探索与科学思辨 目前研究热点（4） ●二硼化镁超导电性研究新进展   2001年1月10日，日本青山学院大学教授秋光纯宣布，他的研究小组发现金属间化合物二硼化镁具有超导电性，超导转变温度高达39K。消息传来，全世界凝聚态物理学界为之兴奋。二硼化镁结构简单，易于制作和加工，有着广阔的应用前景。3个月来，世界各国的研究人员使用各种现代化的研究手段，对二硼化镁超导体的物理性质进行了重点研究，研究论文大量涌现，目前已达100多篇。3月12日，在美国西雅图市召开了关于二硼化镁超导电性的国际研讨会，中、美、日等13个国家的数百名科学家出席了研讨会，会上共宣读论文76篇。

超导探索与科学思辨 目前研究热点（5） ● 发现二硼化镁超导电性的意义。 迄今为止，二硼化镁的超导转变了温度是简单金属化合物中最高的。尽管在1960-1970年代，金属间化合物曾是许多“高温”超导材料的源泉，人们对金属硼化物的超导电性也进行了广泛而深入的研究，但是二硼化镁不在其中。因此，直至1986年发现氧化物高温超导体，人们一直不相信存在临界温度高于30K的化合物超导体。直到最近，大多数科学家还相信，在传统的BCS理论中不可能存在临界温度高于30K的稳定化合物。二硼化镁超导体的发现改变了这一状况，它迫使人们重新考虑，在BCS理论的框架内是否存在更高临界温度的超导体。但是，二硼化镁究竟能在多大程度上改变今后超导研究的方向，还取决于它是否代表一类新的高温超导体。

超导探索与科学思辨 目前研究热点（6） ● 元素掺杂和替代一直是获得新型超导材料及认识其物性的有效手段。自高温超导发现以来，几乎所有的高温超导体都是通过元素替代获得的，各系列的铜氧超导体都是对氧化铜进行不同的元素掺杂，进一步在不同晶位进行元素替代，通过掺杂和替代不仅获得了新材料，而且可以认识不同晶位和元素在超导中所发挥的作用。对于非铜氧超导体的获得及认识亦不例外。相信元素替代作为探索及认识高温超导的最重要手段之一将一直成为热点。

超导探索与科学思辨 目前研究热点（7） ● 测量高温超导物性新方法探索。要认识高温超导的各种物理属性，必须通过不同的实验手段来实现，通过常规的电阻率、磁化率测量只能了解材料最基本的电磁属性；X射线衍射、透射电镜、正电子淹没、中子衍射能够了解样品的晶格结构、电子结构以及磁结构；拉曼光谱、微分热反射谱能够反映电子在材料内部的运动变化特征；热传导、微分比热测量等能够了解材料中电子和声子所发挥的作用；原子力显微镜等可以观察样品的表面特征。最近引入的飞秒激光测量….

超导探索与科学思辨 目前研究热点（8） ●  高温超导应用研究。高温超导具有广阔的预期应用前景，因此激起了各国学者的极大探索热情。在应用研究方面，目前中国国内的一些成果处于国际前沿，具有代表性的有清华大学的铋系超导体电缆和西南交通大学的高温超导磁悬浮列车，前者已经达到商品化生产，后者已在实验室中试制成功，特别是后一成果为世界所瞩目，2003年12月甘子钊、赵忠贤等14位院士上书国务院，建议为2008年北京奥运会建设一条高温超导磁悬浮列车专线，以促进研究成果产业化。

超导探索与科学思辨 目前研究热点（9） ● 条纹相及赝能隙。在高温超导研究中，人们发现条纹相和赝能隙之间有密切的联系，也发现高温超导电流的一维传输特征，自从2000年以来，在 Science上发表的有关超导内容的文章为33篇，而关于赝能隙的文章则达到10篇，占同期在该杂志上发表的高温超导文章总数的30％。

超导探索与科学思辨 目前研究热点（10） ● 薄膜以及单晶的制备。高温超导的所有研究都是建立在对超导材料的研究之上的，高温超导现象发现的实质是材料配方和制备工艺的发现，没有高温超导体自然谈不上高温超导研究，自高温超导发现以来，多数是对多晶的研究，鉴于多晶的缺陷较多，能为我们提供的有效信息趋于饱和，为了进一步研究高温超导的物理性质，必须借助于单晶以及作为单晶替代品的薄膜，只有这些高质量的样品才能更深刻地揭示高温超导的物理本质。

Thanks！