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2023-06-24
超导材料研究的发展历程
【摘要】：只有同时满足这两个特性的材料，才能称之为超导体。这类超导体被称为常规超导体。图1.1为超导材料临界温度的升高示意图。由于Y-Ba-Cu-O等新发现的一系列铜基超导材料的Tc超过了液氮的温度77K，因此把它们称为高温超导体。2001年1月，一种Tc为39K的二元化合物超导体MgB2[13]被发现。近几年来，铁基超导体的发现，又引发了人们研究超导机理的兴趣。铁基超导体可能有助于人们更进一步地认识超导，特别是高温超导的机理。
1911年，荷兰物理学家昂纳斯（Heike Kamerlingh Onnes）在实验中发现，在液氦温度（4.2K）下，汞单质的电阻率突然降至几乎为零，首次揭示了超导这一神奇现象。1933年，Meissner和Ochsenfeld发现，超导体的磁性质与理想导体不同，如果把超导体放在磁场中降温，当超导体电阻消失时，与理想导体不同，磁感应线并不能通过超导体，而是会从超导体中被排斥出来，这种现象被称为完全抗磁性（Meissner效应）。超导电性和完全抗磁性是超导体的两个重要特性。只有同时满足这两个特性的材料，才能称之为超导体。超导特性开始出现的温度，被称为该超导体的超导临界转变温度（Tc）。
一开始所发现的超导体大多数为金属及合金，它们的Tc都低于30K。Tc最高的超导体为Nb3Ge（23K），与1911年的4.2K相比，只提高了不到19K。这类超导体被称为常规超导体。常规超导体在应用过程中一般都需要用液氦制冷。液氦高昂的价格增加了包含常规超导体设备的运转成本，从而极大地限制了常规超导体的应用。1957年，Bardeen、Cooper和Schrieffer建立了BSC理论，并用之很好地解释了超导现象[5]。超导体相对于常规导体具有直流下无传输电阻的特性，自然可以想到，使用超导体代替常规导体就可以减少导线上的电能损失，节省能量。因此，将超导体投入实际应用（如输电）一直是人类的梦想。然而超导现象发现之后多年，人类发现的超导体的临界温度都在30K以下。甚至超导理论中的经典BCS理论预言，超导体的临界温度不可能超过40K，这令人们一度以为超导现象只是一种极低温现象。图1.1为超导材料临界温度的升高示意图。
1986年，Bednorz和Muller在La-Ba-Cu-O体系中发现了超导体La2-xBaxCuO4[8，9]，其Tc可以达到40K以上。与以往发现的金属合金超导体不同，这是一种陶瓷材料[8]。更重要的是，它的Tc超过了之前发现的所有金属合金体系的Tc。La2-x BaxCuO4超导体的发现，开拓了高温超导电性这一既具有重要理论意义又具有巨大应用前景的研究领域，并引发了一场全球性的高温超导热潮。1987年，朱经武和赵忠贤发现的Y-Ba-Cu-O超导体的Tc达到93K[9，10]。1988年春，两个不含稀土元素的高温超导体体系Bi-Sr-Ca-Cu-O[11]和Tl-Ba-Ca-Cu-O[12]被发现了。在Tl-Ba-Ca-Cu-O体系中，盛正直所获得的超导相Tl2Ba2Ca2Cu3O10的Tc达到125K。由于Y-Ba-Cu-O等新发现的一系列铜基超导材料的Tc超过了液氮的温度77K，因此把它们称为高温超导体。
2001年1月，一种Tc为39K的二元化合物超导体MgB2[13]被发现。由于Mg和B的资源丰富而且比较廉价[14]，这引发了人们对超导材料在电力领域应用的新兴趣。近几年来，铁基超导体的发现，又引发了人们研究超导机理的兴趣。铁基超导体可能有助于人们更进一步地认识超导，特别是高温超导的机理。
图1.1 超导材料临界温度的升高示意图
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