超导研究及其应用 [复制链接]

第7版(国际)
专栏：

超导研究及其应用
中国科学院数理学部　李满园
当前，世界上出现了一股“超导热”，其研究特点是以金属氧化物为对象，以寻找高临界温度超导体为目标。全世界已有260多个实验小组参加了这场竞赛。科学家们在争分夺秒，不断创造实验新记录，在科学研究上出现这样激烈的竞赛世所罕见。
科学家们从两方面努力：一方面寻找常温超导体，并要对新发现的氧化物材料超导机制提出理论解释；另一方面则把新获得的超导材料尽早应用到生产和科学实验中去。
在超导材料研究方面，科学家们一直想找到高临界超导材料，以期取代液氦做冷却剂，以便降低成本（每升液氦需200元，而每升液氮仅需1元多），使超导研究在应用上得到突破。
但是，从1911年到1986年3月，科学家们经过75年的努力，才把金属及合金超导材料的临界温度从4.2K（水银）提高到23.2K（铌三锗），即75年时间才将超导材料的临界温度提高了19K。
1986年4月，美国国际商用机器公司（IBM）设在瑞士苏黎世的实验室发现钡镧铜和氧的化合物在30K时呈现超导电性，这是自1973年以来超导体研究取得的第一个重大进展。这也是人们研究氧化物超导体的新起点。同年12月24日，东京大学在锶镧铜氧化合物中获得了转变温度为37.5K的超导体；12月26日中国科学院物理研究所获得了转变温度为48.6K的超导体并看到了70K的超导迹象；12月30日美国休斯敦大学朱经武教授宣布获得40.2K超导体。以上是1986年超导赛出现的第一个高潮，仅8个月就把超导转变温度提高了25.2K。
今年2月15日美国朱经武和吴茂昆教授首先在液氮温区获得了转变温度为98K的超导体。今年2月24日中国科学院物理研究所宣布，在液氮温区获得了转变温度为100K以上的超导体，78.5K出现零电阻，93K时出现抗磁性（起始转变温度、电阻消失、抗磁性是出现超导的三个重要特征）并首先向全世界公布了化合物的材料组成。此后，日本、美国、中国有些实验室都验证了这个材料并做出了较好的结果。今年3月9日日本北海道大学工学部研制出了175K、92K时电阻消失的超导体氧化物材料。这是一个月来，中、美、日三国在液氮温区实现超导的重大突破，也是对氧化物超导研究出现的第二个高潮。如果美国加利福尼亚大学传出“实现233K”超导体的消息得到证实，又将是一个新的突破，人们可以用干冰做冷却剂来降低使用价格，而科学家渴望得到的是室温下的超导体。现在需要在理论上找出根据，实验上并能得到证实。
有些科学家已经开始了理论研究，现在世界上有6种理论解释。其中，美国普林斯顿大学安德森教授提出一个电子实际上是互相排斥而不是互相吸引的假说（以往理论认为，超导是由物质中的电子同声子振动引起的。他认为，超导只是同声子振动无关的电子之间的斥力引起的），他认为至少有7种化合物对超导有很好的功能。他的看法有一定的代表性，日本等国科学家也有同样的考虑。如果他的理论正确的话，诸如镧或钇的化合物与铜、氧和钡混合——应在更高的温度下工作。
超导技术在应用上包括超导强磁和超导弱磁，它们对国民经济、军事技术、科学实验和医学卫生的发展都有不可取代的作用。估计先进工业国家的大公司、材料研究的技术部门今后将要把注意力花在超导薄膜材料、器件及超导线材制备工艺上，一旦超导材料在应用上有突破，将会给工业和技术进步带来一场革命，首先受益的将是能源、电工、电子、交通、通讯等技术领域。其中包括：无损耗输电、设计超导发电机、制造悬浮列车所需要的大功率强磁体、研制新一代“粒子加速器”及核聚变装置、利用电磁推进的潜水艇、设计超导计算机、改进核磁共振仪、核磁人体成象仪及通讯用的磁体系统。据外刊报道，中、美等国科学家们希望近一二年超导薄膜器件能够诞生，三五年内在电子仪器、资源调查、卫星通讯、精密测量、电子对抗等技术领域开辟一个广阔应用的前景。
不过，目前尚有许多基础研究和工艺技术问题需要解决，离实际应用也还有相当大的距离。