霍知節(jié)

1 “神奇”的超導(dǎo)材料

1.1 何為超導(dǎo)材料

超導(dǎo)材料，就是常說的“超導(dǎo)體（superconductor）”，主要是指某些金屬、合金和化合物，當(dāng)溫度降到某一特定值時(shí)，例如在絕對(duì)零度（-273.15℃）附近，其電阻就會(huì)率突然減小，甚至消失而無法測量（通常在實(shí)驗(yàn)中，如導(dǎo)體電阻的測量值低于10～25Ω，可視為電阻為0。），此現(xiàn)象就是“超導(dǎo)現(xiàn)象”。超導(dǎo)材料就是能夠發(fā)生超導(dǎo)現(xiàn)象的物質(zhì)。

超導(dǎo)材料之所以“神奇”主要是因具有以下特性：①零電阻：當(dāng)超導(dǎo)材料處于超導(dǎo)狀態(tài)時(shí)，其電阻值為0，且傳輸電能可無耗損，例如電磁感應(yīng)所產(chǎn)生的無衰減持續(xù)電流，在實(shí)驗(yàn)中已被多次觀測到。②抗磁性：當(dāng)超導(dǎo)材料處于超導(dǎo)狀態(tài)時(shí)，若外磁場不超過某一定值，則磁力線就不能透入超導(dǎo)材料的內(nèi)部，故而其內(nèi)磁場恒為0。③約瑟夫森效應(yīng)：意指在2個(gè)超導(dǎo)材料之間，設(shè)置約1nm的薄絕緣層，當(dāng)形成低電阻連接時(shí)，就會(huì)有電子對(duì)穿過該絕緣層，從而能夠形成電流，但是在絕緣層的2側(cè)并沒有產(chǎn)生電壓，于是絕緣層就成了超導(dǎo)材料。④同位素效應(yīng)：意指超導(dǎo)材料的臨界溫度（Tc），同其同位素質(zhì)量M存在一定的關(guān)系：M值越大則Tc值越小。

此外，還有以下幾個(gè)臨界值與超導(dǎo)材料密切相關(guān)：①Tc：意指外磁場為0時(shí)，超導(dǎo)材料由正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)時(shí)，或者是由超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變正常態(tài)時(shí)所需的溫度。Tc的數(shù)值主要由超導(dǎo)材料而定，據(jù)測定鎢的Tc最低，只有0.012K。至20世紀(jì)80年代，Tc最高值已提升到100K左右。②臨界磁場（Hc）：意指超導(dǎo)材料由超導(dǎo)態(tài)進(jìn)入到正常態(tài)時(shí)，所需的磁場強(qiáng)度。③臨界電流（Ic）：意指超導(dǎo)材料由超導(dǎo)態(tài)進(jìn)入到正常態(tài)時(shí)，通過其的電流值。④臨界電流密度（Jc）：意指當(dāng)溫度和外磁場增加時(shí)，Ic的數(shù)值會(huì)減少，其單位截面積所能承載的臨界電流量。正是由于超導(dǎo)材料的參量及其臨界值，極大地限制了其應(yīng)用的外圍條件，所以突破束縛研發(fā)新型超導(dǎo)材料，就成為歷代超導(dǎo)研究者們樂此不疲的奮斗目標(biāo)。

1.2 超導(dǎo)材料的“大家族”

目前，已發(fā)現(xiàn)有28種元素和幾千種合金和化合物，都在不同條件下顯示出超導(dǎo)性，均可用作為超導(dǎo)材料。從臨界溫度角度，“超導(dǎo)材料家族”可分為2類：第1類高溫超導(dǎo)體（HTS），一般指臨界溫度高于約25K的超導(dǎo)體；第2類低溫超導(dǎo)體（LTS），一般指臨界溫度低于約25K的超導(dǎo)體。如稀土陶瓷氧化物超導(dǎo)體就屬于高溫超導(dǎo)體。

從材料角度，“超導(dǎo)材料家族”按其化學(xué)成分大致可分為：金屬元素超導(dǎo)體、超導(dǎo)化合物、合金超導(dǎo)體。第1類金屬元素超導(dǎo)體，此類元素主要聚集在在元素周期表的2個(gè)區(qū)域（圖1）：左邊的過渡金屬區(qū)域；右邊的非過渡金屬區(qū)域。金屬元素超導(dǎo)體中，有些金屬元素只有在薄膜態(tài)、高壓態(tài)、輻照態(tài)才會(huì)具有超導(dǎo)的性能。在常壓下，28種金屬元素具有超導(dǎo)電性，如金屬鈮（Nb），它的臨界溫度最高，Tc= 9.26K。在實(shí)際應(yīng)用中，挑大梁者主要是鈮和鉛（Pb），鉛的臨界溫度為7.201K，它們多被用于超導(dǎo)交流電力電纜的制造。

第2類超導(dǎo)化合物，將超導(dǎo)元素與其他元素化合后，通常會(huì)有良好的超導(dǎo)性能。如已被廣泛使用的超導(dǎo)化合物鈮錫（Nb3Sn）、釩鎵（V3Ga）等，再有二硼化鎂（MgB2）超導(dǎo)材料，它是2001年被發(fā)現(xiàn)的屬六方晶系結(jié)構(gòu)，簡單二元金屬間化合物。MgB2由鎂（Mg）和硼（B）以1∶2相結(jié)合，其臨界溫度遠(yuǎn)高于其他常規(guī)低溫超導(dǎo)體，并以其諸多優(yōu)越性能而備受青睞。

第3類合金超導(dǎo)材料，意指在超導(dǎo)元素中熔合某些其他金屬元素作為合金成分，使其不僅具有超導(dǎo)電性且提高其性能。如最先應(yīng)用的鈮鋯合金（Nb—75Zr），之后又研發(fā)出了鈮鈦合金Nb—33Ti，其性能參數(shù)Tc雖稍低些許，Tc=9.3K，但Hc較高，Hc=11.0T，在給定磁場下便能承載更大的電流；還研發(fā)出了鈮鈦合金（Nb—60Ti），Tc=9.3K，Hc=12T（4.2K）。當(dāng)加入金屬鉭（Ta）的鈮鈦三元合金（Nb—60Ti—4Ta、Nb—70Ti—5Ta），其性能也有一定提升。目前，鈮鈦合金作為超導(dǎo)磁體材料主要是在7～8T磁場下使用。

1.3 超導(dǎo)“新秀”——稀土超導(dǎo)材料

稀土超導(dǎo)材料的研發(fā)，是隨著超導(dǎo)體研究不斷地深入而展開的。1973年，科學(xué)家們研發(fā)出了含有稀土元素鐠（Pr）的鈮鐠合金超導(dǎo)體，其臨界溫度為23.3K。1986年，科學(xué)家們研發(fā)出又一新稀土超導(dǎo)材料——鑭鋇銅氧陶瓷（La—Ba—Cu—O），含有稀土元素鑭 （La），并取得了突破性進(jìn)展，其臨界溫度Tc=35K。1987年后，中國、美國、日本等國科學(xué)家們先后又發(fā)現(xiàn)了稀土高溫超導(dǎo)體——鋇釔銅氧化物（YBa2Cu3O7-x），含有稀土元素釔 （Y），其臨界溫度達(dá)90K以上，因遠(yuǎn)超過氮的沸點(diǎn)77K，Tc處于液氮溫區(qū)有超導(dǎo)電性，該稀土超導(dǎo)高溫材料可以在液氮溫度下工作，使稀土超導(dǎo)陶瓷一躍成為極具發(fā)展?jié)摿Φ某瑢?dǎo)材料。

此外，另一類重要的高溫超導(dǎo)材料，是含稀土元素釔（Y）的鈣鈦礦氧化物超導(dǎo)體（YBa2Cu3O1-x），簡稱“123相，YBaCuO或YBCO”。特別是重稀土，如釓（Gd）、鏑（Dy）、鈥（Ho）、鉺（Er）、銩（Tm）和鐿（Yb）部分或全部取代稀土Y，形成的一系列高Tc稀土超導(dǎo)材料（簡稱“REBaCuO或REBCO”），有很大發(fā)展?jié)摿1]。稀土鋇銅氧化物超導(dǎo)材料，可制成單疇塊狀材料、涂層導(dǎo)體（第2代高溫超導(dǎo)帶材）或薄膜材料，分別應(yīng)用于超導(dǎo)磁懸浮裝置和永磁體、強(qiáng)電電力機(jī)械或弱電電子器件[2]。

綜上，稀土超導(dǎo)材料就是在超導(dǎo)材料中添加稀土，目前主要包含5種稀土元素：La、Gd、镥（Lu）、鈰（Ce）、Y，其中3個(gè)為常壓條件，后2個(gè)為高壓條件?？墒蛊渑R界溫度大幅提高到70～90K，從而使超導(dǎo)材料能夠在液氮中使用，這就極大推動(dòng)了超導(dǎo)材料研究和應(yīng)用的發(fā)展[3]。稀土超導(dǎo)材料的潛在市場非常巨大，發(fā)展前途十分廣闊，可將其用于采礦、能源、電子工業(yè)、醫(yī)療設(shè)備、懸浮列車等許多領(lǐng)域[4]。

2 超導(dǎo)材料發(fā)展史

2.1 超導(dǎo)材料的發(fā)現(xiàn)者

超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)者，是荷蘭低溫物理學(xué)家海克·卡曼林·昂尼斯（H.Kamerlingh Onnes，圖2），1853年9月生于荷蘭的格羅寧根，1926年2月21日在荷蘭的萊頓去世。他憑借研發(fā)成功液氦和發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象的杰出貢獻(xiàn)，榮獲1913年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1911年，昂尼斯在實(shí)驗(yàn)研究中，發(fā)現(xiàn)水銀的電阻率并不是在隨著溫度降低，在逐漸地減??；而是當(dāng)降溫度至約4.15K，也就是約-269℃時(shí)，其電阻突然降到0，水銀竟然失去了電阻。這就是人類首次發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)現(xiàn)象。此后，超導(dǎo)材料的研究開發(fā)一直在砥礪前行。1933年，德國物理學(xué)家瓦爾特·邁斯納（W.Meissner）與羅伯特·奧克森菲爾德（R.Ochsebfekd）2位科學(xué)家，發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)體的抗磁性。就導(dǎo)體來說，只要其進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)中，超導(dǎo)體的磁通量就全部排出于體外，而且于降溫和加磁場的先后順序并無實(shí)質(zhì)性的關(guān)系。

2.2 超導(dǎo)材料的推進(jìn)者

1957年，美國物理學(xué)家約翰·巴?。↗ohn Bardeen，圖3）、庫珀（L.V.Cooper）、約翰·羅伯特·施里弗（John Robert Schrieffer，圖4）合作創(chuàng)建了“超導(dǎo)微觀理論”，以3位科學(xué)家名字的首字母組合后命名為“BCS”理論，即“巴丁—庫珀—施里弗理論”。該理論成功地解釋了困惑超導(dǎo)研究領(lǐng)域幾十年的難題，也就是包括5位諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者在內(nèi)的諸多科學(xué)家都沒能解釋的超導(dǎo)現(xiàn)象。換言之，“BCS”理論完整地解釋了常規(guī)超導(dǎo)體的超導(dǎo)電性微觀理論，并極大地推動(dòng)了超導(dǎo)電性和超導(dǎo)磁體的研究與應(yīng)用，而且他們還先后榮獲了1972年、1973年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

挪威裔美國物理學(xué)家伊瓦爾·賈埃弗（Ivar Giaever），于1957年完成了量子力學(xué)隧道效應(yīng)實(shí)驗(yàn)；3年后他又完成了超導(dǎo)體隧道效應(yīng)實(shí)驗(yàn)。該研究成果不僅使人們對(duì)隧道效應(yīng)有了更好的理解，而且還發(fā)現(xiàn)了一些關(guān)于超導(dǎo)性的特殊現(xiàn)象，并于1973年榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。英國劍橋大學(xué)研究生布賴恩·約瑟夫森（Brian Josephson）根據(jù)“BCS”理論，于1962年大膽地預(yù)言：2種超導(dǎo)材料之間，以薄絕緣層隔開，其間會(huì)有電流通過。換言之，由于“電子對(duì)”能穿過薄絕緣層，并且在薄絕緣層隔開的2種超導(dǎo)材料中有電流通過；同時(shí)在無需加電壓的情況下，還產(chǎn)生了能通過薄絕緣層的電流，若在加電壓的情況下，電流就會(huì)停止，于是就會(huì)產(chǎn)生一些高頻振蕩的特殊現(xiàn)象。這就是被美國貝爾實(shí)驗(yàn)室所證實(shí)的，稱為“約瑟夫森效應(yīng)”的超導(dǎo)物理現(xiàn)象，該研究成果有力的支持了“BCS”理論。

概括之，賈埃弗和約瑟夫森的研究成果，直接促成電子學(xué)的建立，并對(duì)研制高性能的半導(dǎo)體和超導(dǎo)體元器件具有很高的應(yīng)用價(jià)值。超導(dǎo)材料的磁電障礙，終經(jīng)科學(xué)家們數(shù)十年的努力成功攻克。超導(dǎo)材料的溫度障礙，即尋求高溫超導(dǎo)材料，將是下一個(gè)急需解決的難關(guān)。此后，超導(dǎo)體的研究重心逐漸轉(zhuǎn)向研發(fā)超導(dǎo)新材料，主要是集中于研發(fā)高臨界溫度的超導(dǎo)材料，這必將強(qiáng)有力地?cái)U(kuò)大超導(dǎo)材料的應(yīng)用領(lǐng)域。

2.3 超導(dǎo)材料的創(chuàng)新者

進(jìn)入20世紀(jì)70年代，超導(dǎo)現(xiàn)象的研究進(jìn)入了沉寂期。主要是因?yàn)閷?duì)超導(dǎo)材料的實(shí)驗(yàn)研究，用于實(shí)驗(yàn)室材料的選擇僅限定在純金屬、金屬化合物等范圍，它們的臨界溫度約在23.2以下，因其值無法提高而嚴(yán)重阻礙實(shí)際應(yīng)用推廣。1983年7月的一次國際會(huì)議上，瑞士物理學(xué)家繆勒（K.Alexander Miler，圖5）遇到了他的故友托馬斯教授，關(guān)于超導(dǎo)材料他們進(jìn)行了深入交流，托馬斯教授提出了新構(gòu)想：通常絕緣體的電子因緊密地依附于原子核，故而不易導(dǎo)電，若給某些絕緣體摻入一些雜質(zhì)，使其電子與原子核變得松散不緊密。換言之，其電子獲得高度自由時(shí)，這些絕緣體就可能會(huì)變?yōu)槌瑢?dǎo)體。有趣的是，托馬斯的觀點(diǎn)與當(dāng)時(shí)正在進(jìn)行這方面研究的繆勒所思所想相同，真可謂不謀而合。托馬斯的新構(gòu)想更加堅(jiān)定了繆勒的信心和干勁，他和助手——瑞士IBM研究實(shí)驗(yàn)室的德國物理學(xué)家柏德諾茲（Bednorz J Georg，圖6）歷經(jīng)2年半艱苦專研，打破傳統(tǒng)的超導(dǎo)材料研究思路，另辟蹊徑從金屬氧化物陶瓷中找到了高溫超導(dǎo)體，集中力量研究稀土元素氧化物的超導(dǎo)電性。

1986年，他們終于發(fā)現(xiàn)了一種含有稀土元素——鑭的氧化物超導(dǎo)材料，即鋇鑭銅氧化合物（La—Ba—Cu—O）系統(tǒng)中存在著臨界溫度高達(dá)35K的超導(dǎo)電性，而且他們的發(fā)現(xiàn)得到其他實(shí)驗(yàn)組的證實(shí)。其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度比以往的超導(dǎo)材料高出很多，使得超導(dǎo)研究有了重大的突破。僅1年之后，超導(dǎo)新材料的Tc就提高到了100K左右。據(jù)此，繆勒和柏德諾茲榮獲了1987年諾貝爾物理獎(jiǎng)，表彰他們發(fā)現(xiàn)了陶瓷材料中的超導(dǎo)電性這一重大貢獻(xiàn)?？娎蘸桶氐轮Z茲的超導(dǎo)材料研究新成果，在全世界掀起了前所未有的超導(dǎo)研究熱潮。美國、中國、日本等國的科學(xué)家聞風(fēng)而動(dòng)，全世界有260多個(gè)實(shí)驗(yàn)小組競相制造和測試各種超導(dǎo)材料樣品。數(shù)年后，多種液氮溫區(qū)高溫超導(dǎo)體材料誕生了，如鉍系、釔系、鉈系、汞系等高溫超導(dǎo)體系，以及在液氮溫度區(qū)（-196℃以下）獲得了超導(dǎo)電性的陶瓷材料。高臨界溫度超導(dǎo)材料的不斷發(fā)現(xiàn)，極大地推動(dòng)了超導(dǎo)應(yīng)用的發(fā)展，標(biāo)志著超導(dǎo)技術(shù)開發(fā)應(yīng)用時(shí)代的到來。

2.4 稀土超導(dǎo)材料的再創(chuàng)新者

1987年1月，美國休斯頓大學(xué)著名的超導(dǎo)科學(xué)家吳茂昆（圖7）和朱經(jīng)武領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，成功發(fā)現(xiàn)世界第一個(gè)高于液態(tài)氮溫度的含有稀土元素釔Y的新超導(dǎo)材料：YBCO超導(dǎo)體（YBa2Cu3O7-δ），Tc值約93K（-180℃），此新型稀土高溫材料可在液氮溫度下工作。朱經(jīng)武被《世紀(jì)動(dòng)力》選為20世紀(jì)在氣電方面最具影響力的100位人士之一。吳茂昆據(jù)此被提名諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)而聲名大振，更主要的是他們開創(chuàng)了高溫超導(dǎo)研究和應(yīng)用的新紀(jì)元。

此后的超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)研究中，新超導(dǎo)材料不斷被發(fā)現(xiàn)，新超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的記錄也在不斷刷新。1993年5月，瑞士ETH實(shí)驗(yàn)室的席林（Schilling），研發(fā)成功Hg—Ba—Ca—Cu—O超導(dǎo)體，轉(zhuǎn)變溫度高達(dá)133.8K，這是當(dāng)時(shí)的最高紀(jì)錄。1994年，朱經(jīng)武及其研究團(tuán)隊(duì)采用在高壓，將Hg2Ba2Ca2Cu3O10體系的Tc提高到了164K（-109℃），并至今一直為該項(xiàng)最高Tc紀(jì)錄的保持者。

2003年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予美國阿爾貢國家實(shí)驗(yàn)室的阿力克謝·阿布里科索夫、俄國莫斯科萊伯多夫物理研究所的維塔利·金茲伯格和美國伊利諾斯大學(xué)教授安東尼·萊格特，以獎(jiǎng)勵(lì)他們在超導(dǎo)和超流理論方面的先驅(qū)性貢獻(xiàn)。超導(dǎo)材料近百年的發(fā)展歷史中，有10位科學(xué)家憑借自己杰出的研究成果，先后獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

2008年，日本東京工業(yè)大學(xué)元素戰(zhàn)略材料研究中心主任細(xì)野秀雄（Hideo Hosono），發(fā)現(xiàn)含有稀土元素鑭的超導(dǎo)材料LaFePO，在Tc約為4K時(shí)具有超導(dǎo)電性。他們還發(fā)現(xiàn)另一含有稀土元素鑭的超導(dǎo)材料LaFeAsO1-xFx，其存在26 K的超導(dǎo)電性。他們的研究成果開創(chuàng)了鐵基超導(dǎo)的先河，又一次掀起了國際上以鐵基超導(dǎo)研究領(lǐng)銜的高溫超導(dǎo)研究的熱潮。

自1911年超導(dǎo)現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)以來，超導(dǎo)材料的電性理論、實(shí)驗(yàn)研究與實(shí)際應(yīng)用各方面成果豐碩，且超導(dǎo)材料的特性得天獨(dú)厚。至20世紀(jì)80年代中期，由于傳統(tǒng)的超導(dǎo)材料都是金屬及其化合物，如Nb3Sn，Tc=18.0K。通常的工作物質(zhì)是液氦（4.2K），都須在極低溫下運(yùn)行，故而極大地限制了超導(dǎo)材料的應(yīng)用，于是我國的科學(xué)家也在不斷探索高溫超材料。

2.5 我國稀土超導(dǎo)材料的創(chuàng)新者

1986年，我國物理學(xué)家、高溫超導(dǎo)研究奠基人趙忠賢院士，偶讀了柏德諾茲和繆勒發(fā)表的關(guān)于“銅氧化合物可能存在35K超導(dǎo)性”的論文。他為了揭開此類超導(dǎo)材料的神秘面紗，便立即組團(tuán)進(jìn)行研究。當(dāng)時(shí)，科研條件很差，好多設(shè)備是研究團(tuán)隊(duì)自造的，或是購買二手的。趙忠賢及其團(tuán)隊(duì)夜以繼日地奮戰(zhàn)在實(shí)驗(yàn)室，反復(fù)仔細(xì)推敲實(shí)驗(yàn)方案，很快在鑭鋇銅氧體系中獲得了40K以上的高溫超導(dǎo)體，使得超導(dǎo)電性低溫環(huán)境的創(chuàng)造，由原本昂貴的液氦替代為便宜而好用的液氮，一舉顛覆了“超導(dǎo)臨界溫度最高不大可能超過40K”的麥克米蘭極限，世界物理學(xué)界為之震動(dòng)[5]。趙忠賢因此獲得1989年國家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。趙忠賢團(tuán)隊(duì)于1987年自主研發(fā)了超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為93K的液氮溫區(qū)高溫超導(dǎo)體，并將其化學(xué)成分Ba—Y—Cu—O首次準(zhǔn)確公諸于世，為我國在國際超導(dǎo)領(lǐng)域爭贏得了話語權(quán)。因該科研成果趙忠賢團(tuán)隊(duì)，榮獲了國家自然科學(xué)獎(jiǎng)集體一等獎(jiǎng)。之后，該團(tuán)隊(duì)還研發(fā)出含有稀土元素釔的超導(dǎo)體，其起始轉(zhuǎn)變溫度高于100K。趙忠賢團(tuán)隊(duì)于1988年研發(fā)出了鈦系氧化物超導(dǎo)體，其轉(zhuǎn)變溫度為120K。該研究成果不僅使得北京大學(xué)成功地用液氮進(jìn)行了超導(dǎo)磁懸浮實(shí)驗(yàn)，而且再次掀起了國際高溫超導(dǎo)研究的熱潮。

2008年，日本研發(fā)了新稀土超導(dǎo)材料，即鑭氧鐵砷材料（LaFeAsO），有26K的超導(dǎo)電性，趙忠賢結(jié)合自己“存在多種合作現(xiàn)象的層狀四方體系中有可能實(shí)現(xiàn)高溫超導(dǎo)”的新思路，基于LaFeAs（O，F(xiàn)）壓力效應(yīng)研究，他提出了高溫高壓結(jié)合輕稀土元素的合成方案，首次將鐵基超導(dǎo)體的臨界溫度進(jìn)行大幅提升，由26K提高到52K，該記錄遠(yuǎn)超了超導(dǎo)體的理論極限值40K。很快又合成了絕大多數(shù)50K以上的系列鐵基超導(dǎo)體，創(chuàng)造了大塊鐵基超導(dǎo)體55K最高臨界溫度紀(jì)錄，并保持至今[6]。憑借“40K以上鐵基高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)及若干基本物理性質(zhì)研究”，趙忠賢（圖8）不僅再次榮獲了2013年國家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)，而且還榮獲了2015年Matthias獎(jiǎng)，這是國際超導(dǎo)領(lǐng)域的重要獎(jiǎng)項(xiàng)，當(dāng)然這也是趙忠賢的第2個(gè)重大貢獻(xiàn)。

2.6 我國的超導(dǎo)科技

1987年國務(wù)院批準(zhǔn)成立“國家超導(dǎo)攻關(guān)領(lǐng)導(dǎo)小組”，組建“國家超導(dǎo)技術(shù)聯(lián)合研究開發(fā)中心”，籌建了國家超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室，并于1991年升級(jí)為國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，對(duì)國內(nèi)外開放?？梢?，我國加強(qiáng)了對(duì)高溫超導(dǎo)材料研究的統(tǒng)一和協(xié)調(diào)管理。此外，我國組織和承擔(dān)了多次大型的國際高溫超導(dǎo)會(huì)議。再有在超導(dǎo)材料及其應(yīng)用研究領(lǐng)域，在趙忠賢院士及其團(tuán)隊(duì)的引領(lǐng)下，新高溫超導(dǎo)材料的發(fā)展日新月異，先后發(fā)現(xiàn)了二十多種有代表性的稀土高臨界溫度超導(dǎo)材料。超導(dǎo)臨界溫度不僅突破77K，即液氮溫區(qū)，而且超過了130K，但迄今為止實(shí)用價(jià)值最強(qiáng)的依然是釔系超導(dǎo)體。我國還成功研制了高溫超導(dǎo)絲材，促進(jìn)了高溫超導(dǎo)薄膜器件的研究。可以說超導(dǎo)領(lǐng)域的研究，我國總體上處于國際領(lǐng)先，各種實(shí)用化超導(dǎo)材料的制備技術(shù)已基本掌握，其中某些技術(shù)屬于國際領(lǐng)先，如中國科學(xué)院電工研究所研制的高性能鐵基超導(dǎo)材料；2016年成功研發(fā)了7芯鐵基百米長線，這是鐵基超導(dǎo)材料實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的里程碑，并為其在醫(yī)學(xué)、工業(yè)、國防等多領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。目前，我國的高溫超導(dǎo)體研究領(lǐng)域需進(jìn)一步集中目標(biāo)，組織力量，強(qiáng)化攻關(guān)，爭取在液氮溫區(qū)取得有現(xiàn)實(shí)意義的突破[7]。今后，要進(jìn)一步加強(qiáng)超導(dǎo)材料及其應(yīng)用的研究，不斷探索更高臨界溫度的超導(dǎo)材料，并加強(qiáng)超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的研究，快速全面地提升我國超導(dǎo)科技的綜合實(shí)力。

3 稀土超導(dǎo)材料的主要應(yīng)用

超導(dǎo)體作為20世紀(jì)最偉大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一，因其得天獨(dú)厚的、神奇的物理特性，目前超導(dǎo)體尤其是稀土超導(dǎo)體已經(jīng)進(jìn)入了科研、工業(yè)和人們的生活之中。如在科研中的應(yīng)用，很多超導(dǎo)儀器的分辨能力極高，利用超導(dǎo)裝置進(jìn)行精準(zhǔn)測量，主要應(yīng)用于磁通量、電磁能等諸多物理量的基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域。在工業(yè)中的應(yīng)用，以電子工業(yè)中的超導(dǎo)計(jì)算機(jī)（圖9）為例，它的超大規(guī)模集成電路中元件間的互連線，均采用超導(dǎo)材料制作，因其電阻接近零和超微發(fā)熱，故而不存在散熱問題。此外，超導(dǎo)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度是目前電子計(jì)算機(jī)望塵不及的，它大規(guī)模應(yīng)用高溫超導(dǎo)薄膜以加快計(jì)算速度，比硅器件快1 000倍。它通過回憶信號(hào)傳遞速度，改善了具有普通芯片的機(jī)器性能。從而大大提高運(yùn)算速度，減小計(jì)算機(jī)體積，且元件不發(fā)熱、功耗非常小、無故障、高效率運(yùn)行時(shí)間長。

再以發(fā)電和電力傳輸領(lǐng)域中的超導(dǎo)發(fā)電機(jī)（電動(dòng)機(jī)）、超導(dǎo)變壓器、超導(dǎo)電纜、電力傳輸線及儲(chǔ)能系統(tǒng)等為例，采用超導(dǎo)技術(shù)后，就可消除或減少因傳輸線路電阻而產(chǎn)生的大量電損耗。超導(dǎo)（發(fā)）電機(jī)可大幅提高電機(jī)容量，減小體積和質(zhì)量；超導(dǎo)變壓器可有效降低變壓器損耗，減小體積和質(zhì)量；超導(dǎo)電纜可大幅降低輸電線路損耗，大幅提高線路輸送容量；超導(dǎo)儲(chǔ)能可有效提高電網(wǎng)的安全可靠性，減小電網(wǎng)波動(dòng)；超導(dǎo)限流器可在突發(fā)故障發(fā)生時(shí)限制最大電流，保證切除故障。

在人們的生活中，以超導(dǎo)磁懸浮列車為例，它是一種速度快、無噪音、無震動(dòng)、省能源的綠色環(huán)保交通工具。1999年4月，日本研制的超導(dǎo)磁懸浮列車時(shí)速已達(dá)552km。我國西南交通大學(xué)研制成功的超導(dǎo)磁懸浮列車，最高設(shè)計(jì)時(shí)速達(dá)500km。2002年4月5日，我國第一條磁懸浮列車試驗(yàn)線在長沙建成通車，設(shè)計(jì)時(shí)速150km。超導(dǎo)磁懸浮列車的工作原理：由超導(dǎo)材料制成的超導(dǎo)線圈即超導(dǎo)磁鐵，因其電流阻力為零，且可傳導(dǎo)強(qiáng)大電流，這是普通導(dǎo)線根本無法相提并論的，故將其制成體積小、功率強(qiáng)大的電磁鐵，安裝于列車的車輪旁邊，沿途軌道兩旁安裝金屬鋁環(huán)；當(dāng)列車開始啟動(dòng)并前行時(shí)，軌道旁的金屬環(huán)就會(huì)切割磁力線，產(chǎn)生了感生磁場，其方向與超導(dǎo)磁場相反，進(jìn)而相互作用而產(chǎn)生一種向上浮力，導(dǎo)軌與機(jī)車間不存在任何實(shí)際接觸，沒有摩擦，起到加快車速的作用。

再有醫(yī)療中的超導(dǎo)體介子發(fā)生器，將超導(dǎo)磁體用來治療惡性腫瘤和腦血管等疾病，該醫(yī)療器就是將高溫超導(dǎo)材料用于了微波技術(shù)。近年來，我國超導(dǎo)微波器件的研究水平世界領(lǐng)先，主要有超導(dǎo)天線、超導(dǎo)濾波器和振蕩器以及超導(dǎo)結(jié)型混頻器等。此外，軍事上利用超導(dǎo)可以擊毀導(dǎo)彈。國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER），俗稱“人造太陽”，該裝置也大量的使用了低溫超導(dǎo)材料。

4 結(jié)語

目前，高溫超導(dǎo)材料尤其是稀土超導(dǎo)材料應(yīng)用技術(shù)研究正在縱深發(fā)展，超導(dǎo)技術(shù)進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用開發(fā)與應(yīng)用基礎(chǔ)性研究相推階段，并逐步進(jìn)入高技術(shù)產(chǎn)業(yè)階段。也可以說，21世紀(jì)超導(dǎo)技術(shù)將是最具經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略意義的高新技術(shù)，稀土超導(dǎo)材料研發(fā)是有重大發(fā)展?jié)摿Φ膽?yīng)用技術(shù)，具有無限廣闊的市場前景。我國抓住了這一大發(fā)展的歷史機(jī)遇，期盼我國的超導(dǎo)科技及超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)再創(chuàng)輝煌。

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