（廣州市第二中學(xué)，廣東廣州 510530）

0.引言

材料領(lǐng)域的許多研究成果可以在生產(chǎn)生活中掀起巨大的變革。根據(jù)焦耳定律，幾乎所有的用電器都會(huì)在工作中產(chǎn)生一定的熱量，造成一定的浪費(fèi)。20世紀(jì)初，一些科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)中偶然發(fā)現(xiàn)，一些材料會(huì)在環(huán)境溫度低于某一溫度（材料的臨界溫度）時(shí)失去電阻，這種性質(zhì)被稱為超導(dǎo)電性。超導(dǎo)材料還具有完全抗磁性，這是常規(guī)導(dǎo)體不能比擬的。可以說(shuō)，超導(dǎo)材料集諸多優(yōu)越的電學(xué)性質(zhì)和磁學(xué)性質(zhì)于一身，其應(yīng)用前景十分誘人。

不過(guò)，多數(shù)超導(dǎo)材料的臨界溫度較低。20世紀(jì)80年代的物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了能夠在高于30K的條件下表現(xiàn)出超導(dǎo)性和抗磁性的高溫超導(dǎo)材料，這些材料的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的超導(dǎo)材料有一定的差異，它們的性質(zhì)更穩(wěn)定，可以耐受更高的磁場(chǎng)。深入分析高溫超導(dǎo)材料的性質(zhì)及其應(yīng)用，可以為改進(jìn)超導(dǎo)技術(shù)提供新思路。

1.高溫超導(dǎo)材料的研究進(jìn)展

“高溫”是一個(gè)相對(duì)的術(shù)語(yǔ)，即使是最好的材料，在常溫下也不會(huì)完全失去電阻。不過(guò)，在過(guò)去的幾十年中，高溫超導(dǎo)領(lǐng)域的研究者取得了許多重要進(jìn)展。在2000年，一些研究人員通過(guò)空穴，實(shí)現(xiàn)了52K的臨界溫度；在2001年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)硼化鎂具有超導(dǎo)性質(zhì)。最近發(fā)現(xiàn)的釕－銅酸鹽超導(dǎo)鐵磁體，也有著許多獨(dú)特的性質(zhì)[1]。

不過(guò)，在發(fā)現(xiàn)高溫超導(dǎo)材料的幾十年后，我們?nèi)匀粵](méi)有找到性能十分理想的高溫超導(dǎo)材料。盡管超導(dǎo)領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)技術(shù)不斷完善，已發(fā)表的論文近20萬(wàn)篇，但物理學(xué)家仍然不能從理論層面，解釋材料具有高溫超導(dǎo)性的原因。很多現(xiàn)有的理論存在著一些內(nèi)在的矛盾，因此，對(duì)高溫超導(dǎo)現(xiàn)象進(jìn)行更加深入的研究，從而得到更有說(shuō)服力的結(jié)論，是物理學(xué)家面臨的重大挑戰(zhàn)之一。

目前，科學(xué)家還不能完全理解高溫超導(dǎo)體中的偽間隙，不能確定MgB2的超導(dǎo)性的產(chǎn)生機(jī)理。許多國(guó)家的科學(xué)家致力于研究在氧化銅高溫超導(dǎo)體和MgB2中發(fā)現(xiàn)的豐富而復(fù)雜的渦旋行為。第二代涂層導(dǎo)體可以克服膠帶和電線的某些缺點(diǎn)，具有十分廣闊的前景[2]。利用這些導(dǎo)體，我們可以生產(chǎn)一些較為精密的設(shè)備，如SQUID和微波濾波器等。在不久的將來(lái)，超導(dǎo)體將在許多領(lǐng)域得到大規(guī)模應(yīng)用。

2.高溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用

目前，可以應(yīng)用于生產(chǎn)生活中的高溫超導(dǎo)材料都與氧化銅有關(guān)。不過(guò)，MgB2的性能也十分優(yōu)良，可以用于制作高質(zhì)量的帶材和電線，其應(yīng)用前景十分廣闊。實(shí)際上，人們對(duì)高溫氧化銅超導(dǎo)體寄予了很高的希望。這是因?yàn)椋旱獪囟认碌闹评涑杀痉浅５?。然而，我們?duì)這種新型超導(dǎo)體的特性的理解還不夠深入，而且這種新型超導(dǎo)體的性能也不夠理想。科學(xué)家們希望找到一種室溫超導(dǎo)體，從而降低制冷成本，并簡(jiǎn)化設(shè)備的構(gòu)造。目前，科學(xué)家面臨的最大問(wèn)題是材料科學(xué)問(wèn)題，很多 HTS具有各向異性，超導(dǎo)電流只能沿著CuO2平面流動(dòng)，因此，很難確保成品器件中的所有晶粒的定向都是正確的。在晶界處聚集的雜質(zhì)會(huì)對(duì)晶間電流產(chǎn)生一定的影響[3]。此外，一些陶瓷的機(jī)械性能非常不理想，它們非常脆并且難以成形。

2.1 強(qiáng)電方面的應(yīng)用

2.1.1 超導(dǎo)磁體

超導(dǎo)磁體就是用超導(dǎo)導(dǎo)線制作的磁體。我們通常會(huì)使用外部電源為其供電，使其產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)。這種工作方式使我們可以方便、快捷地對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，也提升了工作中的安全性，避免生產(chǎn)安全事故的發(fā)生。需要注意的是，目前我們現(xiàn)有的高溫超導(dǎo)材料，在常溫下并不具有超導(dǎo)特性。只有在低溫下，超導(dǎo)線才可以無(wú)電阻運(yùn)行。不過(guò)，在工業(yè)、科研及醫(yī)療領(lǐng)域，超導(dǎo)磁體已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。

1973年，美國(guó)的勞特伯發(fā)表了世界上第一張核磁共振圖像，當(dāng)時(shí)的人們認(rèn)識(shí)到，核磁共振技術(shù)可以運(yùn)用于人體組織成像，從而為疾病的診斷提供依據(jù)。

磁共振成像(MRI)的原理非常簡(jiǎn)單。原子核在磁場(chǎng)作用下，會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。當(dāng)撤去磁場(chǎng)時(shí)，它們又會(huì)恢復(fù)無(wú)序狀態(tài)，它們的磁矩將經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，恢復(fù)為0。測(cè)量這段“恢復(fù)時(shí)間”，有助于我們了解組織的病變情況。

為保證磁場(chǎng)是均勻的，人們需要尋找性能更優(yōu)越的、可以安全地在超高磁場(chǎng)中工作的超導(dǎo)材料。一些新型高溫超導(dǎo)材料能夠基本滿足這些要求。在利用高溫超導(dǎo)磁體的過(guò)程中，科學(xué)家也應(yīng)不斷改進(jìn)設(shè)計(jì)，從而提升高溫超導(dǎo)磁共振設(shè)備的性能。將主磁體設(shè)計(jì)為六線圈結(jié)構(gòu)，可以大大提高磁場(chǎng)的均勻度，提升檢測(cè)所獲得圖像的清晰度，使檢測(cè)結(jié)果更加可靠[4]。此外，超導(dǎo)磁體還可以通過(guò)超導(dǎo)開關(guān)形成閉環(huán)電流，提高電流的穩(wěn)定性?？茖W(xué)家應(yīng)當(dāng)致力于改進(jìn)高溫超導(dǎo)設(shè)備的設(shè)計(jì)，助力醫(yī)學(xué)工程學(xué)及醫(yī)學(xué)影像學(xué)的發(fā)展。

然而，磁共振成像的應(yīng)用過(guò)程中，人們?nèi)匀幻媾R著一系列的問(wèn)題。首先，圖像的分辨率還是不夠高，不能滿足部分疾病的臨床診斷要求。其次，超導(dǎo)磁體在工作過(guò)程中還不夠穩(wěn)定，其提供的磁場(chǎng)也容易受到外界環(huán)境的干擾。再次，掃描時(shí)間較長(zhǎng)，這對(duì)患者的配合度有一定要求。最后，當(dāng)儀器出現(xiàn)故障時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致超導(dǎo)磁體的電阻升高，產(chǎn)生大量熱量，使磁體的使用壽命大大縮短。此外，產(chǎn)生的熱量可能會(huì)損害設(shè)備的其他部分，造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。尋找性能更好的高溫超導(dǎo)材料，可能是解決這些問(wèn)題的最佳途徑。

2.1.2 超導(dǎo)電纜

傳統(tǒng)電纜的直徑較大，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，超導(dǎo)電纜的結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，能量損耗更小。一些超導(dǎo)電纜已經(jīng)在生產(chǎn)和生活中得到了廣泛的應(yīng)用。在哥本哈根和底特律的一些變電站，科學(xué)家利用液氮將電纜冷卻至超導(dǎo)溫度，這些電纜中傳輸?shù)碾娏魇峭亓裤~電纜的72倍[5]。盡管超導(dǎo)電纜的制造成本較高，但是其超強(qiáng)的載流能力，對(duì)提高城市的輸電效率有著十分重要的意義。這些超導(dǎo)電纜還可以用作大型超導(dǎo)磁體系統(tǒng)的一部分，它們橫截面很小，但載流量卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于銅的載流量，這大大降低了傳輸過(guò)程中的能量損失。不過(guò)，如何實(shí)現(xiàn)失超信號(hào)的檢測(cè)，是一個(gè)十分重要的問(wèn)題。在超導(dǎo)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)實(shí)現(xiàn)失超保護(hù)，可以延長(zhǎng)超導(dǎo)設(shè)備的壽命，避免安全事故的發(fā)生。因此，工程學(xué)家應(yīng)當(dāng)致力于設(shè)計(jì)可靠的失超檢測(cè)與保護(hù)系統(tǒng)，從而更好地保護(hù)超導(dǎo)設(shè)備。

2.2 弱電方面的應(yīng)用

弱電方面的應(yīng)用主要體現(xiàn)在信息技術(shù)中，這些器件主要依賴于超導(dǎo)體的特殊性能，尤其是約瑟夫森量子隧道效應(yīng)。YBCO（YBa2Cu3O7x）是用于此目的的最常用的超導(dǎo)體，因?yàn)樗哂泻芨叩呐R界溫度（～92K），并且可以承載高電流密度。TBCCO（Tl2Ba2CaCu2Oy）（Tc≥100K）的應(yīng)用也十分廣泛，它們?cè)谖⒉ㄍㄐ胖邪l(fā)揮著重要的作用。盡管這些材料的制備工藝仍很復(fù)雜，但它們的性能十分理想?？茖W(xué)家應(yīng)當(dāng)對(duì)這些材料的性質(zhì)進(jìn)行更深入的研究，從而不斷改進(jìn)制備方法，降低其制備成本[6]。

主要的小型HTS設(shè)備可分為超導(dǎo)量子干擾設(shè)備（SQUID）、微波濾波器及諧振器。此外，HTS還可以應(yīng)用于NMR光譜儀中的低噪聲感測(cè)線圈的制作，該線圈由螺旋形線圈和輻射探測(cè)器組成，超導(dǎo)材料的應(yīng)用，將極大地提升線圈的性能。

通常來(lái)講，SQUID器件包含帶有一個(gè)或多個(gè)約瑟夫森結(jié)的超導(dǎo)體材料環(huán)。當(dāng)流入SQUID的電流超過(guò)約瑟夫森結(jié)的臨界電流時(shí)，環(huán)內(nèi)會(huì)出現(xiàn)與通過(guò)環(huán)的磁通量成正比的電壓。SQUID還可以用作磁通量及與磁通量相關(guān)的物理量的檢測(cè)。超導(dǎo)磁力計(jì)的靈敏度比傳統(tǒng)設(shè)備高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，并且可以檢測(cè)極小的磁場(chǎng)。工程學(xué)家不斷改進(jìn)SQUID磁力計(jì)設(shè)備的設(shè)計(jì)從而提高其性能。SQUID可以用于生物磁場(chǎng)的探測(cè)。利用SQUID，我們可以得到腦磁圖（MEG）和心磁圖（MCG），從而評(píng)估人體的健康水平。地磁測(cè)量是SQUID的另一重要應(yīng)用。我們可以利用SQUID，對(duì)大地磁場(chǎng)進(jìn)行精確的測(cè)量，從而分析礦藏的主要成分及其分布。此外，在材料科學(xué)領(lǐng)域，科學(xué)家可以利用SQUID測(cè)試新材料的磁物理特性。在半導(dǎo)體行業(yè)，我們可以應(yīng)用掃描SQUID顯微鏡來(lái)測(cè)試芯片封裝的質(zhì)量。

在電信領(lǐng)域，我們可以應(yīng)用HTS制作小型設(shè)備，如微波濾波器等。在這些小型器件中，超導(dǎo)體可以用于制作微帶，將超導(dǎo)體襯于金屬腔體內(nèi)部，將極大地提升設(shè)備的性能。與傳統(tǒng)的濾波器相比，HTS濾波器對(duì)不同頻率的波的選擇性更好。在衛(wèi)星通信中使用這些濾波器，可以大大減輕設(shè)備的重量，減小設(shè)備的體積。此外，這些濾波器的損耗和噪聲系數(shù)也低于傳統(tǒng)的濾波器，因此，設(shè)備的功耗將大大下降，傳輸容量也將大大提高?？梢哉f(shuō)，高溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用，將在通信領(lǐng)域掀起一場(chǎng)變革。

3.結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，超導(dǎo)材料領(lǐng)域不斷取得重大突破。目前，高溫超導(dǎo)材料正從研究階段向應(yīng)用階段轉(zhuǎn)變。然而，我們目前還面臨著一系列挑戰(zhàn)。如果我們要在強(qiáng)電領(lǐng)域應(yīng)用高溫超導(dǎo)體，就需要解決一系列的材料科學(xué)問(wèn)題。應(yīng)用高溫超導(dǎo)材料的設(shè)備必須能夠承載更大的電流，在一些情況下，電流密度可能會(huì)超過(guò)遠(yuǎn)高于104A/cm2，這對(duì)設(shè)備的線路提出了很高的要求。此外，這些設(shè)備必須在極高強(qiáng)度的磁場(chǎng)中工作。傳輸電纜的磁場(chǎng)約0.2T，發(fā)電機(jī)則需要4T或更高的磁場(chǎng)。如何保證設(shè)備在高磁場(chǎng)中的正常工作，是一個(gè)十分重要的問(wèn)題。如何改善脆性陶瓷超導(dǎo)材料的性能，是另一個(gè)十分重要的問(wèn)題，科學(xué)家應(yīng)當(dāng)嘗試提高脆性陶瓷超導(dǎo)材料的機(jī)械性能，使其在發(fā)生形變后仍保持超導(dǎo)狀態(tài)。隨著科技的發(fā)展，這些問(wèn)題有望在幾年內(nèi)得到解決。因此，未來(lái)的10年，將是高溫超導(dǎo)材料產(chǎn)業(yè)化的10年。超導(dǎo)技術(shù)將應(yīng)用于許多領(lǐng)域，使生產(chǎn)更加高效，提升企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。