超导材料概述与应用进展1911年，昂尼斯在莱顿大学研究低温下金属的电阻时观察到了一个非常意外的现象，汞的电阻在4.2K时突然减小到无法测量，此现象被称为超导现象，这是人类第一次观测到这种现象。把物质所处的这种状态叫超导态，能够实现这种状态的物质叫超导体，超导体要实现超导态时的温度称为超导体的临界温度Tc，它是超导材料研究的一个重要临界参量。超导是人类发现的最神奇的现象之一，它的发现为人类认识自然、探索自然规律提供了丰富的研究手段与理论参考。超导技术已广泛运用于各种实用化产业与研究领域，如超导磁悬浮列车、超导电机、无摩擦的超导轴承及超导量子干涉仪等。l00年来，人们对超导的研究从未停止。1．超导体基本性质1.1零电阻性超导体中的传导电流的超导电子是结合成对的，叫Cooper对。Cooper对不能互相独立地运动，而只能以关联的形式作集体运动，当某一电子对受到扰动，就要涉及到这个电子对所在空间范围内的所有其它电子对。这个范围内的Cooper对，在动量上彼此关联成为有序的集体，因此超导电子对在运动时就不像其它正常电子那样，被晶体缺陷和振散射产生电阻，从而呈现零电阻现象。1.2完全抗磁性在临界温度以下处在外磁场中的材料内部磁场强度为零。BCS理论认为，正是由于超导电子Cooper对的关联效应，使外磁场很难进入，从而导致了Meissner效应。1.3Josephson效应(Cooper对的隧道效应)对于超导体-绝缘层一超导体互相接触的结构(s—I-S结构)，当绝缘层的厚度只有几十埃时，超导体内的电子对就有可能穿透绝缘层势垒形成电流，而隧道结两端没有电压即绝缘层也成了超导体。此时发生的量子力学隧道效应称为“Josephson效应”。过去十余年中，在国家863专项计划、国家重点研究基础计划和各地方科技计划的支持下，我国在超导技术领域的研究能力大大加强，取得了一系列的科研成果。目前我国在超导技术领域与国际先进水平的差距正在缩小，形成了具有一定规模的超导技术产业，增强了我国在超导技术领域的国际竞争力。2．超导材料2．1超导元素迄今，科学家发现在常压下有28种元素可实现超导态，如钨的临界温度为0.012K，锌为0.75K，铝为1.196K，铅(Pb)为7.193K，其中铌(Nb)的Tc最高，为9.26K。其中，应用价值最大的是Nb和Pb，已用于高Q值谐振腔、制造交流多相超导电缆等。2.2超导合金及化合物超导元素与其他元素结合制成超导合金或化合物，可以使超导材料的临界温度提高。例如，铌钛合金NbTi，其Tc为9．3K，铌锆合金(NbZr)，Tc=10．8K，NbSn，Tc=18．1K。到目前为止，Tc最高的超导化合物是Nb3Ge，Tc=23．22K。NbTiflNbSn是目前最实用的超导材料，主要用作超导电机、超导储能、探测器、医用核磁共振仪、等离子体磁约束及高能物理的加速器等。2001年，日本的J．NagamatSU等人发现一种很简单的化合物MgB，，具有39K的超导转变温度2.3超导陶瓷超导材料以其特殊的性能被广泛应用的同时，科学家发现，超导元素和超导合金只存在于温度极低的液氦条件下，极大地限制了超导材料的应用。从超导元素、超导合金、超导化合物等的不同阶段的研究，将Tc从Hg的4．2K提高~lJNbGe的23．22K，一直没有太大进展。直到1986年，超导材料的研究取得了重大的突破，美国IBM公司设在瑞士苏黎世实验室的德国物理学家柏诺兹和瑞士物理学家缪勒通过用Ba、sr或ca替代La，CuO中的La”，发现了Tc超过了30K的铜氧化物超导体，超过了BCS理论预言最高临界温度。随后，日本东京大学工学部又将Tc提高~137K；12月3O日，美国休斯敦大学宣布，华裔科学家朱经武又将临界温度提高到40．2K。柏诺兹和缪勒因为他们开创性的工作而获得了1988年的诺贝尔物理学奖，掀起了以研究金属氧化物陶瓷材料为对象，以寻找高临界温度超导体(高温超导体)为目标的“超导热”。目前超导陶瓷主要包括铜基氧化物超导体和铁基氧化物超导体2.3.1铜基氧化物超导体1987年初，中国科学院物理研究所的赵忠贤、陈立泉领导的研究组，获得了48.6K的LaSrCuO超导体。同年2月美国和中国相继报道了Tc超过了98K的超导体，这种材料就是钇、钡、铜和氧的化合物(YBa2Cu3O7-δ)，此后对超导材料的研究主要是以Y系超导体展开的。3月北京大学成功地...
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