超导体应用

热词摘录平方公里阵列射电望远镜(SKA)在中国天眼(500米口径球面射电望远镜,FAST)仍在领跑射电天文望远镜,为世界天文探测做重要贡献之时,科学家们已经在着手研制下一代超级射电天文望远镜———平方公里阵列射电望远镜(squarekilometrearray,SKA)。SKA是多国合作、共同出资的国际大科学工程,中国为SKA项目的主要参与国之一。SKA选址在澳大利亚、南非及非洲南部8个国家的无线电宁静区域,设计的频率范围在50MHz~15GHz,由低频阵列(130万只对数周期天线)、中频阵列(250个致密孔径阵列)和高频阵列(2500只15米蝶形天线)组成,最长基线为3000千米,计划于2030年建成。SKA将探索“宇宙第一缕曙光冶、搜索脉冲星、探测引力波、检验暗物质和暗能量特性、寻找地外文明和适合人类居住的星球……荫SKA是人类迄今为止计划建造的最宏伟的天文观测设备,汇集了天文学、无线电、信息、通信、计算机、机械制造等领域的最新科技成果,将对自然科学和人类文明做出划时代的重要贡献。SKA将承载射电天文学未来50年的发展命脉,有望克服包括FAST在内的单口径射电望远镜的缺陷和不足,同时希望获得更高的灵敏度、更大的视场、更高的频率、更高的空间分辨率、更高效的巡天能力等。———《从FAST到SKA科学家揭秘下一代超级射电天文望远镜》(新华网,2018年5月30日)荫2018年2月6日,由中国主导研制的国际大科学工程“平方公里阵列射电望远镜冶(SKA)首台天线,在中国电子科技集团公司第54研究所启动。它的成功研制,标志着中国在SKA核心设备研发中发挥引领和主导作用,在国际大科学工程中,为世界成功提供“天线解决方案冶。SKA始于20世纪九十年代初,是国际天文界计划建造的世界最大综合孔径射电望远镜,也是人类有史以来建造的最庞大天文设备。———《世界最庞大天文设备SKA首台天线在华诞生》(人民网,2018年2月6日)荫SKA是下一代最先进的射电望远镜,是宏伟科学目标驱动的望远镜。它的科学目标是要在宇宙中寻找致密天体,检验引力理论、探测引力波,宇宙中的第一缕曙光,生命摇篮计划(寻找地外文明),星系演化,宇宙结构(暗物质和暗能量性质),宇宙磁场起源,探测未知世界等。———《射电天文望远镜:FAST与SKA》(搜狐科技,2018年5月29日)高温超导体2018年3月5日,《自然》(Nature)期刊连发两篇文章:将两层只有原子厚的石墨烯以特别的角度(1.1度,被称为“魔角冶)偏移时,材料就能在零电阻下导电。尽管该系统仍然需要被冷却至1.7K(1.7开尔文,约零下271摄氏度),但结果表明了它或许可以像已知的高温超导体那样导电。一旦该结果被确认,此次的发现对于理解高温超导电性至关重要。这一发现引起物理学界的热烈反响,而文章的第一作者为年仅21岁的中国人———留学美国麻省理工学院的博士生曹原———这也令国人颇为关注与振奋。说到高温超导体,需要先解释什么是超导体。超导体指的是在一定条件下(临界温度、临界磁场和临界电流密度构成的临界曲面所包围区域内),直流电阻突然为零,且成为完全抗磁性的物质。自1911年第一个超导体———金属汞被发现存在4.2K的超导电性以来,大量单质和合金超导体被发现,但它们的超导临界温度都很低,成本十分昂贵。高温超导体是超导临界温度一般高于25K(-248益)的一类超导体,可见“高温冶只是相对而言。已发现的高温超导材料有铜氧化物和铁基超导体等。2015年,德国科学家宣称在97中国科技术语/2018年摇第20卷摇第3期硫化氢中发现了203K的高温超导,但需要在200GPa(200万个大气压)的条件下才能实现。已发现的高温超导体应用起来存在许多技术难度,而且其物理性质极其复杂,难以被现有理论框架解释。寻找新型的高温超导体,以至常压下的实用型常温超导体,是科学家们探索的目标。荫物理学家不断地想要找到高温超导材料,以应用在日常生活之中。然而,大多数材料只有在接近绝对零度时,才会转变为超导体。即使是所谓的“高温冶超导体也只是在相对意义上的:目前零电阻导电的最高温度约为-140益。如果有哪种材料能够在室温下表现出超导电性,就可以为能量传输、医用扫描仪和交通领域带来革命性的改变。———《石墨烯研究的意外发现,是否能解开高温超导之谜》(搜狐科技,2018年3月7日)荫与低温超导材料相比,高温超导新材料能在较高温度下达到“零电阻冶,在电力能源、高端医疗、高速交通、大科学仪器、军工等领域有着广泛的应用前景。———《打响四个品牌|上海超导:打破垄断闯出“中国创造冶路》(新民晚报,2018年5月8日)荫研究人员表示,当第二层石墨烯相对于第一层发生扭曲时,当满足1.1度的“魔法角度冶,并且温度降低到1.7开尔文(约-271益)以下时,双层石墨烯即可实现超导。令人惊讶的是,Jarillo-Herrero及其同事介绍,通过利用电场去除电子,这种双层石墨烯材料也可以成为绝缘体。与绝缘体的密切关系可以说是某些类型高温超导体所共有的特性,虽然它们仍然需要冷却,但已经能够在比其他超导体温度高出很多的情况下发挥作用。———《掖自然业:扭曲后的双层石墨烯“千层糕冶,可以在低温下实现超导》(百家号,2018年3月9日)间质组织2018年3月27日,美国的一个科研团队在《科学报告》(ScientificReports)杂志上发表了题为《人体组织中一种新的间质组织结构及其分布》的论文,随即美国全国广播公司(NBC)和美国有线电视新闻网(CNN)新闻分别发布题为《间质:科学家发现人体新器官》和《新发现人体最大器官》的头条新闻,并迅速在世界各地掀起一股“新器官冶报道狂潮。这一消息一度登上热搜榜首,“最大器官冶“经络证据冶等说法引起热议。其实,间质的概念早在1954年就有过报道。细胞间质就是细胞之间的物质,是人体细胞所生活的液体环境。有人提出间质组织与中医三焦的论述有相通之处。此次研究者的论文原文中也没有“新器官冶的提法,研究的贡献在于,用新的技术方法比以前更客观地了解到皮下和内脏原有间质组织的结构,并为癌症等疾病的诊断提供一些参考依据。新器官等提法与媒体的误读和夸大不无关系。荫这些间质组织位于皮肤之下,以及肠道、肺部、血管和肌肉内部,并连接在一起形成由强大的柔性蛋白质网支撑的网络,其间充满了液体。研究人员在《科学报告》杂志上撰文,首次将间质组织归为新器官,并对其功能进行了研究。———《科学家发现人体新器官间质组织》(科技日报,2018年3月30日)荫这篇文章的“新冶并不在于“发现新器官冶,而是首次采用了一种新的技术方法———激光共聚焦显微内窥镜检测法,观察了一些已存在的组织结构。以往人们观察这些组织时需要先采样再经过一系列处理和染色制作成组织切片再放到显微镜下观察,这些处理过程破坏了间质的原有结构,间质由于失水而变得“干瘪皱缩冶。而激光共聚焦显微内窥镜可以直接对人体组织进行实时观测,不会破坏组织形态,因此间质原本充满流动液体的结构才被完整地呈现在屏幕上。与其说“发现了间质冶,不如说“看清了间质冶更恰当。———《科学家发现了“新器官冶间质?别逗了,这连新发现都不算!》(果壳网,2018年4月4日)(执笔/《中国科技术语》编辑部:魏星)08

超导物理复习题

1)简述超导体的基本性质。

2)为什么在T

３)为什么在T＞Tc时,可认为超导材料的Mn=0, 而T

４)写出一维条件下超导体中的磁场分布函数，并画出一维条件下超导体中的磁场分布曲线，说明超导材料的磁场穿透深度的意义。

５)为什么第二类超导体在混合态时磁场能以磁通线的形式进入超导体内？

6)简述超导转变的微观机理。

7)什么是超导约瑟夫森结？什么是直流约瑟夫森效应？什么是交流约瑟夫森效应？

8)简述超导研究历史中五次诺贝尔奖的获奖人和获奖原因。

9)你从超导研究的发展历史中得到了那些启示？

10)简述一根磁通线的物理结构。

11)超导发展史上重大的发现有哪些？

12)在应用中，高温超导体和低温超导体相比有那些优缺点？

13)简述二流体模型。

14)什么是超导能隙。

15)阐述SQUID的工作原理，其灵敏度范围，举例说明SQUID的应用。

16)What is the London penetration depth and Coherence Length? How to discriminate two kinds

of superconductors (type I and type II)?

17)What are the fundamental properties of a superconductor? What are the main differences

between “HTSC” and classic SC?

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超导体

在温度和磁场都小于一定数值的条件下，许多导电材料的电阻和体内磁感应强度都突然变为零的性质。具有超导性的物体叫做“超导体”。1911年荷兰物理学家卡曼林-昂尼斯（1853～1926年）首先发现汞在4.173K以下失去电阻的现象，并初次称之为“超导性”。现已知道，许多金属（如锡、铝、铅、钽、铌等）、合金（如铌—锆、铌—钛等）和化合物（如Nb3Sn、Nb3Al等）都是可具有超导性的材料。物体从正常态过渡到超导态是一种相变，发生相变时的温度称为此超导体的“转变温度”（或“临界温度”）。现有的材料仅在很低的温度环境下才具有超导性，其中以Nb3Ge薄膜的转变温度最高（23.2K）。1933年迈斯纳和奥森费耳德又共同发现金属处在超导态时其体内磁感应强度为零，即能把原来在其体内的磁场排挤出去；这个现象称之为迈斯纳效应。当磁场达到一定强度时，超导性就将破坏，这个磁场限值称为“临界磁场”。目前所发现的超导体有两类。第一类只有一个临界磁场（约几百高斯）；第二类超导体有下临界磁场Hc1和上临界磁场Hc2。当外磁场达到Hc1时，第二类超导体内出现正常态和超导态相互混合的状态，只有当磁场增大到Hc2时，其体内的混合状态消失而转化为正常导体。现在已制备上临界磁场很高的超导材料（如Nb3Sn的Hc2达22特斯拉，Nb3Al0.75Ge0.25的Hc2达30特斯拉），用以制造产生强磁场的超导磁体。超导体的应用目前正逐步发展为先进技术，用在加速器、发电机、电缆、贮能器和交通运输设备直到计算机方面。1962年发现了超导隧道效应即约瑟夫逊效应，并已用于制造高精度的磁强计、电压标准、微波探测器等。近两年来，中国、美国、日本在提高超导材料的转变温度上都取得了很大的进展。1987年研制出YBaCuO体材料转变温度达到90～100K，零电阻温度达78K，也就是说过去必须在昂贵的液氦温度下才能获得超导性，而现在已能在廉价的液氮温度下获得。1988年又研制出CaSrBiCuO体和CaSrTlCuO体，使转变温度提高到114～115K。近两三年来，超导方面的工作正在突飞猛进。

YBCO超导体的电工学应用研究进展

1 引言

超导体具有零电阻、高密度载流能力、完全抗磁性(迈斯纳效应)、超导态—正常态转变等电磁特性，这些特性使得它完全区别于传统电工导体和电工磁性材料，因而在电工学领域具有广泛的应用价值(表1)。

1987 年及其后多年发现了系列液氮温度以上的高温超导体(主要包括YBCO、BSCCO、TBCCO、HgBCO 等)，引起了世界范围内对高温超导体电工学应用研究的广泛兴趣。20 世纪90 年代中后期以来，基于BSCCO 的高温超导带材(主要包括BSCCO-2223 和BSCCO-2212 两种)逐渐形成了小批量生产的能力，使得超导电力技术研究得到了飞速的发展。目前，超导电力电缆、超导限流器、超导储能系统、超导变压器等已经全面实现了示范运行，超导电动机和超导发电机样机也研制成功；同时，首座超导变电站也研制成功并投入电网进行示范运行。

YBCO带材潜在的制备成本更低、机械强度高、且在液氮温度具有更高的不可逆场(图1)，YBCO 块材在磁悬浮领域亦具有重要应用价值，因而YBCO

超导体比BSCCO 更具电工学应用价值。今年恰逢YBCO超导体发现30 周年，因此本文重点介绍近年来YBCO超导体的电工学应用研究进展。

2 YBCO 块材和带材的研究进展

2.1 YBCO 高温超导块材

YBCO超导体是一种陶瓷材料，用常规陶瓷烧结工艺制备的YBCO超导体是由许多细小的晶粒组成，在整体上表现为弱连接的颗粒超导性；YBCO超导体又是一种各向异性材料，结晶取向无规则的烧结体不可能具有高临界电流密度(Jc)，而且Jc在磁场下急剧下降，无法达到实际应用的要求。1988

年，AT&T贝尔实验室的S. Jin 等人报导了一种称为熔融织构生长(MTG)工艺制备YBCO超导块材的方法，用该方法制备的YBCO超导块材的密度大于烧结材料，减少了弱连接，同时显示出明显的c 轴择优取向，Jc比烧结材料要高出1—2 个数量级，在77 K温度和自场条件下达到104 A/cm2 的量级，而且Jc 随外场的变化不大。在此基础上，一系列改进的熔化生长工艺相继被报导，生长“单畴”超导块材成为发展方向。