高温超导研究的新进展

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Ｉ￣ｔ　ＩＮ’ＩＮＳＩＧＨＴ　

实用化高温超导带材的应用进展　

■文／夏芳敏　王醒东　

富通集团有限公司　富通集团（天津）超导技术应用有限公司　

随着制冷技术及相关配套设备　

的发展，高温超导技术已成为节能环　

保领域重要的发展方向之一。高温超　

导材料是高温超导技术发展的基础，　

同时高温超导技术的开拓也会带动高　

温超导材料的发展。高温超导技术潜　

在的市场前景及巨大的应用价值将推　

动高温超导材料的产业化。基于超导　

材料的“零电阻性”及高载流能力，高　

温超导材料已在强电领域得以示范应　

用。高温超导材料在强电领域的应用　

主要体现在以下几个方面：　

①输电电缆。传统电缆在进行电　

力输送时，有６％～８％的电能在输送　

时以热能的形式损耗。２０１３年上半年，　

我国发电量约２４　３４２亿ｋＷｈ，则至少　

有１　４６０．５２亿ｋＷｈ的电能白白浪费。　

如将范围拓展至全世界，浪费的电量　

将不可想象。如将高温超导材料应用　

圜Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　于输电电缆（称为高温超导电缆），则　

其系统整体损耗仅相当于传统输电电　

缆的４０％，且传输容量数倍于传统电　

缆，有效地提高了电能的利用率，降低　

了占地空间。　

②超导限流器。电力系统的高速　

发展使电网发生过流或短路的几率增　

加。一旦系统发生故障，巨大的电流将　

产生大量的热，可能损坏相关电力设　

备，影响电网的稳定性，因此必须有效　

限制电力系统中的过流。目前电网中　

使用六氟化硫（ｓＦ　）作为断路器“’　，　

在电网发生过流时直接断开故障电　

路。但这种断路器断开后只能被动复　

位，且容量基本已达极限，已不能满足　

电网扩容的需要。使用超导限流器不　

仅可以对电网过流进行有效抑制，还　

具有主动复位功能，有助于提高电网　

的稳定性。　超导电缆与超导限流器已成为　

高温超导材料在强电领域最主要的应　

用。此外，高温超导材料还可应用于变　

压器、电动机和电流引线等装置。高温　

超导材料使用形式多样，而带材是其　

高温超导研究的新进展

高温超导是指在较高温度下（通常指大于液氮温度77K），某些材料的电阻率突然降至很低甚至为零，成为一种具有重大科学意义和广泛工程应用前景的现象。近年来，高温超导研究在材料科学、物理学以及能源等领域取得了不少重要进展。

一、高温超导研究历程

高温超导现象最早是由荷兰物理学家康斯坦提·欧恩斯（K.

Alex Müller）和瑞士物理学家约翰·乔治·贝德诺兹（J. Georg

Bednorz）于1986年在锗铁酸钡（BaLaCuO）的研究中发现的。这一现象一度被认为是科学界的“圣杯”，但是长期以来一直没有得到有效的解释以及简单的制备方法。

二、新的突破和发现

1. 单层LaNiO3对CuO2平面中的动力学有限制效应

在2021年，《自然·物理学》杂志发表了研究员金涛团队的一篇文章，报道了单层LaNiO3对铜氧平面中的超导动力学有限制效应。他们在CuO2平面上叠加了LaNiO3单层，发现这种单层LaNiO3可以抑制CuO2平面中的电子运动，从而限制了氧空位的移动，降低了超导的温度。这项研究为超导体的材料设计提供了新思路。

2. 发现新型铁基超导体

2019年，清华大学物理系学者熊经平等人发现了一种新型铁基超导体KFe2As2，其临界温度达到了55K，创造了铁基超导材料的新纪录。熊经平教授认为这种新型铁基超导体的发现为研究人员提供了一个新的研究方向。

3. 《科学》杂志报道发现新型高温超导体

3月25日，《科学》杂志发表题为“结构相变驱动高温超导”的研究论文，其中报道了一种新型高温超导体，该超导体的临界温度达到了50K，使得此类材料的发现人们对超导现象的理解有了更深刻的认识。

三、高温超导研究的未来

高温超导材料的研究早已走上了多样化的路线，有人从传统的寻找新的高温超导材料的角度出发，不断地开展材料的模拟探究；也有人从理论的角度入手，理解高温超导现象的本质以及对其他重要性质的影响；更有人致力于发展高温超导材料的技术，使得它在能源等领域得到广泛的应用。

新型高温超导材料的研究与开发

随着现代科技的不断发展，人们对于能源和材料的需求也越来越大。其中，高温超导材料是当今材料领域的重要研究方向之一。高温超导材料具有很强的超导性能和特殊的电磁特性，可以应用于能源传输、医学成像、磁悬浮列车以及核聚变等领域。本文将介绍新型高温超导材料的研究与发展现状。

一、什么是高温超导材料？

高温超导材料是指在相对较高的温度下（一般指液氮（77K）以下）具有良好的超导性能的材料。与传统的低温超导材料相比，高温超导材料具有更大的应用潜力和更广阔的应用领域。目前，最为常见的高温超导材料包括氧化物超导体和铜基超导体。

二、高温超导材料的研究历程

高温超导材料的研究起源于20世纪80年代初期，当时人们发现了第一种高温超导材料——铜氧化物超导体。自此以后，高温超导材料的研究就快速推进。随着研究的深入，人们发现了更加复杂的超导机制，这些机制不仅与材料的结构有关，还和材料之间的相互作用有关。

近年来，随着物理实验技术的不断进步，高温超导材料的研究也越来越深入。比如，2006年瑞士科学家在氧化物超导体中发现了具有铁原子的晶格结构，这使得超导材料的研究迈出了重要的一步。

三、新型高温超导材料的研究与开发现状

目前，高温超导材料的研究领域已经逐渐深入到了新材料开发的层面。近年来，国内外许多大型企业和科研机构开始开展针对高温超导材料的研究和开发工作。这些工作的重点在于发掘新的高温超导材料，提高材料的综合性能和可制备性等方面。

目前，国内外的高校和科研单位在高温超导材料的研究方面取得了一些重要的突破。比如，南京大学的陆海峰教授团队在2015年研发出一种基于钇钴铜氧化物的高温超导材料，其超导转变温度高达125K，为目前各类高温超导材料中超导转变温度最高的一种。

同时，在国外，美国、德国、日本等国家的科研机构也在高温超导材料的研究方面取得了一些积极的成果。比如，美国资深物理学家保罗·谢勒（Paul Chu）在80年代首次发现高温超导材料时，引领了高温超导材料的发展。

高温超导研究面临的挑战

1引言

高温超导是20 世纪最伟大的发现之一，这项发现不仅为超导的应用开辟了新的方向，同时也为我们揭示了一个新的微观量子世界，向传统的固体量子理论提出了挑战。其中最具挑战性的问题，就是高温超导机理问题，这也是上个世纪遗留下来，未解决的重要科学问题之一。

超导现象最早是由昂纳斯(Onnes)等在1911 年发现的。第一个超导微观理论是1957 年由巴丁(Bardeen)、库珀(Cooper) 和施里弗(Schrieffer)(BCS)三位科学家建立的。他们的理论对金属或合金超导体的物理性质给出了非常漂亮的解释。

在BCS理论中，超导是由于固体中电子在某种吸引相互作用下形成具有一定玻色子特性的束缚态(也称为库珀对)，然后凝聚导致的。因此，超导机理的研究，根本上讲，就是要解决以下三个问题：

1. 电子是在什么相互作用的支配下，形成库珀对的？

2. 库珀对是如何形成位相相干、凝聚变成超导长程相干的？

3. 进入超导相后，如何描述超导电子的物理行为？

对于第一个问题，BCS给出了部分回答。他们指出普通金属超导体里面导致电子配对的相互作用是电声相互作用。但是对于铜氧化物高温超导体，BCS理论没有给出答案，我们现在也不知道答案是什么，这也是高温超导机理研究需要解决的一个关键问题。

对于第二个问题，BCS 没有给出系统的回答。在普通的金属超导体中，由于超流密度很大，电子相干性很强，从配对到形成超导长程相干几乎同时发生，基本上是一配对就超导。所以对金属超导体，这个问题没有受到太大的关注。但对高温超导体，超流密度减小，超导相干性减弱，库珀对的相干过程对超导体的性质有很大的影响。电子有可能形成了配对，但未能形成位相相干进入超导态。

对于第三个问题，也就是如何描述超导态电子的物理性质，BCS给出了非常漂亮的答案，其理论框架是完备的。在超导相，电子形成了超导长程序，由于超导电子的物理性质与电子形成库珀对的过程没有太大关系，因此这部分理论无论是在金属超导体中，还是在铜氧化物高温超导体中都成立。只要知道能隙函数的对称性及其在费米面上随动量变化的函数形式，就可以根据BCS理论，对超导体的性质做非常准确的预测。