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铜基超导:引领高温超导研究
  超导材料必须在一定的温度以下才会产生超导现象,这一温度称为临界温度。截止到2008年之前,人们发现的超导材料主要有四大家族:金属和合金超导体、铜氧化物超导体、重费米子超导体和有机超导体。其中1986年以来发现的铜氧化物超导体因其具有40 K(273 K对应0摄氏度,40 K即-233摄氏度)以上的超导临界温度又称高温超导体,40K的温度称为麦克米兰极限温度,是经典的超导BCS理论(由其发现者巴丁(J.Bardeen)、库珀(L.V.Cooper)施里弗(J.R.Schrieffer)的名字首字母命名)预言的超导体的极限转变温度。
  卡末林·昂内斯将汞冷却到4.2K才发现超导现象的,这是一个极低的温度,无疑在这样的温度是不可能得到推广应用的。所以从超导现象发现的第一天起,科学家们就一直朝着室温超导而奋斗。
  1986年初,两名欧洲科学家发现以铜为关键超导元素的铜氧化物超导体,转变温度高于40K,因而被称为高温超导体。这一年的9月份,赵忠贤坐在物理所图书馆中翻阅着最新一期的《物理学杂志》杂志。当读到了贝德诺兹和缪勒发表的文章时,他陷入了长时间的思考。他认为缪勒的想法是有道理的,就是要充分利用材料结构的不稳定性来实现高温超导。10月中旬,赵忠贤便与物理所其他科研人员合作,开始了铜氧化物的超导体研究工作。仅用了两个月的时间,赵忠贤的研究组在锶镧铜氧中实现了起始温度为48.6K的超导转变。紧接着,在第二年的2月19日,赵忠贤等人又在钇钡铜氧中发现了起始温度高于100K,中点温度为92.8K的超导转变。在此之前,世界上一切超导研究都必须采用昂贵并难以使用的液氦来使超导体达到转变温度,这对超导研究形成了巨大的障碍。赵忠贤团队是使用便宜而好用的液氮来达到超导转变温度的,这一方法为超导研究开辟了一片崭新的天地,其团队也因此荣获了1989年国家自然科学一等奖。
  除了传统的金属及合金超导体和铜氧化物超导体外,人们还在其他许多材料中发现了超导电性,诸如重费米子超导体、超晶格超导体、有机超导体、磁性超导体、多带超导体等,在其他金属氧化物如钛氧化物、铌氧化物、钌氧化物、钴氧化物等材料中同样发现了超导电性,只是这些超导体的临界温度不如铜氧化物高,但是在这些超导体中发现丰富而奇异的物理性质同样引起许多科学家的兴趣。
  经过近30年的努力,铜氧化物高温超导材料的质量和性能也不断提高,而为研究其物理性质的诸多实验手段本身也取得了显著进步并观察到了许多新奇的物理现象。令人颇感失望的是,人们发现铜氧化物高温超导体很难得以大规模应用。因为这类材料本身属于陶瓷材料,在柔韧性和延展性上都远远不如金属材料,在材料机械加工等许多方面存在严重的困难;更重要的是其可以负载的最大电流相对较低,无法在一些需要高电流强磁场的领域应用。尽管应用铜氧化物高温超导体在高敏感磁信号探测和微波通讯等方面取得了重大的进展,但作为超导最直接的应用——超导输电线、超导强磁体和超导磁悬浮等方面,铜氧化物材料仍然不是首选。为了验证对铜氧化物超导问题的理解和认识并进一步推动高温超导应用的前进,人们寄希望于找到其他可以和铜氧化物的临界温度相比拟甚至更高的超导材料。
“强壮”的铜基超导
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