作為20世紀(jì)最偉大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一，超導(dǎo)體具有零電阻效應(yīng)和完全抗磁性等一系列神奇的物理特性，在科學(xué)研究、信息通訊、工業(yè)加工、能源存儲(chǔ)、交通運(yùn)輸、生物醫(yī)學(xué)乃至航空航天等領(lǐng)域都有著非常重大的應(yīng)用前景，受到人們的廣泛關(guān)注。?

　　自從1911年超導(dǎo)被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，在無(wú)數(shù)聰慧的科學(xué)家推動(dòng)下，超導(dǎo)依舊不斷綻放新的魅力。其中，我國(guó)科學(xué)家就發(fā)現(xiàn)了一系列高于傳統(tǒng)超導(dǎo)體極限臨界溫度的鐵基超導(dǎo)體，使得高溫超導(dǎo)家族再添一員“大將”。那么，這個(gè)鐵基超導(dǎo)有什么獨(dú)特之處呢？超導(dǎo)材料的應(yīng)用前景又有哪些方面呢？今天，我們就去聽(tīng)聽(tīng)鐵基超導(dǎo)的那些事兒。?

　　1987年2月，我國(guó)物理學(xué)家趙忠賢帶領(lǐng)著科研團(tuán)隊(duì)在釔鋇銅氧中成功發(fā)現(xiàn)了這種材料的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變，并通過(guò)使用液氮的方法，為超導(dǎo)研究開(kāi)辟了新天地，方便和加速了全世界的高溫超導(dǎo)研究。?

　　在那一時(shí)期，國(guó)際上經(jīng)常有高溫超導(dǎo)的最新成果發(fā)布，世界范圍內(nèi)逐漸形成了“超導(dǎo)熱”的氛圍。但這之后的20多年時(shí)間里，超導(dǎo)體研究一直停留在銅氧化物領(lǐng)域。這種材料非常脆弱，如果作為輸電纜應(yīng)用，他的延展性與柔韌性并不夠好，因此在大范圍的普及應(yīng)用上仍有一定的困難。特別是在突破了麥克米蘭極限之后，全世界科學(xué)家們對(duì)超導(dǎo)材料的探索又一次陷入了迷茫。?

　　麥克米蘭極限，是物理學(xué)家麥克米蘭根據(jù)傳統(tǒng)理論計(jì)算推斷，超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變溫度不能超過(guò)零下233攝氏度。這個(gè)溫度也被稱為麥克米蘭極限溫度。這個(gè)理論的成立，也就意味著如果想要實(shí)現(xiàn)電阻為零的超導(dǎo)態(tài)，那么必須要有非常低的低溫環(huán)境，這便給超導(dǎo)應(yīng)用帶來(lái)困難。?

　　由于麥克米蘭極限的存在，科學(xué)家們出現(xiàn)了越來(lái)越多的疑問(wèn)。比如，人類對(duì)超導(dǎo)的應(yīng)用是不是只能被限制在零下233攝氏度以下？再或者是麥克米蘭所依據(jù)的傳統(tǒng)理論本身存在缺陷？麥克米蘭極限溫度能否被突破？?

　　為了探索這些問(wèn)題，幾十年來(lái)，世界各國(guó)的科學(xué)家們做了無(wú)數(shù)次嘗試。特別是相對(duì)于麥克米蘭極限所描述的低溫環(huán)境，科學(xué)家們研究超導(dǎo)的美好愿望就是找到零下233攝氏度以上的“高溫”超導(dǎo)。?

　　到了上世紀(jì)90年代中后期，國(guó)際物理學(xué)界大部分人傾向認(rèn)為銅氧化物超導(dǎo)體能給出的信息基本上被挖掘殆盡，通過(guò)銅氧化物超導(dǎo)體探索高溫超導(dǎo)機(jī)理的研究遇到了瓶頸。隨著時(shí)間的推移，超導(dǎo)研究的熱度逐漸降低，很多研究者在數(shù)次碰壁后紛紛轉(zhuǎn)移到其他研究領(lǐng)域。但是物理所和中科大的超導(dǎo)團(tuán)隊(duì)并沒(méi)有轉(zhuǎn)移研究領(lǐng)域，憑借這科學(xué)家精神，仍然堅(jiān)守在實(shí)驗(yàn)室，對(duì)超導(dǎo)材料進(jìn)行著新的探索。?

　　在這期間，趙忠賢帶領(lǐng)著科研團(tuán)隊(duì)持之以恒地做著實(shí)驗(yàn)，無(wú)數(shù)次的制備、觀察、放棄、重新開(kāi)始。終于，這個(gè)“冷板凳”被他們坐熱了，在鐵基高溫超導(dǎo)體的探索上揭開(kāi)了新的篇章。?

　　要知道，在百年的超導(dǎo)研究史中，從來(lái)就沒(méi)有人看好鐵基材料。因?yàn)槌瑢?dǎo)體有兩個(gè)基本性質(zhì)，一是零電阻效應(yīng)，二是完全抗磁性。而鐵自身就具有鐵磁性，所以鐵從來(lái)就不被超導(dǎo)研究者所看好。以前雖然也曾有科學(xué)家用含有鐵成分的材料試驗(yàn)超導(dǎo)，但也就局限于零下270攝氏度左右，離麥克米蘭極限溫度還相距甚遠(yuǎn)。?

　　直到2008年3月，日本的一位科學(xué)家無(wú)意中發(fā)現(xiàn)了有一種材料比較接近麥克米蘭極限溫度，但是由于這種鐵基超導(dǎo)樣品轉(zhuǎn)變溫度只有零下247攝氏度，低于麥克米蘭極限，所以當(dāng)時(shí)的物理學(xué)界還不能確定這種材料是否真的存在高溫超導(dǎo)體。?

　　前面我們說(shuō)過(guò)，世界各國(guó)的物理學(xué)家們都對(duì)含有鐵元素的超導(dǎo)體轉(zhuǎn)變不抱什么希望，但這次借助日本科學(xué)家的發(fā)現(xiàn)，我國(guó)中科院物理所的科學(xué)家根據(jù)自己多年的研究經(jīng)驗(yàn)敏銳地察覺(jué)到，零下247攝氏度的轉(zhuǎn)變溫度對(duì)鐵元素來(lái)說(shuō)已經(jīng)很高了，其中的超導(dǎo)機(jī)制很可能是非常規(guī)的，鐵砷化合物中很可能實(shí)現(xiàn)高溫超導(dǎo)。于是，在新形勢(shì)面前，中國(guó)科學(xué)院物理所做出了科學(xué)的判斷：抓住機(jī)遇，全力以赴！?

　　自從20世紀(jì)80年代以來(lái)，中科院物理研究所就一直在對(duì)高溫超導(dǎo)體進(jìn)行大量的系統(tǒng)性研究，并取得了一系列具有世界先進(jìn)水平的研究成果，獲得了相當(dāng)可觀的積淀，這也就使得大家在面對(duì)鐵基超導(dǎo)體時(shí)顯得游刃有余，再加上研究團(tuán)隊(duì)的團(tuán)結(jié)一心、集思廣益，很快就有捷報(bào)傳來(lái)，大量原創(chuàng)性工作取得了突破性進(jìn)展。?

　　他們突破了麥克米蘭極限溫度，從而證明了鐵基超導(dǎo)體是高溫超導(dǎo)體。研究人員在摻氟的釤氧鐵砷中成功觀測(cè)到了零下230攝氏度的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。很快，他們又用鈰替代釤達(dá)到了零下231攝氏度的轉(zhuǎn)變溫度，同樣超過(guò)麥克米蘭極限。不久之后，他們?cè)趽椒溺捬蹊F砷中觀察到了零下221攝氏度的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，并首次把鐵基超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變溫度提高到零下223攝氏度以上。?

　　對(duì)于這些發(fā)現(xiàn)，美國(guó)《科學(xué)》雜志刊發(fā)了“新超導(dǎo)體將中國(guó)物理學(xué)家推到最前沿”的專題評(píng)述，并評(píng)價(jià)說(shuō)，中國(guó)如洪流般涌現(xiàn)的研究結(jié)果標(biāo)志著，在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域，中國(guó)已經(jīng)成為一個(gè)強(qiáng)國(guó)。?

　　雖然我國(guó)的超導(dǎo)研究，起步比國(guó)際上晚了近50年，但目前來(lái)說(shuō)，在這一領(lǐng)域，我國(guó)已經(jīng)躋身國(guó)際的先進(jìn)甚至領(lǐng)先的行列。2008年底，我國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的鐵基超導(dǎo)體研究被評(píng)為了《科學(xué)》雜志“2008年度十大科學(xué)突破”、美國(guó)物理學(xué)會(huì)“2008年度物理學(xué)重大事件”及歐洲物理學(xué)會(huì) “2008年度最佳科學(xué)發(fā)現(xiàn)”等獎(jiǎng)項(xiàng)。?

　　鐵基高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)是凝聚態(tài)物理的一個(gè)重大突破。它不僅在科學(xué)研究方面意義重大，而且在信息通訊、工業(yè)加工、能源存儲(chǔ)、交通運(yùn)輸、生物醫(yī)學(xué)乃至航空航天等領(lǐng)域均有重大的應(yīng)用前景，所以受到科技界乃至全社會(huì)的廣泛關(guān)注。?

　　也許大多數(shù)人都不知道，其實(shí)超導(dǎo)已經(jīng)或多或少地走進(jìn)了人們的生活。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外相繼研制成功了多種超導(dǎo)材料和超導(dǎo)應(yīng)用器件，超導(dǎo)正在為人類的工作、學(xué)習(xí)和生活提供著便利。?

　　應(yīng)用前景一、超導(dǎo)輸電。?

　　從超導(dǎo)體的特性，我們知道超導(dǎo)體在低溫下可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的零電阻效應(yīng)，這意味著超導(dǎo)線圈可以通過(guò)較大的電流，并且沒(méi)有焦耳熱的產(chǎn)生。如此一來(lái)，科學(xué)家便可以采用超導(dǎo)輸電線進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸電，從而大大降低輸電過(guò)程的電力損失。?

　　目前采用銅或鋁導(dǎo)線的輸電損耗大約為15%，我國(guó)每年的輸電損耗就達(dá)一千億度左右，如果采用超導(dǎo)輸電線就可以節(jié)省相當(dāng)于數(shù)十個(gè)發(fā)電廠的電力。而且，采用超導(dǎo)輸電還可以簡(jiǎn)化變壓器、電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)等熱絕緣并保證輸電的穩(wěn)定性，提高輸電的安全性。?

　　應(yīng)用前景二、超導(dǎo)磁體。?

　　超導(dǎo)磁體，它的原理很簡(jiǎn)單，只需要給閉合超導(dǎo)線圈通上電流，就可以維持比較強(qiáng)的穩(wěn)恒磁場(chǎng)。而常規(guī)穩(wěn)恒磁體想要實(shí)現(xiàn)強(qiáng)磁場(chǎng)，不僅必須采用非常粗的銅導(dǎo)線，把導(dǎo)線泡在水中冷卻，磁體的體積也要特別龐大，而且還需要持續(xù)不斷地通上電流，消耗更多的電能。因此，相比之下，超導(dǎo)磁體具有體積小、穩(wěn)定度高、耗能少等多種優(yōu)勢(shì)。?

　　正因這樣，在生物學(xué)研究和臨床醫(yī)學(xué)上采用的高分辨核磁共振成像技術(shù)大都是采用超導(dǎo)磁體；在科學(xué)研究中一些物理特性測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)恒磁體也是采用超導(dǎo)材料制成的；此外，一些大型粒子加速器的加速線圈通常也是采用超導(dǎo)磁體，例如歐洲大型強(qiáng)子加速器的加速磁體和探測(cè)器都采用了超導(dǎo)磁體。?

　　應(yīng)用前景三、超導(dǎo)磁懸浮。?

　　由于超導(dǎo)體的完全抗磁性，使得磁力線幾乎沒(méi)有辦法進(jìn)入超導(dǎo)體的體內(nèi)，所以當(dāng)科學(xué)家把超導(dǎo)體放在普通磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)中時(shí)，磁力線會(huì)緊緊的包圍在超導(dǎo)磁體周圍，并把超導(dǎo)磁體“固定”在一定的范圍內(nèi)，進(jìn)而達(dá)到了懸浮的效果。?

　　和普通的磁懸浮技術(shù)相比，超導(dǎo)懸浮技術(shù)由于對(duì)超導(dǎo)體的限制作用，不僅可以實(shí)現(xiàn)排斥效果，使它懸浮在普通磁體上空，甚至還可以有“吸引”的效果使它懸浮在普通磁體的下方。?

　　目前超導(dǎo)磁懸浮列車受制于技術(shù)和成本問(wèn)題還不能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，但隨著高溫超導(dǎo)體轉(zhuǎn)變溫度的記錄不斷被刷新，將來(lái)的超導(dǎo)磁懸浮列車有望走進(jìn)人們的生活，提供更為高速、穩(wěn)定和安全的軌道運(yùn)輸。?



關(guān)注【深圳科普】微信公眾號(hào)，在對(duì)話框：
回復(fù)【最新活動(dòng)】，了解近期科普活動(dòng)
回復(fù)【科普行】，了解最新深圳科普行活動(dòng)
回復(fù)【研學(xué)營(yíng)】，了解最新科普研學(xué)營(yíng)
回復(fù)【科普課堂】，了解最新科普課堂
回復(fù)【科普書(shū)籍】，了解最新科普書(shū)籍
回復(fù)【團(tuán)體定制】，了解最新團(tuán)體定制活動(dòng)
回復(fù)【科普基地】，了解深圳科普基地詳情
回復(fù)【觀鳥(niǎo)知識(shí)】，學(xué)習(xí)觀鳥(niǎo)相關(guān)科普知識(shí)