超導(dǎo)材料分類和材料應(yīng)用

1、超導(dǎo)材料分類和材料應(yīng)用2超導(dǎo)材料是一種沒有電阻的材料，既能節(jié)約能量，減少電能因電阻而消耗的能量，還能把電流儲存起來，供急需時(shí)使用。 現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)有28種元素和幾千種合金和化合物可以成為超導(dǎo)體。 3自從世界上以電力作為主要?jiǎng)恿σ詠?，就遇到兩個(gè)令人頭痛的問題：、是在輸送電流時(shí)，不少電力因?qū)Ь€有電阻而發(fā)熱，白白損失了相當(dāng)?shù)哪芰俊?、白天的電力常常?yán)重不足，而深夜的電力又大大富余，使得發(fā)電機(jī)常常白天超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，深夜時(shí)卻空轉(zhuǎn)，電力白白浪費(fèi)了。能不能把夜間富余的電力儲存起來用以彌補(bǔ)白天電力不足的難題呢?自從有了超導(dǎo)材料以來，解決這個(gè)問題就大有希望了。超導(dǎo)材料4從低溫的獲得到超導(dǎo)電性的發(fā)現(xiàn) 超導(dǎo)電性是人類發(fā)展低溫

2、技術(shù)并不斷地在新的溫度范圍里研究物質(zhì)的物理性質(zhì)的過程中發(fā)現(xiàn)的。 19世紀(jì)末：低溫技術(shù)獲得了顯著的進(jìn)展。曾一向被視為“永久氣體”的空氣被液化了。 1887年：氧氣被首先液化，液化點(diǎn)也就是我們所說的長壓下的沸點(diǎn)-183(絕對溫度90K)； 隨后人們又液化了液化溫度是-196 (77K)的氮?dú)狻?1898年：杜瓦(J.Dewar)第一次把氫氣變成液體氫，液化溫度為-253 。5杜瓦的工作照6 利用液體空氣和液氫，當(dāng)時(shí)人們可以在實(shí)驗(yàn)室中得到-259 的低溫。 1908年，荷蘭萊登實(shí)驗(yàn)室在卡末林昂尼斯(Kamer light Onnes)的指導(dǎo)下，經(jīng)過長期努力，首次成功地把稱為“永久氣體”的氦液化，當(dāng)時(shí)

3、他們測定了一個(gè)大氣壓下氦氣的液化點(diǎn)是，緊接著昂尼斯領(lǐng)導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)室使用減壓降溫法，就是利用液氦的沸點(diǎn)隨液氦的蒸汽壓的下降而下降的性質(zhì)，獲得了的低溫，這是當(dāng)時(shí)所能達(dá)到的最低溫度，為超導(dǎo)準(zhǔn)備了條件。從低溫的獲得到超導(dǎo)電性的發(fā)現(xiàn)71911年：在測試純金屬電阻率的低溫特性時(shí)，卡末林昂尼斯 發(fā)現(xiàn)，汞的直流電阻在時(shí)突然消失，多次精密 測量表明，汞柱兩端壓降為零，他認(rèn)為這時(shí)汞進(jìn)入 了一種以零阻值為特征的新物態(tài)，并稱為“超導(dǎo)態(tài)”。1911年12月28日：昂尼斯宣布了這一發(fā)現(xiàn)。但此時(shí)他還沒有 看出這一現(xiàn)象的普遍意義，僅僅當(dāng)成是有 關(guān)水銀的特殊現(xiàn)象。超導(dǎo)電性的發(fā)現(xiàn)8荷蘭物理學(xué)家昂尼斯(Kamer light Onne

4、s) 卡末林昂尼斯(Kamer light Onnes)低溫物理學(xué)家。 1853年9月21日生于荷蘭的格羅寧根，1926年2月21日卒于荷蘭的萊頓。因制成液氦和發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象獲得1913年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。91986年以前超導(dǎo)研究過程1911年： Onnes發(fā)現(xiàn)HgK電阻突然下降為零；1933年： Meissner(邁斯納)效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)；1911-1932年間： 研究元素的超導(dǎo)電性；Hg、Pb、Sn、In、Ta1932-1953年：發(fā)現(xiàn)了許多具有超導(dǎo)電性的合金； 如 Pb-Bi，NbC，MoN，Mo-Re.1953-1973年：發(fā)現(xiàn)了一系列A15型超導(dǎo)體和三元系超導(dǎo)體。 如 Tc17K的V3Si，N

5、b3Sn；特別是Nb3Ga， Nb3 101973-1986年：超導(dǎo)臨界溫度的提高，停滯不前。 Tc=23.2K Nb3Ge (1973年發(fā)現(xiàn))重Fermi子超導(dǎo)體 非晶態(tài)超導(dǎo)體低載流子密度超導(dǎo)體 磁性超導(dǎo)體低維無機(jī)超導(dǎo)體超晶格超導(dǎo)體有機(jī)超導(dǎo)體非常規(guī)超導(dǎo)體研究得到了蓬勃發(fā)展1986年以前超導(dǎo)研究過程11高溫超導(dǎo)體研究的重大突破1986年，Mller 和 Bednorz 發(fā)現(xiàn)高溫超導(dǎo)體。1986.1 La2-xBaxCuO4 35K1987.2 YBa2Cu3O7 90K1988.1 Bi-Sr-Ca-Cu-O 80K,110K1988.3 Tl-Ba-Ca-Cu-O 130K1992 Hg-B

6、a-Ca-Cu-O 135K (幾萬個(gè)大氣壓 165K)12 1986年8月：IBM的蘇黎士研究室的米勒教授和貝德諾茲教授 發(fā)現(xiàn)了一種銅氧化合物，它們在35K的溫度下電 阻接近于0，一下子把超導(dǎo)溫度提高了12度；1987年初：美籍華人科學(xué)家朱經(jīng)武教授和他的學(xué)生吳茂琨發(fā) 現(xiàn)了另外一種材料；釔鋇銅氧化物，使超 導(dǎo)記錄提高到了98K。在這個(gè)溫度區(qū)上，超導(dǎo)體 可以用廉價(jià)而豐富的液氮來冷卻。1986年12月：米勒教授和貝德諾茲教授發(fā)現(xiàn)了一種新型的陶瓷 超導(dǎo)體(此前超導(dǎo)體都是金屬)，這種超導(dǎo)體把超 導(dǎo)性的臨界溫度又提高到了38K。高溫超導(dǎo)體的研究進(jìn)展13高溫超導(dǎo)體的研究進(jìn)展199l年：美國和日本的科學(xué)家又

7、發(fā)現(xiàn)了球狀碳分子60在 摻鉀、銫、釹等元素后，也有超導(dǎo)性科學(xué)家預(yù)料， 球狀碳分子60摻雜金屬后，有可能在室溫下出現(xiàn) 超導(dǎo)現(xiàn)象，那時(shí)超導(dǎo)材料就有可能像半導(dǎo)體材料一 樣，在世界引起一場工業(yè)和技術(shù)革命。1996年：日本電氣公司制出長一千米的高溫超導(dǎo)線材，電 流密度達(dá)到6000A/cm2，這種線材已達(dá)到了實(shí)用 化的水平。 14我國超導(dǎo)材料的研究進(jìn)展1998年7月：我國研制成功中國第一根1米長1000安培鉍系高溫 超導(dǎo)直流輸電模型電纜。這項(xiàng)成果被兩院院士列 為當(dāng)年中國十大科技進(jìn)展。此次研制成功的高溫 超導(dǎo)帶材長116米，寬毫米，厚為毫米，以 螺旋管方式纏繞，用四引線法全長度測量，77 液氮溫度(零下16

8、9)自場下臨界電流達(dá)安培， 各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。 中國的超導(dǎo)電性研究開始于20世紀(jì)50年代，1959年首次實(shí)現(xiàn)了氦的液化。探索高臨界溫度超導(dǎo)電性的研究則始于1976年。15 自從高溫氧化物超導(dǎo)體被發(fā)現(xiàn)以來，在材料、機(jī)制以及應(yīng)用三個(gè)方面的研究及開發(fā)工作都進(jìn)展很快。用高臨界溫度超導(dǎo)體制備的SQUID器件及其它一些相關(guān)儀器已經(jīng)走進(jìn)市場。高溫超導(dǎo)體的臨界溫度已達(dá)134K在HgBa2Ca2Cu3Oy（汞鋇鈣銅氧化物超導(dǎo)體）中。高溫超導(dǎo)的機(jī)制至今還沒有完全搞清，原因之一是材料的物理特征還沒有被完全認(rèn)識。高溫氧化物超導(dǎo)體16超導(dǎo)研究獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)情況1913年：昂尼斯(荷蘭) 在低溫下研究物質(zhì)

9、的性質(zhì)并制成 液態(tài)氦；1972年： 巴丁(美)、庫珀(美)、斯萊弗(美)提出所謂BCS 理論的超導(dǎo)性理論(1957年提出)； 1973年： 約瑟夫森(英) 關(guān)于固體中隧道現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)。從 理論上預(yù)言了超導(dǎo)電流能夠通過隧道阻擋層， 即約瑟夫森(Josephson)效應(yīng)(1962年發(fā)現(xiàn));1987年：米勒和貝德諾茲于1986年發(fā)現(xiàn)高溫超導(dǎo)體。17高溫超導(dǎo)體的機(jī)理研究高溫超導(dǎo)體的機(jī)理研究 米勒(Mller)和貝德諾茲(Bednorz)于1986年發(fā)現(xiàn)高溫超導(dǎo)體，獲得1987年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。18 本世紀(jì)初超導(dǎo)材料在電力方面的應(yīng)用已獲得突破性的進(jìn)展，在輸電電纜、限流器、變壓器等電力設(shè)備上都有超導(dǎo)應(yīng)用的身

10、影。液氮高溫超導(dǎo)材料以其相對比較高的溫度要求，能夠更容易實(shí)現(xiàn)，對電力應(yīng)用來說，其推動(dòng)較為明顯。高磁場情況下超導(dǎo)材料對液氦環(huán)境依賴性還較強(qiáng)。目前脈沖制冷劑獲得了較大的突破，過去要求在30K-50K的溫度，現(xiàn)在這個(gè)溫度已經(jīng)大大提升，并且已可作為商品出售。將超導(dǎo)磁體運(yùn)用到發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)上，可以較好地解決人類與日俱增的用電需求。 21世紀(jì)以前，發(fā)電機(jī)單機(jī)功率可達(dá)100萬 kw，當(dāng)前的需要增加到更大。發(fā)電機(jī)的輸出容量與磁感應(yīng)強(qiáng)度、電樞電流密度的乘積成正比。用超導(dǎo)磁體代替電磁鐵，磁感應(yīng)強(qiáng)度和電流密度可分別提高許多倍。因此，在本世紀(jì)的電機(jī)中，電磁鐵已逐步被超導(dǎo)磁體取代。超導(dǎo)的應(yīng)用19 在電力設(shè)備領(lǐng)域中，采用

11、超導(dǎo)材料技術(shù)，發(fā)達(dá)國家及我國都已有幾十年的奮斗歷史，這是因?yàn)槔眠@種材料有利于設(shè)備的小型化、輕量化及高效化；抑制由于電力系統(tǒng)容量增大而增加的短路電流；解決因大電網(wǎng)而引起的系統(tǒng)不穩(wěn)定問題以及高密度、高可靠性的輸電問題；對付峰值負(fù)載和降低價(jià)格等。 在磁場中生長單晶爐是80年代發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)，目前廣泛用于直接生長單晶硅、砷化鎵和藍(lán)寶石等晶體。磁拉單晶生長爐采用超導(dǎo)磁體有許多優(yōu)點(diǎn)，如線圈體積小、重量輕、耗電小；可以根據(jù)要求設(shè)計(jì)成形狀復(fù)雜的磁場，且磁場集中、磁漏小等。超導(dǎo)的應(yīng)用20超導(dǎo)的應(yīng)用 超導(dǎo)技術(shù)在軍事上有著非常廣泛的應(yīng)用前景，隨著超導(dǎo)技術(shù)的日益成熟，有朝一日海軍潛艇的設(shè)計(jì)會發(fā)生根本性的變革，

12、出現(xiàn)比今天的潛艇要先進(jìn)的多的超導(dǎo)潛艇。其外形尺寸可能只有今天潛艇的一半，但所裝備的數(shù)量將增加一倍；航速將會提高，而噪音卻大大降低而且超導(dǎo)體在傳輸過程中不會損失電力。同時(shí)，超導(dǎo)技術(shù)在解決實(shí)際應(yīng)用問題后，部分潛艇將采用電力推進(jìn)系統(tǒng)，常規(guī)潛艇將有可能采用閉式循環(huán)的熱氣機(jī)動(dòng)力，從而結(jié)束常規(guī)潛艇水下航行單純依賴蓄電池提供能量的時(shí)代。21超導(dǎo)材料的強(qiáng)電方面的應(yīng)用 1、用于高能物理受控?zé)岷朔磻?yīng)和凝聚態(tài)物理研究的強(qiáng)場磁體； 2、用于NMR（核磁共振）裝置上以提供1T10T的均勻磁場； 3、用于制造發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)線圈； 4、用于高速列車上的磁懸浮線圈； 5、用于輪船和潛艇的磁流體和電磁推進(jìn)系統(tǒng)。物理基礎(chǔ): 1、

13、 r=0 (無焦?fàn)枱釗p耗) 2、臨界溫度(Tc)、臨界電流(Ic)、臨界磁場(Hc)高 如NbTi, Nb3Sn和V3Ga等超導(dǎo)線材在強(qiáng)磁場中, 能負(fù)載很高的臨界電流。22超導(dǎo)技術(shù)在電力工程方面的應(yīng)用 傳統(tǒng)電纜由于有電阻，電流密度只有300400安培/平方厘米； 高溫超導(dǎo)電纜的電流密度可超過10000安培/平方厘米； 傳輸容量比傳統(tǒng)電纜要高5倍左右，功率損耗僅相當(dāng)于后者的40。 由云電英納承擔(dān)研制的我國第一組實(shí)用型高溫超導(dǎo)電纜，于2004年3月23日全部完成，并于4月19日在昆明普吉變電站掛網(wǎng)試運(yùn)行成功。電力輸送的新星超導(dǎo)電纜23超導(dǎo)技術(shù)在電力工程方面的應(yīng)用超導(dǎo)導(dǎo)線(含2120根微米直徑之鈮鈦

14、合金纖維) 超導(dǎo)輸電在原則上可以做到?jīng)]有焦耳熱的損耗，因而可節(jié)省大量能源；用超導(dǎo)線圈儲存能量在軍事上有重大應(yīng)用，超導(dǎo)線圈用于發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)可以大大提高工作效率、降低損耗，從而導(dǎo)致電工領(lǐng)域的重大變革。24 超導(dǎo)體強(qiáng)大的磁場可以貯存大量的電磁能，而且可以瞬間釋放，在軍事上有極大的用處，比如作為定向能武器，或者電磁炮的能量轉(zhuǎn)換裝置。超導(dǎo)儲能裝置25 超導(dǎo)儲能裝置是利用超導(dǎo)線圈將電磁能直接儲存起來，需要時(shí)再將電磁能返回電網(wǎng)或其它負(fù)載的一種電力設(shè)施。一般由超導(dǎo)線圈、低溫容器、制冷裝置、變流裝置和測控系統(tǒng)幾個(gè)部件組成。其中超導(dǎo)線圈是超導(dǎo)儲能裝置的核心部件，它可以是一個(gè)螺旋管線圈或是環(huán)形線圈。 超導(dǎo)儲能裝置

15、26 在電力領(lǐng)域，利用超導(dǎo)線圈磁體可以將發(fā)電機(jī)的磁場強(qiáng)度提高到5萬6 萬高斯，并且?guī)缀鯖]有能量損失，這種發(fā)電機(jī)便是交流超導(dǎo)發(fā)電機(jī)。超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的單機(jī)發(fā)電容量比常規(guī)發(fā)電機(jī)提高510倍，達(dá)1萬兆瓦，而體積卻減少1/2，整機(jī)重量減輕1/3，發(fā)電效率提高50 超導(dǎo)發(fā)電機(jī)27超導(dǎo)限流器 超導(dǎo)限流器是利用超導(dǎo)體的超導(dǎo)/正常態(tài)轉(zhuǎn)變特性，有效限制電力系統(tǒng)故障短路電流，能夠快速和有效地達(dá)到限流作用的一種電力設(shè)備。超導(dǎo)限流器集檢測、觸發(fā)和限流于一體，反應(yīng)速度快，正常運(yùn)行時(shí)的損耗很低，能自動(dòng)復(fù)位，克服了常規(guī)熔斷器只能使用一次的缺點(diǎn) 。28超導(dǎo)變壓器 1. 不存在常規(guī)變壓器中的發(fā)熱損耗，節(jié)能潛力； 2. 體積可以減少

16、40-60%； 3. 液氮代替變壓器油，消除火災(zāi)隱患； 4. 超導(dǎo)變壓器的內(nèi)阻極小，能夠增大電壓的可調(diào)節(jié)范圍。 2011年4月19日，中國首座全超導(dǎo)變電站在白銀正式并網(wǎng)運(yùn)行，標(biāo)志著我國超導(dǎo)電力技術(shù)發(fā)展開始進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化新階段。29 能在大的空間內(nèi)產(chǎn)生很高的磁場，所需的勵(lì)磁功率很小，一個(gè)10Tesla的磁體只要汽車蓄電池充電即可。 重量輕，體積小，穩(wěn)定性好，均勻度高(1cm范圍內(nèi)達(dá)到10-8量級)，也可以產(chǎn)生高梯度場(14T/cm)。 和常規(guī)磁體相比，提高效率，節(jié)省費(fèi)用。超導(dǎo)磁體30超導(dǎo)技術(shù)在交通運(yùn)輸方面的應(yīng)用 時(shí)速達(dá)500km/h， 安全、穩(wěn)定，為下一代的交通工具。超導(dǎo)懸浮高速列車31日本超導(dǎo)磁懸

17、浮列車MAGLEV 高溫超導(dǎo)磁懸浮實(shí)驗(yàn)車“世紀(jì)號” 超導(dǎo)技術(shù)在交通運(yùn)輸方面的應(yīng)用32 “九五”期間國家863計(jì)劃項(xiàng)目。西南交通大學(xué) 2000年12月，采用國產(chǎn)YBaCuO高溫超導(dǎo)體塊材，懸浮總重量為635公斤，在長米的釹鐵硼永磁導(dǎo)軌上自動(dòng)運(yùn)行。“2001年中國高等學(xué)校十大科技進(jìn)展”，排名第2。高溫超導(dǎo)磁懸浮實(shí)驗(yàn)車“世紀(jì)號” 33日本山梨試驗(yàn)線(Yamanashi Maglev Test Line) 1975年在日本宮崎建立了一條7公里長的磁懸浮列車試驗(yàn)鐵路。（1997年擴(kuò)展為42.8公里） 2003年12月2日, 一輛3車廂載人列車創(chuàng)造了最大時(shí)速 581 km/h 的世界記錄。34 每個(gè)車廂帶

18、4個(gè)超導(dǎo)線圈，每邊各2個(gè)，傳統(tǒng)超導(dǎo)材料制備，由液氦冷卻。 超導(dǎo)線圈能夠產(chǎn)生5 Tesla的強(qiáng)磁場。 超導(dǎo)線圈與導(dǎo)軌上的銅線圈之間的距離只有 8cm。日本磁浮列車MagLev的導(dǎo)軌線圈35 導(dǎo)軌上有3套常規(guī)的銅線圈，分別用于浮力，推進(jìn)力，和側(cè)面穩(wěn)定。導(dǎo)軌線圈36MLU002N 于1993年建成，最高載人時(shí)速411公里/小時(shí)。日本宮崎試驗(yàn)線新磁浮試驗(yàn)車MLU-002N37超導(dǎo)技術(shù)在生物醫(yī)療方面的應(yīng)用核磁共振斷層掃描儀與人體斷層掃描圖 核磁共振斷層掃描儀其原理乃是利用核磁共振原理，觀察體內(nèi)某一種原子核的變化分布(主要是氫原子)，將結(jié)果顯像為人體斷層掃描圖，以觀察身體中病灶組織的變化。38超導(dǎo)核磁共振

19、譜儀（NMR）美國VarianINOVA 500NBT；共振頻率：500MHz39超導(dǎo)核磁共振成像 核磁共振目前都采用超導(dǎo)磁體，提高分辨率。 液氦冷卻！零下 269攝氏度。401、超導(dǎo)粒子束武器和自由電子激光器2、超導(dǎo)電磁炮3、超導(dǎo)電磁推進(jìn)系統(tǒng)和超導(dǎo)陀螺儀 超導(dǎo)技術(shù)在軍事工業(yè)中也可以發(fā)揮其特有的作用，超導(dǎo)掃雷具就是其中之一。超導(dǎo)掃雷具的工作原理是：超導(dǎo)掃雷具模擬艦船磁場特性，采用兩根大電流電纜在海水中形成電極，并與海水組成閉合電路產(chǎn)生磁場，或者在船上安裝一個(gè)電磁體產(chǎn)生磁場，從而得以將磁水雷引爆。 超導(dǎo)技術(shù)在軍事上的應(yīng)用41超導(dǎo)技術(shù)在科學(xué)工程和實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用 核聚變裝置是人們長期以來夢想解決能源問

20、題的一個(gè)重要方向，其途徑是將氘和氚加熱后，使原子和彌散的電子成為一種等離子狀態(tài)，并且在將這種高溫等離子體約束在適當(dāng)空間內(nèi)的條件下，原子核就能夠越過電子的排斥而互相碰撞產(chǎn)生核聚變反應(yīng)。在這些應(yīng)用中，超導(dǎo)磁體是高能加速器和核聚變裝置不可缺少的關(guān)鍵部件。 42 1985年，前蘇聯(lián)、美、歐、日提出； 2003年中國加入； 7方: 美、俄、日、歐、中、韓、 ?。?中國宣布承擔(dān)總費(fèi)用46億歐元的10分之1，即大約 46億人民幣。 2006年11月21日，ITER計(jì)劃聯(lián)合實(shí)施協(xié)定及相關(guān)文件已正式簽署。 選址法國南部的Cadarache。 國際熱核試驗(yàn)堆（ITER）計(jì)劃 2006年11月21日法國巴黎總統(tǒng)府愛

21、麗舍宮43美國Fermi實(shí)驗(yàn)室超導(dǎo)對撞機(jī)44中國科學(xué)院合肥等離子體研究所建造核聚變實(shí)驗(yàn)裝置 (EAST) ：用于研究熱核反應(yīng)HT-7托卡馬克裝置45 合肥董鋪科學(xué)島； 國家“九五”重大科學(xué)工程項(xiàng)目，投資約4億； 1克氘和氚碰撞聚合產(chǎn)生的能量相當(dāng)于300升石油燃燒產(chǎn)生的熱量；氘和氚兩種元素為海水中所富含，可謂取之不盡，用之不竭。 核心：超導(dǎo)電磁線圈圍繞一個(gè)環(huán)形容器，把H+和電子組成的等離子體限制和控制在極小的空間。中國又一項(xiàng)技術(shù)震驚全球!人造小太陽: 超導(dǎo)托卡馬克46 全自動(dòng)的磁學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)和形貌，甚至鐵電和介電等各種物性測量手段。 溫度: 1.8 - 400 K (液氦)磁場: 0-9 特斯

22、拉 (超導(dǎo)磁體)PPMS系統(tǒng)：超導(dǎo)科學(xué)儀器PPMS多功能物性測量系統(tǒng)綜合物性測量系統(tǒng)美國Quantum Design公司47 農(nóng)作物種子由于其富含蛋白質(zhì)和有機(jī)酶，在強(qiáng)磁場作用下，能夠影響種子的萌發(fā)、苗期生長、作物產(chǎn)量和品質(zhì)、遺傳特性等。 一般而言，磁場強(qiáng)度和磁場作用時(shí)間對農(nóng)作物種子的影響比較大，其作用機(jī)制是：磁場基因酶代謝結(jié)構(gòu)與功能。實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果表明，經(jīng)過強(qiáng)磁場作用的農(nóng)作物種子，其最終產(chǎn)量將能夠提高5-10%。 超導(dǎo)技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用48 根據(jù)交流約瑟夫森效應(yīng)，利用約瑟夫森結(jié)可以得到標(biāo)準(zhǔn)電壓。約瑟夫森效應(yīng)的另一個(gè)基本應(yīng)用是超導(dǎo)量子干涉儀(SQUID)。約瑟夫森結(jié)還有在計(jì)算應(yīng)用上的巨大潛力，它

23、的開關(guān)速度在10-12W的數(shù)量級，利用這一特性可能開發(fā)新的電子器件。簡單地說，我們可以為速度更快的計(jì)算機(jī)制造邏輯電路和存儲器。當(dāng)然還有很多有特殊性能的器件。超導(dǎo)材料的弱電方面的應(yīng)用49 以Josephson效應(yīng)為基礎(chǔ)，建立極靈敏的電子測量裝置為目標(biāo)的超導(dǎo)電子學(xué)。分辨率：磁場 磁通量 磁場梯度 電流 電壓 位移 加速度 電磁能 10-15T 10-19Wb 10-11T/m 10-9A 10-15V 10-15m 10-11m/s2 10-14W舉磁場為例：10-1210-1110-1010-910-810-710-610-510-410-310-210-1100101102磁場B（T）腦磁場筋

24、磁場心磁場眼磁場郊外噪音肺磁場都市噪音實(shí)驗(yàn)室噪音地磁場懸浮式馬達(dá)按鈕開關(guān)銅鐵磁體超導(dǎo)磁體超導(dǎo)材料的弱電方面的應(yīng)用50舉例 1、SQUID磁強(qiáng)計(jì)：大面積探礦、測定地下水層的分布、地震預(yù)報(bào)； 2、生物和醫(yī)學(xué)上：探測心、肺、神經(jīng)等活動(dòng)引起的微弱電磁信號的變化； 3、超導(dǎo)計(jì)算機(jī)：硅集成電路高性能化、小型化發(fā)熱Josephson器件不發(fā)熱。超導(dǎo)材料的弱電方面的應(yīng)用51 用超導(dǎo)技術(shù)制成各種儀器，具有靈敏度高、噪聲低、反應(yīng)快、損耗小等特點(diǎn)，如用超導(dǎo)量子干涉儀可確定地?zé)帷⑹?、各種礦藏的位置和儲量，并可用于地震預(yù)報(bào)。 超導(dǎo)量子干涉儀 超導(dǎo)技術(shù)在電子工程方面的應(yīng)用52 超導(dǎo)數(shù)字電路利用約瑟夫森結(jié)在零電壓態(tài)和能隙

25、電壓態(tài)之間的快速轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)二元信息。應(yīng)用約瑟夫森效應(yīng)的器件可以制成開關(guān)元件，其開關(guān)速度可達(dá)10-11秒左右的數(shù)量級，比半導(dǎo)體集成電路快100倍，但功耗卻要低1000倍左右，為制造亞納秒電子計(jì)算機(jī)提供了一個(gè)途徑。超導(dǎo)數(shù)字電路53MPMS-5: SQUID磁強(qiáng)計(jì)MPMS-5Quantum Design精度：10-9 emu溫度：1.9 400 K磁場：5 T54超導(dǎo)濾波器CDMA高溫超導(dǎo)濾波器樣機(jī) 清華大學(xué)研制的兩套高溫超導(dǎo)濾波系統(tǒng)在中國聯(lián)通CDMA移動(dòng)通訊基站已連續(xù)無故障商業(yè)運(yùn)行幾年了。 高溫超導(dǎo)濾波器可以顯著提高通信基站的靈敏度和選擇性，提高通信容量，降低手機(jī)的輻射率并提高通話清晰度。 55C

26、onectus預(yù)測: 2010年: 50億美元 2020年: 380億美元超導(dǎo)材料應(yīng)用前景56 超導(dǎo)的實(shí)用前景似乎既遠(yuǎn)又近。近者，在人類生活中已得到了超導(dǎo)電性技術(shù)帶來的好處，如醫(yī)用的核磁共振成象的超導(dǎo)磁體；同時(shí)在電子器件上的應(yīng)用近幾年將會在市場上出現(xiàn)。遠(yuǎn)者，人們會看到例如在微波通訊、計(jì)算機(jī)器件、幾乎無損耗輸電、儲能及平衡電網(wǎng)方面的應(yīng)用。超導(dǎo)材料應(yīng)用前景57 利用超導(dǎo)隧道效應(yīng)所制備的敏感元件，其能量分辨可以接近量子力學(xué)測不準(zhǔn)關(guān)系所限定的水平。這是其它器件所不能達(dá)到的。同時(shí)，解決人類未來能源的基本技術(shù)是受控?zé)岷朔磻?yīng)，而實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)必須使用無損耗的超導(dǎo)磁體。因此人類的未來離不開超導(dǎo)電技術(shù)，及其相關(guān)技術(shù)

27、的發(fā)展。超導(dǎo)電技術(shù)將會在越來越廣闊的范圍里造福人類，而且對高溫超導(dǎo)電性機(jī)理的了解，將對凝聚態(tài)物理學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生極為深遠(yuǎn)的影響。在本世紀(jì)超導(dǎo)電技術(shù)將會變得更為重要。超導(dǎo)材料應(yīng)用前景58超導(dǎo)體的三個(gè)重要的物理參數(shù) 實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)必須具備一定的條件，如溫度 、磁場、電流都必須足夠的低。 超導(dǎo)態(tài)的三大臨界條件：臨界溫度、臨界電流和臨界磁場，三者密切相關(guān)，相互制約。59臨界溫度臨界溫度(Tc): 超導(dǎo)體電阻突然變?yōu)榱愕臏囟龋?0 臨界溫度(Tc): 超導(dǎo)體電阻突然變?yōu)榱愕臏囟?；臨界溫度61 超導(dǎo)體無阻載流的能力是有限的，當(dāng)通過超導(dǎo)體中的電流達(dá)到某一特定值時(shí)，又會重新出現(xiàn)電阻，使其產(chǎn)生這一相變的電流稱為臨界電流(

28、Ic)。 臨界電流Ic(V)IV失超 目前，常用電場描述Ic(V) ，即當(dāng)每厘米樣品長度上出現(xiàn)電壓為1V時(shí)所輸送的電流。62 逐漸增大磁場到達(dá)一定值后，超導(dǎo)體會從超導(dǎo)態(tài)變?yōu)檎B(tài)，把破壞超導(dǎo)電性所需的最小磁場稱為臨界磁場，記為Hc。正常態(tài)HHc(0)TcT超導(dǎo)態(tài)臨界磁場經(jīng)驗(yàn)公式： Hc(T)=Hc(0)(1-T2/Tc2)63超導(dǎo)體的物理特性1、零電阻現(xiàn)象(Zero Resistance) TTc在超導(dǎo)環(huán)上加磁場 (b) TTc圓環(huán)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài) (c) 突然撤去外電場，超導(dǎo)環(huán)中產(chǎn)生持續(xù)電流 (a) (b) (c) 64NNS降溫降溫加場加場S注：S表示超導(dǎo)態(tài)N表示正常態(tài) 邁斯納效應(yīng)又叫完全抗磁

29、性，1933年邁斯納發(fā)現(xiàn)，超導(dǎo)體一旦進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)，體內(nèi)的磁通量將全部被排出體外，磁感應(yīng)強(qiáng)度恒為零，且不論對導(dǎo)體是先降溫后加磁場，還是先加磁場后降溫，只要進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)，超導(dǎo)體就把全部磁通量排出體外。超導(dǎo)體的物理特性2、邁斯納效應(yīng)(Meissner) 65觀察邁納斯效應(yīng)的磁懸浮試驗(yàn) 在錫盤上放一條永久磁鐵，當(dāng)溫度低于錫的轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，小磁鐵會離開錫盤飄然升起，升至一定距離后，便懸空不動(dòng)了，這是由于磁鐵的磁力線不能穿過超導(dǎo)體，在錫盤感應(yīng)出持續(xù)電流的磁場，與磁鐵之間產(chǎn)生了排斥力，磁體越遠(yuǎn)離錫盤，斥力越小，當(dāng)斥力減弱到與磁鐵的重力相平衡時(shí)，就懸浮不動(dòng)了。663、約瑟夫森(Josephson)效應(yīng)超導(dǎo)體的物

30、理特性 當(dāng)一個(gè)電子在勢壘中運(yùn)動(dòng)時(shí)，電子可以借助真空，從真空吸收一個(gè)虛光子，使自己的能量增大而越過勢壘，電子一旦越過勢壘，便將虛光子送還給真空。同時(shí)，電子的能量也返回到原來的值，量子理論稱它為隧道效應(yīng)。 (1) 單電子隧道效應(yīng) 67(2) 雙電子隧道效應(yīng) Josephson效應(yīng) 1962年，約瑟夫森(Josephson)提出，應(yīng)有電子對通過超導(dǎo)-絕緣層-超導(dǎo)隧道元件，即一對電子成伴地從勢壘中貫穿過去。電子對穿過勢壘可以在零電壓下進(jìn)行，所以約瑟夫森效應(yīng)與單電子隧道效應(yīng)不同，可用實(shí)驗(yàn)對它們加以鑒別。 零電壓下的約瑟夫森效應(yīng)又稱直流約瑟夫森效應(yīng)。此外還有交流約瑟夫森效應(yīng)。它們具有共同的特點(diǎn)，都是雙電子

31、隧道效應(yīng)。 約瑟夫森(Josephson)效應(yīng)684、超導(dǎo)的微觀機(jī)制 BCS理論超導(dǎo)體的物理特性 1957 年在伊利諾大學(xué)的 B. D. Bardeen(巴丁)、L. N. Cooper(庫柏) 及 J. R. Schrieffer(施里弗) 為了正確解釋超導(dǎo)現(xiàn)象，發(fā)表了著名且完整的超導(dǎo)微觀理論(量子理論)，稱為 BCS 理論。BCS理論是由美國物理學(xué)家巴丁、庫珀和施里弗于1957年首先提出的，并以三位科學(xué)家姓名第一個(gè)大寫字母命名這一理論。 69巴丁、庫柏、施里弗 巴丁、庫柏、施里弗獲得了1972年諾貝爾物理獎(jiǎng)。 該理論成功地指明了電子通過交換虛聲子而形成庫柏對，定量地描述了能隙、熱學(xué)和大多數(shù)

32、電磁性質(zhì)。70 1、在一定溫度下，金屬中參與導(dǎo)電的電子結(jié)成庫珀對，這是一個(gè)相變過程； 2、庫珀對電子凝聚在費(fèi)密面附近； 3、費(fèi)密面以上將出現(xiàn)一個(gè)寬度為的能隙。 BCS理論的三個(gè)觀點(diǎn)BCS理論預(yù)測臨界溫度： 式中 為德拜溫度；U是聲子-聲子相互作用能； N(EF)為費(fèi)米面附近電子能態(tài)密度。71奇異超導(dǎo)1、插水鈷氧化物超導(dǎo)體：NaxCoO2.yH2O2003年日本物質(zhì)材料研究機(jī)構(gòu)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)NaxCoO2的奇異性質(zhì)： 1、離子導(dǎo)體，離子電池的材料； 2、熱電材料，熱電勢S很大； 3、插水后出現(xiàn)超導(dǎo)電性； 4、改變Na含量，甚至可以變絕緣體。72NaxCoO2三角格子的鈷氧平面 準(zhǔn)二維的體系，三角格子排列的鈷氧平面為導(dǎo)電平面 電子也有強(qiáng)關(guān)聯(lián)的特性。73插水后的NaxCoO2.yH2O 成為超導(dǎo)體 2003年3月Nature報(bào)道了日本物質(zhì)材料研究所合成了插水化合物超導(dǎo)體NaCoO22O，Tc4.7K 引起了又一浪研究熱潮。 74NaCoO2：電荷有序現(xiàn)象 2003年底普林斯頓大學(xué)Ong和Cava研究組又報(bào)道了時(shí)由于電荷有序化引起了金屬-絕緣體相變。 Phys.