超導(dǎo)體能以100％的效率傳輸電能，一切用到電和磁的地方都可以用到超導(dǎo)體。但是，超導(dǎo)體的應(yīng)用條件受到很大限制，主要是因?yàn)闇囟葪l件很苛刻，超導(dǎo)材料一般在遠(yuǎn)低于室溫(295K)溫度下才出現(xiàn)超導(dǎo)態(tài)，科學(xué)家一直在尋找在室溫下具有超導(dǎo)性的材料。
一、神奇的超導(dǎo)家族
超導(dǎo)材料之所以“神奇”主要是因具有以下特性：
①零電阻：當(dāng)超導(dǎo)材料處于超導(dǎo)狀態(tài)時(shí)，其電阻值為0，且傳輸電能可無(wú)耗損，例如電磁感應(yīng)所產(chǎn)生的無(wú)衰減持續(xù)電流，在實(shí)驗(yàn)中已被多次觀測(cè)到。
②抗磁性：當(dāng)超導(dǎo)材料處于超導(dǎo)狀態(tài)時(shí)，若外磁場(chǎng)不超過(guò)某一定值，則磁力線(xiàn)就不能透入超導(dǎo)材料的內(nèi)部，故而其內(nèi)磁場(chǎng)恒為0。
③約瑟夫森效應(yīng)：意指在2個(gè)超導(dǎo)材料之間，設(shè)置約1nm的薄絕緣層，當(dāng)形成低電阻連接時(shí)，就會(huì)有電子對(duì)穿過(guò)該絕緣層，從而能夠形成電流，但是在絕緣層的2側(cè)并沒(méi)有產(chǎn)生電壓，于是絕緣層就成了超導(dǎo)材料。
④同位素效應(yīng)：意指超導(dǎo)材料的臨界溫度（Tc），同其同位素質(zhì)量M存在一定的關(guān)系，M值越大則Tc值越小。
此外，還有以下幾個(gè)臨界值與超導(dǎo)材料密切相關(guān)。
①Tc：意指外磁場(chǎng)為0時(shí)，超導(dǎo)材料由正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)時(shí)，或者是由超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變正常態(tài)時(shí)所需的溫度。Tc的數(shù)值主要由超導(dǎo)材料而定，據(jù)測(cè)定鎢的Tc最低，只有0.012K。至20世紀(jì)80年代，Tc最高值已提升到100K左右。
②臨界磁場(chǎng)（Hc）：意指超導(dǎo)材料由超導(dǎo)態(tài)進(jìn)入到正常態(tài)時(shí)，所需的磁場(chǎng)強(qiáng)度。
③臨界電流（Ic）：意指超導(dǎo)材料由超導(dǎo)態(tài)進(jìn)入到正常態(tài)時(shí)，通過(guò)其的電流值。
④臨界電流密度（Jc）：意指當(dāng)溫度和外磁場(chǎng)增加時(shí)，Ic的數(shù)值會(huì)減少，其單位截面積所能承載的臨界電流量。正是由于超導(dǎo)材料的參量及其臨界值，極大地限制了其應(yīng)用的外圍條件，所以突破束縛研發(fā)新型超導(dǎo)材料，就成為歷代超導(dǎo)研究者們樂(lè)此不疲的奮斗目標(biāo)。
1.超導(dǎo)大家族
目前，已發(fā)現(xiàn)有28種元素和幾千種合金和化合物，都在不同條件下顯示出超導(dǎo)性，均可用作為超導(dǎo)材料。從臨界溫度角度，“超導(dǎo)材料家族”可分為2類(lèi)：第1類(lèi)高溫超導(dǎo)體(HTS)，一般指臨界溫度高于約25K的超導(dǎo)體；第2類(lèi)低溫超導(dǎo)體(LTS)，一般指臨界溫度低于約25K的超導(dǎo)體。如稀土陶瓷氧化物超導(dǎo)體就屬于高溫超導(dǎo)體。
從材料角度，“超導(dǎo)材料家族”按其化學(xué)成分大致可分為：金屬元素超導(dǎo)體、超導(dǎo)化合物、合金超導(dǎo)體。第1類(lèi)金屬元素超導(dǎo)體，此類(lèi)元素主要聚集在在元素周期表的2個(gè)區(qū)域：左邊的過(guò)渡金屬區(qū)域；右邊的非過(guò)渡金屬區(qū)域。金屬元素超導(dǎo)體中，有些金屬元素只有在薄膜態(tài)、高壓態(tài)、輻照態(tài)才會(huì)具有超導(dǎo)的性能。在常壓下，28種金屬元素具有超導(dǎo)電性，如金屬鈮（Nb），它的臨界溫度最高，Tc = 9.26K。在實(shí)際應(yīng)用中，挑大梁者主要是鈮和鉛（Pb），鉛的臨界溫度為7.201K，它們多被用于超導(dǎo)交流電力電纜的制造。
第2類(lèi)超導(dǎo)化合物，將超導(dǎo)元素與其他元素化合后，通常會(huì)有良好的超導(dǎo)性能。如已被廣泛使用的超導(dǎo)化合物鈮錫（Nb3Sn）、釩鎵（V3Ga）等，再有二硼化鎂（MgB2）超導(dǎo)材料，它是2001年被發(fā)現(xiàn)的屬六方晶系結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)單二元金屬間化合物。MgB2由鎂（Mg）和硼（B）以1：2相結(jié)合，其臨界溫度遠(yuǎn)高于其他常規(guī)低溫超導(dǎo)體，并以其諸多優(yōu)越性能而備受青睞。
第3類(lèi)合金超導(dǎo)材料，意指在超導(dǎo)元素中熔合某些其他金屬元素作為合金成分，使其不僅具有超導(dǎo)電性且提高其性能。如最先應(yīng)用的鈮鋯合金（Nb-75Zr），之后又研發(fā)出了鈮鈦合金Nb-33Ti，其性能參數(shù)Tc雖稍低些許，Tc=9.3K，但Hc較高，Hc＝11.0T，在給定磁場(chǎng)下便能承載更大的電流；還研發(fā)出了鈮鈦合金（Nb-60Ti），Tc=9.3K，Hc=12T（4.2K）。當(dāng)加入金屬鉭（Ta）的鈮鈦三元合金（Nb-60Ti-4Ta、Nb-70Ti-5Ta），其性能也有一定提升。目前，鈮鈦合金作為超導(dǎo)磁體材料主要是在7——8T磁場(chǎng)下使用。
2.超導(dǎo)“新秀”——稀土超導(dǎo)材料
此外，另一類(lèi)重要的高溫超導(dǎo)材料，是含稀土元素釔（Y）的鈣鈦礦氧化物超導(dǎo)體（YBa2Cu3O1-x），簡(jiǎn)稱(chēng)“123相，YBaCuO或YBCO”。特別是重稀土，如釓（Gd）、鏑（Dy）、鈥（Ho）、鉺（Er）、銩（Tm）和鐿(Yb)部分或全部取代稀土Y，形成的一系列高Tc稀土超導(dǎo)材料(簡(jiǎn)稱(chēng)“REBaCuO或REBCO”)，有很大發(fā)展?jié)摿ΑＯ⊥龄^銅氧化物超導(dǎo)材料，可制成單疇塊狀材料、涂層導(dǎo)體(第2代高溫超導(dǎo)帶材)或薄膜材料，分別應(yīng)用于超導(dǎo)磁懸浮裝置和永磁體、強(qiáng)電電力機(jī)械或弱電電子器件。
綜上，稀土超導(dǎo)材料就是在超導(dǎo)材料中添加稀土，目前主要包含5種稀土元素：La、Gd、镥(Lu)、鈰(Ce)、Y，其中3個(gè)為常壓條件，后2個(gè)為高壓條件。可使其臨界溫度大幅提高到70——90K，從而使超導(dǎo)材料能夠在液氮中使用，這就極大推動(dòng)了超導(dǎo)材料研究和應(yīng)用的發(fā)展。稀土超導(dǎo)材料的潛在市場(chǎng)非常巨大，發(fā)展前途十分廣闊，可將其用于采礦、能源、電子工業(yè)、醫(yī)療設(shè)備、懸浮列車(chē)等許多領(lǐng)域。
稀土超導(dǎo)材料領(lǐng)域新突破
1、接近室溫條件下的超導(dǎo)體氫化鑭LaH10，最高臨界溫度零下23℃(250K)
（2019.5.22 Nature IF: 43.1）
2019年5月，德國(guó)馬普化學(xué)研究所研發(fā)出一種鑭超氫化物材料，這種材料超導(dǎo)性溫度約為零下23℃，相比歷史數(shù)據(jù)溫度躍升了50度，高于目前已知的所有材料的超導(dǎo)溫度。當(dāng)壓強(qiáng)在100多萬(wàn)倍大氣壓時(shí)，氫化鑭化合物會(huì)在250K實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)，但是只能獲得微量超導(dǎo)材料（0.01毫米尺度）。未來(lái)的實(shí)驗(yàn)可能會(huì)注重于尋找高壓下的其他富氫超導(dǎo)材料。實(shí)現(xiàn)了室溫超導(dǎo)之后，就是降低所需壓力。
2、250K的氫化鑭化合物的量子晶體結(jié)構(gòu)
（2020.2.6 Nature IF: 43.1）
這個(gè)能在250K逼近室溫超導(dǎo)的神奇氫化鑭化合物，到底有何神奇之處？
為了回答這個(gè)問(wèn)題，意大利羅馬薩皮恩扎大學(xué)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，研究表明，在所需要的壓力范圍內(nèi)，量子原子漲落賦予了LaH10材料高度對(duì)稱(chēng)的晶體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，這表明量子效應(yīng)是LaH10在250K下觀察到超導(dǎo)的主要原因。量子效應(yīng)對(duì)于具有高電子-聲子耦合常數(shù)的固體的穩(wěn)定至關(guān)重要，否則，高電子-聲子耦合常數(shù)可能會(huì)破壞其穩(wěn)定性，從而降低合成所需的壓力。
總之，這項(xiàng)研究為我們探索了新型高溫超導(dǎo)材料的機(jī)理，為我們尋找更逼近室溫的超導(dǎo)材料提供了有效的指導(dǎo)。
3、超導(dǎo)磁鐵(REBCO)(RE = Y, Gd)磁場(chǎng)強(qiáng)度突破45.5特斯拉創(chuàng)紀(jì)錄
(2019.6 Nature IF: 43.1)
近20年來(lái)，45T一直是可實(shí)現(xiàn)的最高直流磁場(chǎng)，最近美國(guó)佛羅里達(dá)州立大學(xué)國(guó)家高磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)高溫超導(dǎo)體線(xiàn)圈，在31.1T的電阻磁鐵內(nèi)產(chǎn)生14.4T的磁場(chǎng)，從而獲得45.5T的直流磁場(chǎng)，在30微米厚的基底上涂有稀土鋇氧化銅REBCO (RE = Y, Gd)，使線(xiàn)圈在1260安培的繞組電流密度下工作。
這是目前世界上最強(qiáng)大的超導(dǎo)磁鐵，超過(guò)了傳統(tǒng)超導(dǎo)磁鐵和最先進(jìn)阻抗式磁鐵的強(qiáng)度，可在多個(gè)研究領(lǐng)域大顯身手。
4、摻鑭的銅氧化物結(jié)構(gòu)中隧道電流的散粒噪聲測(cè)量
(2019.8. 21 Nature IF: 43.1)
銅氧化物中，高溫超導(dǎo)性研究領(lǐng)域爭(zhēng)論的焦點(diǎn)之一在于是贗能隙：在體積臨界溫度以上的“正常”狀態(tài)下，在費(fèi)米表面的一部分上打開(kāi)的部分能隙。
萊斯大學(xué)報(bào)告了使用原子層逐層分子束外延在幾個(gè)摻雜水平上制造的高質(zhì)量La2?xSrxCuO4/La2CuO4/La2?xSrxCuO4(LSCO/LCO/LSCO)異質(zhì)結(jié)構(gòu)中隧道電流的散粒噪聲測(cè)量。這些電荷載流子對(duì)可以在溫度和偏壓的贗能隙區(qū)深處被探測(cè)到。這些電荷載流子對(duì)的存在限制了贗隙和破缺對(duì)稱(chēng)態(tài)的電流模型，而相位漲落限制了超導(dǎo)性的范圍。
5、Cu基高溫超導(dǎo)中電荷密度動(dòng)態(tài)變化
(2019.8.30 Science IF: 41.0)
在所有具有高臨界溫度（Tc）的超導(dǎo)銅酸鹽系列中，都能觀察到電荷密度的調(diào)制。雖然其始終存在于相圖的欠摻雜區(qū)域和相對(duì)較低的溫度下，但其在多大程度上影響這些系統(tǒng)的不尋常特性，至今并不明晰。
意大利米蘭理工大學(xué)研究了在Cu基高溫超導(dǎo)中電荷密度動(dòng)態(tài)變化如何產(chǎn)生影響。研究人員使用共振X射線(xiàn)散射，仔細(xì)確定了在摻雜水平下YBa2Cu3O7-δ和Nd1+xBa2-xCu3O7-δ中電荷密度調(diào)制的溫度依賴(lài)性。結(jié)果表明，其持續(xù)遠(yuǎn)高于贗溫度T*，且只有幾個(gè)meV的能量，遍布在大面積的相圖中。
6、超薄釔鋇銅氧(YBCO)高溫超導(dǎo)薄膜中發(fā)現(xiàn)量子金屬態(tài)
（2019.11.14 Science IF: 41.0）
中國(guó)電子科技大學(xué)電子薄膜與集成器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張萬(wàn)里、熊杰研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)與北京大學(xué)王健教授團(tuán)隊(duì)、林熙研究員課題組、北京師范大學(xué)劉海文研究員、清華大學(xué)姚宏教授、美國(guó)布朗大學(xué)等專(zhuān)家合作，首次在高溫超導(dǎo)納米多孔薄膜(YBCO)中完全證實(shí)了量子金屬態(tài)的存在，實(shí)現(xiàn)了超導(dǎo)—量子金屬—絕緣體相變。
這一發(fā)現(xiàn)極大推動(dòng)量子器件領(lǐng)域的發(fā)展，而且為國(guó)際上爭(zhēng)論了三十多年的量子金屬態(tài)的存在提供了有力的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，并為人們研究量子金屬態(tài)提供了全新的思路。
7、中科院電工所研制出32.35T世界最高磁場(chǎng)超導(dǎo)磁體（2019.12）
中科院電工所王秋良團(tuán)隊(duì)成功研制出中心磁場(chǎng)高達(dá)32.35T的全超導(dǎo)磁體。在低溫超導(dǎo)磁體的同軸結(jié)構(gòu)內(nèi)部插入高溫超導(dǎo)磁體，在液氦浸泡下產(chǎn)生32.35T的中心磁場(chǎng)，并且實(shí)現(xiàn)全超導(dǎo)磁體的穩(wěn)定運(yùn)行。
該磁體采用了自主研發(fā)的高溫內(nèi)插磁體技術(shù)，打破了2017年12月由美國(guó)國(guó)家強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)造的32.0T超導(dǎo)磁體的世界紀(jì)錄，標(biāo)志著我國(guó)高場(chǎng)內(nèi)插磁體技術(shù)已經(jīng)達(dá)到世界領(lǐng)先水平，此項(xiàng)研究成果將服務(wù)于世界一流水平的綜合極端條件實(shí)驗(yàn)裝置用戶(hù)，為我國(guó)物質(zhì)科學(xué)探索新物態(tài)、新現(xiàn)象、新規(guī)律等基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究提供最先進(jìn)的強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)條件。
二、稀土超導(dǎo)材料的主要應(yīng)用
超導(dǎo)體作為20世紀(jì)最偉大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一，因其得天獨(dú)厚的、神奇的物理特性，目前超導(dǎo)體尤其是稀土超導(dǎo)體已經(jīng)進(jìn)入了科研、工業(yè)和人們的生活之中。如在科研中的應(yīng)用，很多超導(dǎo)儀器的分辨能力極高，利用超導(dǎo)裝置進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量，主要應(yīng)用于磁通量、電磁能等諸多物理量的基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域。在工業(yè)中的應(yīng)用，以電子工業(yè)中的超導(dǎo)計(jì)算機(jī)（圖9）為例，它的超大規(guī)模集成電路中元件間的互連線(xiàn)，均采用超導(dǎo)材料制作，因其電阻接近零和超微發(fā)熱，故而不存在散熱問(wèn)題。此外，超導(dǎo)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度是目前電子計(jì)算機(jī)望塵不及的，它大規(guī)模應(yīng)用高溫超導(dǎo)薄膜以加快計(jì)算速度，比硅器件快1000倍。它通過(guò)回憶信號(hào)傳遞速度，改善了具有普通芯片的機(jī)器性能。從而大大提高運(yùn)算速度，減小計(jì)算機(jī)體積，且元件不發(fā)熱、功耗非常小、無(wú)故障、高效率運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)。
在人們的生活中，以超導(dǎo)磁懸浮列車(chē)為例，它是一種速度快、無(wú)噪音、無(wú)震動(dòng)、省能源的綠色環(huán)保交通工具。1999年４月，日本研制的超導(dǎo)磁懸浮列車(chē)時(shí)速已達(dá)552km。我國(guó)西南交通大學(xué)研制成功的超導(dǎo)磁懸浮列車(chē)，最高設(shè)計(jì)時(shí)速達(dá)500km。2002年4月5日，我國(guó)第一條磁懸浮列車(chē)試驗(yàn)線(xiàn)在長(zhǎng)沙建成通車(chē)，設(shè)計(jì)時(shí)速150km。超導(dǎo)磁懸浮列車(chē)的工作原理：由超導(dǎo)材料制成的超導(dǎo)線(xiàn)圈即超導(dǎo)磁鐵，因其電流阻力為零，且可傳導(dǎo)強(qiáng)大電流，這是普通導(dǎo)線(xiàn)根本無(wú)法相提并論的，故將其制成體積小、功率強(qiáng)大的電磁鐵，安裝于列車(chē)的車(chē)輪旁邊，沿途軌道兩旁安裝金屬鋁環(huán)；當(dāng)列車(chē)開(kāi)始啟動(dòng)并前行時(shí)，軌道旁的金屬環(huán)就會(huì)切割磁力線(xiàn)，產(chǎn)生了感生磁場(chǎng)，其方向與超導(dǎo)磁場(chǎng)相反，進(jìn)而相互作用而產(chǎn)生一種向上浮力，導(dǎo)軌與機(jī)車(chē)間不存在任何實(shí)際接觸，沒(méi)有摩擦，起到加快車(chē)速的作用。
再有醫(yī)療中的超導(dǎo)體介子發(fā)生器，將超導(dǎo)磁體用來(lái)治療惡性腫瘤和腦血管等疾病，該醫(yī)療器就是將高溫超導(dǎo)材料用于了微波技術(shù)。近年來(lái)，我國(guó)超導(dǎo)微波器件的研究水平世界領(lǐng)先，主要有超導(dǎo)天線(xiàn)、超導(dǎo)濾波器和振蕩器以及超導(dǎo)結(jié)型混頻器等。此外，軍事上利用超導(dǎo)可以擊毀導(dǎo) 彈。國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER），俗稱(chēng)“人造太陽(yáng)”，該裝置也大量的使用了低溫超導(dǎo)材料。
三、結(jié)語(yǔ)
目前，高溫超導(dǎo)材料尤其是稀土超導(dǎo)材料應(yīng)用技術(shù)研究正在縱深發(fā)展，超導(dǎo)技術(shù)進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用開(kāi)發(fā)與應(yīng)用基礎(chǔ)性研究相推階段，并逐步進(jìn)入高技術(shù)產(chǎn)業(yè)階段。也可以說(shuō)，21世紀(jì)超導(dǎo)技術(shù)將是最具經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略意義的高新技術(shù)，稀土超導(dǎo)材料研發(fā)是有重大發(fā)展?jié)摿Φ膽?yīng)用技術(shù)，具有無(wú)限廣闊的市場(chǎng)前景。我國(guó)抓住了這一大發(fā)展的歷史機(jī)遇，期盼我國(guó)的超導(dǎo)科技及超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)再創(chuàng)輝煌。
文章轉(zhuǎn)摘來(lái)源：賢集網(wǎng)
