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[等离子体所]超导的研究发展历史
资料来源:中科院等离子体物理研究所

摘要:1911年卡末林·昂内斯意外地发现,将汞冷却到-268.98℃时,汞的电阻突然消失;后来他发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性。

1911年卡末林·昂内斯意外地发现,将汞冷却到-268.98℃时,汞的电阻突然消失;后来他发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性。
  1913年卡末林·昂内斯在诺贝尔领奖演说中指出:低温下金属电阻的消失“不是逐渐的,而是突然的”,水银在4.2K进入了一种新状态,由于它的特殊导电性能,可以称为超导态” 。
  1932年霍尔姆和卡末林·昂内斯都在实验中发现,隔着极薄一层氧化物的两块处于超导状态的金属,没有外加电压时也有电流流过。
  1933年荷兰的迈斯纳和奥森菲尔德共同发现了超导体的一个极为重要的性质,1935年德国人伦敦兄弟提出了一个超导电性的电动力学理论。
  1950年美籍德国人弗茹里赫与美国伊利诺斯大学的巴丁经过复杂的研究和推论后,同时提出:超导电性是电子与晶格振动相互作用而产生的。他们都认为金属中的电子在点阵中被正离子所包围,正离子被电子吸引而影响到正离子振动,并吸引其它电子形成了超导电流。
  接着,美国伊利诺斯大学的巴丁、库柏和斯里弗提出超导电量子理论,他们认为:在超导态金属中电子以晶格波为媒介相互吸引而形成电子对,无数电子对相互重叠又常常互换搭配对象形成一个整体,电子对作为一个整体的流动产生了超导电流。由于拆开电子对需要一定能量,因此超导体中基态和激发态之间存在能量差,即能隙。这一重要的理论预言了电子对能隙的存在,成功地解释了超导现象,被科学家界称作“巴库斯理论”。这一理论的提出标志着超导理论的正式建立,使超导研究进入了一个新的阶段。
  1953年毕派德推广了伦敦的概念并得到与实验基本相符的超导穿透深度的数值,1960-1961年美籍挪威人贾埃瓦用铝做成隧道元件进行超导实验,直接观测到了超导能隙,证明了巴库斯理论。他在大量实验中,曾多次测量到零电压的超导电流,但未引起他的重视。
  1962年仅20多岁的剑桥大学实验物理研究生约瑟夫逊在著名科学家安德森指导下研究超导体能隙性质,他提出在超导结中,电子对可以通过氧化层形成无阻的超导电流,这个现象称作直流约瑟夫逊效应。当外加直流电压为V时,除直流超导电流之外,还存在交流电流,这个现象称作交流约瑟夫逊效应。将超导体放在磁场中,磁场透入氧化层,这时超导结的最大超导电流随外磁场大小作有规律的变化。约瑟夫逊的这一重要发现为超导体中电子对运动提供了证据,使对超导现象本质的认识更加深入。约瑟夫森效应成为微弱电磁信号探测和其他电子学应用的基础。
  70年代超导列车成功地进行了载人可行性试验。超导列车是在车上安装强大的超导磁体,地上安放一系列金属环状线圈。当车辆行进时,车上的磁体在地上的线圈中感应起相反的磁极,使两者的斥力将车子浮出地面。车辆在电机牵引下无摩擦地前进,时速可高达500千米。
  1986年1月在美国国际商用机器公司设在瑞士苏黎世实验室中工作的科学家柏诺兹和缪勒,首先发现钡镧铜氧化物是高温超导体,将超导温度提高到30K;紧接着,日本东京大学工学部又将超导温度提高到37K。
  1987年1月初日本川崎国立分子研究所将超导温度提高到43K;不久日本综合电子研究所又将超导温度提高到46K和53K。中国科学院物理研究所由赵忠贤、陈立泉领导的研究组,获得了48.6K的锶镧铜氧系超导体,并看到这类物质有在70K发生转变的迹象。
  1987年2月16日美国国家科学基金会宣布,朱经武与吴茂昆获得转变温度为98K的超导体。1987年2月20日中国也宣布发现100K以上超导体。1987年3月3日,日本宣布发现123K超导体,1987年3月12日中国北京大学成功地用液氮进行超导磁悬浮实验。 1987年3月27日美国华裔科学家又发现在氧化物超导材料中有转变温度为240K的超导迹象。1987年12月30 美国休斯敦大学宣布,美籍华裔科学家朱经武又将超导温度提高到40.2K1987年日本铁道综合技术研究所的“MLU002”号磁悬浮实验车开始试运行。1991年3月日本住友电气工业公司展示了世界上第一个超导磁体。
  1991年10月日本原子能研究所和东芝公司共同研制成核聚变堆用的新型超导线圈。该线圈电流密度达到每平方毫米40安培,为过去的3倍多,达到世界最高水准。该研究所把这个线圈大型化后提供给国际热核聚变堆使用。这个新型磁体使用的超导材料是铌和锡的化合物。
  1992年1月27日第一艘由日本船舶和海洋基金会建造的超导船“大和”1号在日本神户下水试航。超导船由船上的超导磁体产生强磁场,船两侧的正负电极使水中电流从船的一侧向另一侧流动,磁场和电流之间的洛伦兹力驱动船舶高速前进。这种高速超导船直到目前尚未进入实用化阶段,但实验证明,这种船舶有可能引发船舶工业爆发一次革命,就像当年富尔顿发明轮船最后取代了帆船那样。
  1992年一个以巨型超导磁体为主的超导超级对撞机特大型设备,于美国得克萨斯州建成并投入使用,耗资超过82亿美元。 1996年改进高温超导电线的研究工作取得进展,制成了第一条地下输电电缆。欧洲电缆巨头皮雷利电缆公司、美国超导体公司和旧金山的电力研究所的工人,共同把6000米长的铋、锶、钙、铜和氧制成的线缠绕到一根保持超导温度的液氮的空管子上。
  2001年4月,340米铋系高温超导线在清华大学应用超导研究中心研制成功,并于年末建成第一条铋系高温线材生产线。2001年5月,北京有色金属研究总院采用自行设计研制的设备,成功地制备出国内最大面积的高质量双面钇钡铜氧超导薄膜,达到国际同类材料的先进水平 2001年7月,香港科技大学宣布成功开发出全球最细的纳米超导线。中国超导临界温度已提高到零下120摄氏度即153K左右。

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