超导效应指什么意思,超导效应原理图(绝缘体如何转变为超导体?)

超导效应

超导效应的发现则来源于 1911 年荷兰科学家海克·卡末林·昂内斯的一次意外之举,1908年,得益于低温技术的发展,来自荷兰莱顿大学莱顿低温实验室的昂内斯教授以极大的精力改善了实验室装备,通过采用压缩氮气节流预冷氢、氢压缩节流预冷氦,最终用压缩节流的方法将氦液化,获得了4.2K的低温。成功将最后一种“永久气体”——氦气液化。

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氦气制冷的氢液化系统

永久气体是指临界温度小于-10℃的气体(新标准改为-40℃)。如:空气、氧、氮、氢、甲烷、一氧化碳等气体,氦气是最后一种被液化的永久气体,因为液化氦气需要非常低的温度。(只要低于一定的温度,就可以把气体转化为液体,同理,如果需要把液体转化为气体,就需要达到一定的高温)

低温研究的突破,为超导效应的发现奠定了基础。再接再厉的昂内斯在 1911 年发现,在4.3K低温以下,铂的电阻保持为一常数,而不是通过一极小值后再增大。

因此昂内斯认为纯铂的电阻应在液氦温度下消失。为了验证这种猜想,昂内斯选择了更容易提纯的汞作为实验对象。首先,昂内斯将汞冷却到零下40℃,使汞凝固成线状;然后利用液氦将温度降低至4.2K附近,并在汞线两端施加电压;当温度稍低于4.2K时(相当于-269℃时,将开氏温度转变为摄氏度的公式就是开氏温度-273,因为绝对零度是-273度),汞的电阻突然消失,表现出超导状态,后来他又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,由于它的特殊导电性能,卡茂林-昂尼斯称之为超导效应。

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一开始,超导效应只能在低温下实现,1957年,三位物理学家提出了BCS理论,而美国物理学家麦克米兰发现,BCS理论存在一个极限温度大约39K,高于这个温度后的任何物质,都不能形成超导态,这个发现被称为麦克米兰极限,这一极限打击了人们的信心,因为如此低的温度难以用于实际。

直到1987年,物理学家吴茂昆和朱经武在钇钡铜氧系材料上把临界超导温度提高到90K以上,液氮的“温度壁垒”(77K)也被突破了。

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朱经武

这是史上第一次超越液态氮沸点“温度壁垒”而将超导温度从30K提升到90K(摄氏零下183度)以上,液氮的“温度壁垒”(77K)也被突破了,科学界因此把临界温度高于77K称之为“高温超导”,它是指一些具有较其他超导物质相对较高的临界温度的物质在液态氮的环境下产生的超导现象,并不是真的高温。

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直到目前为止,科学家依然没有实现常温超导,这是科学界一直努力想要实现的目标。

超导材料有哪些

既然存在超导效应,那么肯定有超导材料,人们开始把处于超导状态的导体称之为“超导体”也称超导材料,它一般是指在某一温度下,电阻为零的导体。在实验中,若导体电阻的测量值低于10的-25次方Ω,就可以认为电阻为零。超导体不仅具有零电阻的特性,另一个重要特征是完全抗磁性。

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可以说,对超导体的研究在凝聚态物理领域甚至在整个物理学界中,都扮演着不可忽视的重要角色。

科学界发现大多数金属元素以及数以千计的合金、化合物都在不同条件下显示出超导性。如钨的转变温度为0.012K,锌为0.75K,铝为1.196K,铅为7.193K。

超导体得天独厚的特性,使它可能在各种领域得到广泛的应用。但由于早期的超导体存在于液氦极低温度条件下,极大地限制了超导材料的应用。

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直到1987年,物理学家吴茂昆和朱经武在钇钡铜氧系材料上把临界超导温度提高到90K以上,突破自1911年后七十多年的物理学研究瓶颈,为临界温度高于77K的材料称为高温超导体下了定义,此后,很多科学家开始尝试打破麦克米兰极限,努力寻求高温超导体。

比如于20世纪80年代最早被发现的铜氧化物——钇钡铜氧,以及后来发现的铊-钡-钙-铜-氧系材料,除了铜氧化物超导体之外,还有氢基超导体、铁基超导体、金属低温超导体等。

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而来自德国马克思普朗克化学研究所的物理学家Mikhail Eremets更是氢化镧(LaH)利用在-23℃(250K)的条件下实现超导。

但是,此类高温超导体,由于微观结构非常复杂,结构往往难以调整,很难进行微观尺度的研究,所以难以发现其超导机制;而超高压类的超导体,研究起来更难,也无法实现实际应用。

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像2019年来自美国乔治华盛顿大学的地球物理学家Russell Hemley其团队合成的氢化镧(LaH10)超导转变温度为260K(约-13.15℃),比Mikhail Eremets的-23℃(250K)还低。

但是,Hemley等人的实验需要在200GPa的超强压力下进行,且这种化合物的超导特性还有待进一步验证。

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尽管应用难度很高,但超导材料具有的优异特性使它从被发现之日起,就向人类展示了诱人的应用前景。但要实际应用超导材料又受到一系列因素的制约,这首先是它的临界参量,其次还有材料制作的工艺等问题(例如脆性的超导陶瓷如何制成柔细的线材就有一系列工艺问题)。

超导体的应用可分为三类:强电应用、弱电应用和抗磁性应用。强电应用即大电流应用,包括超导发电、输电和储能;弱电应用即电子学应用,包括超导计算机、超导天线、超导微波器件等;抗磁性应用自然就显而易见了。

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到80年代,超导材料的应用主要有:①利用材料的超导电性可制作磁体,应用于电机、高能粒子加速器、磁悬浮运输、受控热核反应、储能等;可制作电力电缆,用于大容量输电(功率可达10000MVA);可制作通信电缆和天线,其性能优于常规材料。②利用材料的完全抗磁性可制作无摩擦陀螺仪和轴承。③利用约瑟夫森效应可制作一系列精密测量仪表以及辐射探测器、微波发生器、逻辑元件等。利用约瑟夫森结作计算机的逻辑和存储元件,其运算速度比高性能集成电路的快10~20倍,功耗只有四分之一。

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如果有哪种材料能够在室温下表现出超导电性,就可以为能量传输、医用扫描仪和交通领域带来革命性的改变。科学家后来锁定了石墨烯。

石墨烯:绝缘体向超导体的轻松转变

2004年,英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·盖姆(Andre Geim)和康斯坦丁·诺沃消洛夫(Konstantin Novoselov)发现他们能用一种非常简单的方法得到越来越薄的石墨薄片。他们从高定向热解石墨中剥离出石墨片,然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上,撕开胶带,就能把石墨片一分为二。不断地这样操作,于是薄片越来越薄,最后,他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片,这就是石墨烯。

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2009年,安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫在单层和双层石墨烯体系中分别发现了整数量子霍尔效应及常温条件下的量子霍尔效应,他们也因此获得2010年度诺贝尔物理学奖。在发现石墨烯以前,大多数物理学家认为,热力学涨落不允许任何二维晶体在有限温度下存在。所以,它的发现立即震撼了凝聚体物理学学术界。虽然理论和实验界都认为完美的二维结构无法在非绝对零度稳定存在,但是单层石墨烯能够在实验中被制备出来。

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自石墨烯被发现以来,其诸多优异属性一直令人印象深刻:比如它比铁还要坚固,比铜的导电性还要好等等,还具有透光率、机械强度、稳定性等等性质,在各种不同的领域都发挥着效用,比如移动设备、航空航天、新能源电池领域等。

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石墨烯材料结构图

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日本东北大学和东京大学的研究人员在2016年用两片石墨烯构建了一个类似夹心饼干似的结构,在石墨烯片中插入了一些钙原子之后惊奇地发现,这个结构实现了超导性!也就是说,如此构建的材料可以实现电阻为零。

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2018年,曹原团队在研究之中发现,堆叠的双层石墨烯中,电学行为对原子排列非常敏感,影响层间电子移动。对于物理学家而言,电学行为通常是由能量主导。而在这项研究中,单层石墨烯内原子间电子移动有关的能量在eV量级,而在层间的电子移动涉及的能量量级最多在几百meV。要想解开这个谜题,对称性是关键!所以曹原团队尝试将两层石墨烯片叠加起来,两层的晶格取向互相旋转一个角度。

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双层石墨烯电性能与相对偏离角关系的实验

当角度刚好是1.1°时。曹原团队惊奇地发现了双层石墨烯一个意想不到的行为:双层石墨烯材料具有了超导特性。

也就是说当两层石墨烯以一个“魔角”扭曲在一起时,只做了简单的角度旋转,就能在零电阻下导电。让双层石墨烯实现从绝缘体到超导体的转变,被称为”魔角”双层石墨烯的概念顿时大火起来,它已经为超导研究开拓出一个新的子领域——”转角电子学”(twistronicic),极有望推动超导技术的进一步发展。。

而最近,由中国、美国和日本科学家们共同完成的一项研究表明,”魔角”双层石墨烯的超导性可以通过一个很小的电压变化来开启或关闭,这增加了其超导性在电子设备中的用途。

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该研究发表在了最近一期的 Nature 杂志上,研究负责人之一、得克萨斯大学奥斯汀分校的理论物理学家 Allan MacDonald 表示:”创造出一种室温下具有超导性的材料,可以说是物理学的圣杯。所以这就是该研究的部分动机——为了更好地理解高温超导性。”

随着探索的不断深入,从绝缘体向超导体轻松转变的方法已经被科学界窥得路径,相信在不久的将来,常温超导一定会得到实现,从而掀起新一轮革命!

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