畅谈超导体的历史与未来

畅谈超导体的历史与未来

作者：龙英霞（山东大学物理学院山东济南 250100）

关键词：超导体历史，应用，发展

摘要：超导体（superconductor）：在足够低的温度和足够弱的磁场下，其电

阻率为零的物质。（注意：一般材料在温度接近绝对零度的时候，物体分子热运动几乎消失，材料的电阻趋近于0。达到超导的温度称为临界温度，不同的材料，它的临界温度是不相同的。）

本文主要介绍了超导体的发展历史，以及超导体目前的一些应用，同时对未来超导体的发展做出了科学的展望。全文分为六大部分，内容包括：超导体的发展历史；超导体历史的总结概括及分析；超导体的应用发展之路；超导体应用方面的主要成就；超导体的巨大发展前景；畅谈超导体未来。

1.1）1911年：超导电性的发现

1911年，荷兰科学家卡莫林—昂内斯（Heike Kamerlingh-Onnes）用液氮

冷却汞，当温度下降到4.2K是，水银的电阻完全消失。（注意：也就是说水银

的临界温度是 4.2K，因此根据温度的不同超导体就被分为了高温超导体和低温超导体。特别要声明的是这里的高温任然是远远低于冰点0摄氏度的，这也就是超导体在实际应用中出现的最大阻碍。）

1933年，迈斯纳和奥克森菲尔德两位科学家发现，如果把超导体放在磁场中冷却，则在材料电阻消失的同时，磁感应线将从超导体中排出，不能通过超导体。（注意：这种现象被称为抗磁性。这个发现同时也预示着：超导材料的辞典阻碍已经跨越，剩下的大难题就是温度了。）

1973年，发现吵到合金——铌锗合金，其临界超导温度为23.2K，这一记

录保持了近13年。（注意：这一发现说明合金的临界温度要比纯金属的临界

温度高很多，这位科学家们寻找高温超导体材料指明了方向。）

1986年，设在瑞士苏黎世的美国IBM公司的研究中心报到了一种氧化物（镧钯铜氧化物）具有35K的高温超导体。同年，美国贝尔实验室研究的叨叨材料，其临界温度达到40K，液氢的“唯独壁垒“（40K）被跨越。（注意：40K跨越无疑鼓舞了科学家寻找高温超导体的信心。）

1988年初日本研制成临界温度达110K的Bi-Sr-Ca-Cu-O超导体。至此，人类终于实现了液氮温区超导体的梦想，实现了科学史上的重大突破。这类超导体由于其临界温度在液氮温度（77K）以上，因此被称为高温超导体。

自从高温超导材料发现以后，一阵超导热席卷了全球。科学家还发现铊系化合物超导材料的临界温度可达125K，汞系化合物超导材料的临界温度则高达135K。如果将汞置于高压条件下，其临界温度将能达到难以置信的164K。

1997年，研究人员发现，金铟合金在接近绝对零度时既是超导体同时也是磁体。1999年科学家发现钌铜化合物在45K时具有超导电性。由于该化合物独特的晶体结构，它在计算机数据存储中的应用潜力将是非常巨大的。

自２００７年１２月开始，中国科学院物理研究所的陈根富博士已投入到镧氧铁砷非掺杂单晶体的制备中。今年２月１８日，日本东京工业大学的细野秀雄教授和他的合作者在《美国化学会志》上发表了一篇两页的文章，指出氟掺杂镧氧铁砷化合物在零下247.15℃时即具有超导电性。在长期研究中保持着跨界关注习惯的陈根富和王楠林研究员立即捕捉到了这一消息的价值，王楠林小组迅速转向制作掺杂样品，他们在一周内实现了超导并测量了基本物理性质。

几乎与此同时，物理所闻海虎研究组通过在镧氧铁砷材料中用二价金属锶替换三价的镧，发现有临界温度为零下248.15℃以上的超导电性。

2008年３月２５日和３月２６日，中国科学技术大学陈仙辉组和物理所王楠林组分别独立发现临界温度超过零下233.15℃的超导体，突破麦克米兰极限，证实为非传统超导。

2008年３月２９日，中国科学院院士、物理所研究员赵忠贤领导的小组通过氟掺杂的镨氧铁砷化合物的超导临界温度可达零下２２１.１５℃，４月初该小组又发现无氟缺氧钐氧铁砷化合物在压力环境下合成超导临界温度可进一步提升至零下２１８.１５℃。

二、总结超导体的历史发展

2.1）超导体———一种神秘的现象，一种神奇的材料。它在温度、外界磁场强度和电流密度都小于临界值的条件下，具有导电时电阻和内部磁感应强度为零的性质。自1911年荷兰科学家卡末林、昂尼斯发现“超导”现象至今，世界各国的科学家从未间断过对“超导”的研究，特别是进入20世纪80年代以来，随着1987年中国、日本和美国科学家采用金属氧化物，将超导临界温度提高，使超导体前进了一大步，从而引起了一场前所未有的“超导大战”。近年来，世界各国纷纷投入巨资加紧研究与开发，不断推动超导技术产生新的飞跃。当日本宣布获得了17 5K的超导材料后不久，美、中、俄、联邦德国、丹麦等国也都相继有了突破性的研究报告，有的甚至已看到了308K的超导迹象，即已达到常温的转变温度。这表明，超导技术广泛应用的时代即将来临。

2.2）昂尼斯持久电流实验：为了证实（超导体）电阻为零，科学家将一个铅制的圆环，放入温度低于Tc=7.2K的空间，利用电磁感应使环内激发起感应电流。结果发现，环内电流能持续下去，从1954年3月16日始，到1956年9月5日止，在两年半的时间内的电流一直没有衰减，这说明圆环内的电能没有损失，当温度升到高于Tc时，圆环由超导状态变正常态，材料的电阻骤然增大，感应电流立刻消失，这就是著名的昂尼斯持久电流实验。

三、超导体的应用发展之路

1962年，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。

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化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。

4.1）超导磁悬浮列车

利用超导材料的抗磁性，将超导材料放在一块永久磁体的上方，由于磁体的磁力线不能穿过超导体，磁体和超导体之间会产生排斥力，使超导体悬浮在磁体上方。利用这种磁悬浮效应可以制作高速超导磁悬浮列车。

4.2）超导磁体计算机

高速计算机要求集成电路芯片上的元件和连接线密集排列，但密集排列的电路在工作时会发生大量的热，而散热是超大规模集成电路面临的难题。超导计算机中的超大规模集成电路，其元件间的互连线用接近零电阻和超微发热的超导器件来制作，不存在散热问题，同时计算机的运算速度大大提高。此外，科学家正研究用半导体和超导体来制造晶体管，甚至完全用超导体来制作晶体管。

4.3）核聚变反应堆“磁封闭体”

核聚变反应时，内部温度高达1亿～2亿摄氏度，没有任何常规材料可以包容这些物质。而超导体产生的强磁场可以作为“磁封闭体”，将热核反应堆中的超高温等离子体包围、约束起来，然后慢慢释放，从而使受控核聚变能源成为21世纪前景广阔的新能源。

4.4）费密冷凝体

科学家新近创造出一种新的物质形态，并预言它将帮助人类做出下一代超导体，以用于发电和提高火车的工作效率等多种用途。

这种新的物质形态称作“费密冷凝体”，是已知的第六种物质形态。前五种物质形态分别为气体、固体、液体、等离子体和1995年刚刚发明的玻色一爱因斯坦冷凝体。

磁悬浮列车

费密子和玻色子的重大差异，体现在“自旋”这一量子力学特性上。费密子是像电子一样的粒子，有半整数自旋（如1／2，3／2，5／2等）；而玻色子是像质子一样的粒子，有整数自旋（如0，1，2等）。这种自旋差异使费密子和玻色子有完全不同的特性。没有任何两个费密子能有同样的量子态：它们没有相同的特性，也不能在同一时间处于同一地点；而玻色子却能够具有相同的特性。因此，1995年物理学家将一定数量铷和钠原子冷却成玻色子时，大部分原子变成了同样的低温量子态，实际上成为单一巨大的整体原子：玻色一爱因斯坦凝聚态。但像钾一40或锂一6这样的费密子，即使在很低的温度下，每种粒子必定也有稍微不同的特性。

2003年，物理学家找到了一个克服以上障碍的方法。他们将费密子成对转变成玻色子，两个半整数自旋组成一个整数自旋，费密子对就起到了玻色子的作用，所有气体突然冷凝至玻色一爱因斯坦凝聚态。奥地利英斯布瑞克大学的科学家将锂一6原子冷却，同时施加稳定磁场，促使费密子结合在一起；美国科罗拉多“实验室天体物理学联合研究所”采用的技术略有不同，他们将钾一40原子冷却后施加磁场，通过磁场变化让每个原子强烈吸引附近的原子，诱发它们形成成对原子，然后凝聚成玻色一爱因斯坦凝聚态。

在前不久举办的国家“863计划十五周年成就展”上，别开生面的机器人足球赛、神奇的数字化家庭、转基因羊与克隆羊等所带来的种种科技神话令人大开眼界，而其中另有一项科技成果也格外引人注目，这就是我国研制成功的世界上第一辆载人高温超导磁悬浮列车。这辆小车很像一只可供四人乘坐的小船，它悬浮在轨道上时只要轻轻一推，就会平稳地在轨道上运行起来。可别小看了它，这一成果具有重大意义。

五、超导体的巨大前景

●材料明星不可思议

那么，为什么世界各国对“超导”技术的研究与开发如此重视呢？这主要是因为超导材料具有极其优越的物理特性：一是零电阻效应，二是约瑟夫逊效应，三是迈斯纳效应。超导体这些突出特性的重大意义，不亚于半导体的发现。甚至有专家预言，超导体的应用将导致一场新技术革命，特别是在军事领域的应用，将引起一系列巨大变革。

●军事应用前景广阔

超导体在军事领域的应用将十分广泛。采用超导体材料，可使许多重要的军用装备，如C4I系统、聚能武器、舰艇、飞机、坦克、装甲车辆、导弹等武器的性能得到大幅度的改善。

超导飞机设计制造大功率、小体积的发动机，对提高飞机的作战性能至关重要。目前，飞机所采用的均是磁流体发电，但利用普通磁体，很难使磁场强度高于15高斯，而如果利用超导磁体就能产生数万至几十万高斯的磁场，从而大大提高磁体发电的输出功率。所以，超导技术的突破，为大容量、小型化磁流体发电机的研制成功提供了条件，这种超导发电机正在加速走向实用化。目前，有些国家已在研制几百至一千兆瓦的体积小、重量轻的超导发电机，预计机载大功率超导发电机将成为超导技术在军事上率先得到应用的重点项目。

超导舰船20世纪70年代以来，美、苏、英、日等国积极开展超导技术在海

军舰船方面应用的研究，并不断取得成效。美国试制了7500马力的超导驱动系统；英国研制了650马力的超导电磁力推进装置；日本制成了世界上第一艘超导船。超导舰船由于取消了传统的螺旋桨推动部件，因而具有结构简单、维修方便、推力大、航速高、无震动、无噪声、无污染、造价低等诸多优点。潜艇应用超导推进系统后，能有效地消除噪音、降低红外辐射，从而不易被敌方发现，大大提高了舰船的快速机动能力和突防能力。

超导聚能武器聚能武器是把能量汇聚成极细的能束，沿着精确的方向，以接近或等于光速的速度发射出去，对目标进行杀伤。但目前在研制这些武器上几乎都遇到了能源问题。即如何在瞬间向聚能武器提供大量的能源，如激光武器，特别是大功率的战略激光武器耗能巨大，它要求在瞬间提供数十亿至数百亿焦耳的能量，而目前的储能装置储存的能量却非常有限，且体大笨重。而超导技术的发展，则为解决聚能武器能源问题提供了可能。

用超导材料制成的闭合线圈是一种理想的储能装置。因为只要线圈保持超导状态，它所储存的电磁能就会毫无损耗地长期保存下去，并可随时把强大的能量提供给聚能武器。超导储能装置使聚能武器如虎添翼，它有如给聚能武器提供了一个机动灵活、容量无比的弹药库。

超导C4I系统就目前来看，C4I系统的心脏———电子计算机，要想继续提高系统的性能和运算速度，功耗是一个实际的限制。为此，国外已积极开展超导计算机的应用研究，并已经研制出约瑟夫逊超导元件，利用这一元件可将电路速度提高一个数量级，功耗比同等功能的集成硅电路低三个数量级。超导计算机的突出特点是，可在元器件不发热、无电阻的情况下高效率地运行，C4I系统一旦应用了超导技术，其性能将获得空前的提高。

超导太空发射器1990年，日本研制出了一种新型的常温超导材料，它所具有的磁悬浮力相当于当时超导材料的300倍，它不仅可以用来制造高速磁悬浮列车，还可以用来发射航天飞机。如今，世界一些发达国家采用这种超导材料，已经研制出一种可以用来发射航天飞机的超导磁悬浮发射装置，它主要由一条3500米长的水平超导导轨和一条2000米高的垂直超导导轨相连接，形成一个近90度的陡坡。发射时，庞大的航天飞机在磁悬浮力的作用下，沿着水平方向前进并逐渐被加速，当到达终端的弧形轨道后，便随弧形轨道改变方向，并以每小时500—600千米的速度沿垂直导轨向上飞行，在距地面1500米左右时飞离发射装置，与此同时，航天飞机的发动机开始工作，靠自身的动力直刺苍穹。

采用超导磁悬浮发射装置取代火箭发射航天飞机，可以减轻航天飞机的重量，增加有效载荷，并且推力大、耗能少、起飞速度大、安全可靠、可多次重复使用，从而节省了大量经费。

●超导攻关激战犹酣

随着超导技术的进一步发展，超导常温材料研制成功，超导装甲车辆、超导坦克、超导导弹等形形色色的超导武器也将纷纷亮相。事实上，早在1987年，美国就将超导技术的发展及实用化列入了国防部计划、SDI计划和“常规防御计划”（CDI）。美国前总统里根一份“发展超导技术的11点计划”，其中明确规定要从 1988年开始的几年计划中，拨专款1．5亿美元，以保证超导计划能尽快应用在各种军事系统中，并说在实用化方面美国必须走在日本的前头。而日本则不甘落后，在预测1994—2005年技术发展趋势时明确指出，在拟完成的三项重点技术计划中，首项便是液氮温区以上的超导材料实用化。

不难预测，21世纪的战场，将有越来越多的超导武器频频出现，而它们的应用必将引起未来作战理论、作战样式和战略战术等方面的一系列变革。

六、畅谈超导体的未来

显然的超导体在现代社会已经有很多用途了，上面举的例子已经够多的了，我就不再罗嗦。下面我将谈谈我对未来世界超导体的广泛应用的畅想，或者更加准确点说就目前而言的幻想吧！

众所周知，中国为了修建三峡工程可谓是不惜血本啊！为什么要耗费如此巨大来建造三峡？中国原本是利用火力发电的，现在改用水力发电（还是有好多地方的电是靠火力的）。火力发电的能量来源绝大部分是煤炭，自然就要耗费大量的煤炭，这是显而易见的。而煤炭又是不可再生资源。然而，世界范围内都面临着资源危机，显然身为不可再生资源的煤炭在其中扮演着一个十分重要的角色。利用水力发电也就解决大大了这个问题，这就是为什么即使牺牲再大也要建造三峡水电站的根本原因。但是单单靠一个三峡水力发电显然是不够用的，特别是在这样一个什么都要用电的现代化社会之中。煤炭在发电这方面的使用依然是十分巨大的。即使加上风力发电等其它能量来源，依然还是不能满足现代社会对电力的需求。那么要怎样做？

显然改变能量来源已经实在太难了。那么就只能从减少甚至杜绝损耗方面下手了。众所周知，在日常生活中电不是全部做了有用功，其中很大一部分做的都是无用功。而这无用功中的绝大部分是因为输电线的损耗。下面我们就探讨一下输电线损耗的问题。

W=Pt=I*I*R*t

R=ρ*L／S

从上面的公式我们不难看出，做功与电阻成正比，而电阻又与电线的长度成正比，与电线的切面机成反比，同时还与输电导线的电阻率有关即与输电线的材料又关。从成本等个方面综合分析，铜是相对比较便宜的金属中电阻率最小的金属了。而现实中的输电线也确确实实选择的是铜作为输电线的材料的。

千家万户分住各地，我们不可能把他们集中在一个地方居住，所以L无法改变，这也是不争的事实，同时因为考虑到热胀冷缩的物理现象，我们的两根电杆间的输电线还必须长于他们的实际长度，这使得L的值相对而言就更加大了。而S做得太大也不切合实际。显然R是很大，自然损耗功也是很大的。

但是大家不要忘了超导体，如果使用超导体作为我们的输电线的材料，我们将永永远远告别输电线上带来的损耗。输电线上得损耗的杜绝将让我们可以很自信的向宇宙宣布我们地球上将不用再以牺牲煤炭为代价来换取电能了，因为利用其它方式发电将完完全全能够满足我们的所需。下面我来粗劣计算下输电线上电能的损耗，以此来证明当用超导体作为输电线时将带来的巨大利益。

输电线铜的电阻率大约为1.6﹡10^—8 Ω·m

设输电线的切面积的直径为1cm

输电线的长度设为10^4 （当长度为一万米十我国采用的输电的高压为10千伏）

时间设为一天

则S=ΠR^2=Π(1cm／2)^2= 0.785cm^2

R=ρ*L／S=1.6*10^—8Ω·m *10^4m／0.785*10^—4m=2.04Ω

W=U^2／R*T=(10*10^3)^2／2.04Ω*24h=1.18*10^9w／h

三峡水电站2007日产电量为1亿千瓦时，即为1*10^12w／h

1.18*10^9／1*10^12=0.118%

J仅仅一万米的输电线就将近耗损一个三峡水电站日发电量的0.118%,可见输电线上电能耗损之巨大啊！

当然那天的来临还需要我们物理界的精英们继续努力，相信只要我们持之以恒，永不放弃迟早我们会迎接那一天的来临的。当然超导体如果在常温下也能存在的话它在其它各个领域都将有不俗的表现，这也是肯定的。

让我们等待超导王国的到来吧！！！！！！

参考文献：