神奇的超导【图片版】

    超导是凝聚态物质里电子体系的一种宏观量子凝聚现象,涉及凝聚态物理中的基本概念和最前沿问题。超导材料具有零电阻和完全抗磁性等一系列神奇的特性,在能源、科研、医疗、通讯等各个领域均有重要用途。已逾百年的超导研究,在无数聪慧的科学家推动下,依旧不断绽放新的魅力!

 

设想的中国超导磁悬浮列车。 

目前世界上只有德国拥有超导磁悬浮列车技术,而且尚未推广使用。中国在上海有一条通往浦东机场的常导磁悬浮试运营线,西南交通大学有一辆超导磁悬浮试验列车。随着中国高铁建设的发展,超导磁悬浮列车也是将来可能采用的列车之一。  

  

超导磁悬浮的原理是利用了超导体的完全抗磁性(迈斯纳效应):进入超导态后,外部磁场的磁通线将被排出超导体外,因此当磁体靠近超导体时会受到很强的排斥力,当排斥力和重力抵消就实现了超导磁悬浮。

图中看到的超导磁悬浮都是采用了高温超导材料钇钡铜氧(属于第二类超导体),通过液氮冷却到超导临界温度以下,上方的小磁铁就可以悬浮起来了。 

   

 

超导体的Meissner效应:超导体进入超态后,外部磁场磁通线将被完全排出。 

  

    

由于水具有一定的抗磁性,处于强磁场中的生物如青蛙、老鼠等都可以实现常规磁悬浮。若要实现更强的磁悬浮,就必须借助完全抗磁的超导体。像日本相扑选手这样的体重,只要超导材料足够大,是可以悬浮在磁平台上的。 

 

单质超导元素:红色为常压下体超导的单质元素,绿色为高压下超导的单质元素,黄色为特殊形态(如薄膜或纳米管)下的超导元素。  

  

各种超导材料的外观形态 。 

   

随着技术的进步,氮气、氧气、氢气、氖气等各种气体先后被液化,最终只剩下了氦气未被液化,被当时认为是最难液化的气体。荷兰科学家昂尼斯以范德瓦尔斯方程为理论基础,在荷兰莱顿实验室搭建了一套氦气液化装置,通过对氦气的不断节流膨胀,终于成功获得了液态氦。液氦的沸点为4.2K,通过进一步节流膨胀可以获得1.5K左右的低温。液氦的成功获得极大地推进了低温物理学的发展。 在随后1911年昂尼斯等人测量了金属汞的低温电阻,发现了超导现象。 

  

目前发现的超导材料主要可以划分如下几大家族:金属和合金超导体、铜氧化物超导体、重费米子超导体、有机超导体、铁基超导体以及其他氧化物超导体等。
图中对应着几种超导体的晶体结构:常规金属超导体汞是密集堆积的立方晶格、铜氧化物高温超导体镧钡铜氧是以铜氧面为基础的层状结构、重费米子超导体铈钴铟和铁基高温超导体镧铁砷氧都是具有层状结构材料、有机超导体钾3碳60(掺钾足球烯)中钾离子分布在C60分子间隙当中。
 

  

目前发现的一些典型的超导体及其晶体结构。横轴为发现的年代,纵轴为超导临界温度,插图为几种超导体的晶体结构。1986年以来发现的铜氧化物高温超导体在短时间内大大提高了Tc,如同乌龟慢慢爬升的Tc ,在80年代坐上了火箭。目前最高纪录Tc为汞-钡-钙-铜-氧在加压下的Tc约164K。
插图显示了几种典型超导体的晶体结构:铌钛合金、铌锡合金、二硼化镁、钇钡铜氧和铋锶钙铜氧。
 

   

新材料探索就像在费米海中钓鱼。固体材料内部的电子体系构成了“费米海”,这些电子的可能组态决定了材料的宏观性质。当你试图用鱼钩钓到超导体的同时,其他“鱼类”(材料)也可能被你找到。于是在新材料探索中,总是充满惊喜和收获! 

 图下从左到右依次对应的材料为:超导、非传统和传统的近藤系统、准晶、Stoner系统、局域磁矩材料.(Nature Physics 4, 167 – 169 (2008) ) 

   

华氏温标、摄氏温标和热力学温标之间的对应关系。

   

前苏联科学家金兹堡和朗道建立的G-L超导唯象理论认为:外磁场并不是完全不可以进入超导体,实际上它穿透进入了超导体的表面。即使在超导临界温度以下,如果外磁场足够强, 那么它也可以完全进入超导体而彻底破坏超导态,即恢复到正常态。采用磁光技术,我们可以直接观测到磁通线是如何随着磁场的增加逐渐穿透到超导体内部中去的。图中树枝状即为已经进入超导体的磁通线,点状为有序排列的量子化磁通。 

  

 
         阿布里科索夫从G-L方程导出,在第二类超导体中,磁场其实是以量子化的量子磁通涡旋进入超导体内部的,一个磁通量子为Φ0=h/2e(约为2.067×10-15Wb)。每个磁通量子中间是有磁场穿透的正常态,周围被超导环流包围。在低温和低场下,量子磁通涡旋将有序地排列。随着温度和磁场的变化,磁通量子也会发生钉扎、跳跃、蠕动、流动等行为,有序排列的磁通格子将会出现固态、玻璃态、液态等各种状态。http://www.math.psu.edu/qdu/Res/Pic/gallery1.html
http://www.math.psu.edu/qdu/Res/Pic/vorill.gif
http://hoffman.physics.harvard.edu/research/STMimages/vortex-lattice.jpg
  

巴丁、库伯、施隶弗三人成功建立的传统金属超导体的微观理论——BCS理论。该理论突破了传统的单电子理论,对超导的研究产生了深远的影响。至今其中许多概念如Cooper对、能隙、相位相干等都还适用。BCS理论还被粒子物理和天文物理学家所借用,形成了许多新的理论体系。

  

图为BCS三人组在1972年获得诺贝尔物理学奖的照片。
 
 
         虽然BCS理论于1957年建立,但是其突破传统的思维一直难以被人接受。直到后来它所预言的物理现象一一被实验证实,BCS理论才被人们普遍接受。这是为何在理论出现15年之后才获得诺贝尔奖的原因。

   

BCS理论认为:当一个电子在晶格中运动时,会由于库仑相互作用而导致局域晶格畸变,这样,当另外一个电子通过时,会感受到第一个电子通过时导致的晶格畸变的影响,从而在两个电子之间间接产生吸引相互作用,相当于交换了虚声子。所有的电子对在运动过程中能够保持“步调一致”(物理上叫做相位相干,即具有相同相位),即使受到杂质等散射也将保持总动量不变,从而在外加电场作用下能够不损失能量而运动——这就是零电阻态的起源。

左图显示了电子对在空间尺度为约100纳米,远远大于晶格间距(0.1~0.4纳米),右图说明了局域的库仑相互作用是如何导致晶格畸变形成吸引相互作用的。 

   

图示为空穴型铜氧化物超导体的费米面和能隙,超导Cooper对在费米面附近上形成。
 
         当参与配对的两个电子的动量大小相等,方向相反,且自旋相反时,对配对最有利。配对后的电子将打开一个能隙,在铜氧化物超导体中,这个能隙会随着相对费米面的不同角度而变化,形成一个十字花瓣形。在反节点方向能隙最大,在节点处能隙为零,在90度范围内能隙大小呈现“V字形”分布。不同能隙区域还会有相位符号的变化。

   

和铜氧化物超导体相对比,铁基超导体也有类似的电子态相图。铁基超导体的母体也是反铁磁体,但属于金属态。随着空穴或者电子掺杂浓度的增加,反铁磁转变的奈尔温度将逐步被压制,最终出现超导。在非常过掺杂的材料中(即空穴或电子完全掺杂),甚至还存在另外一个小的超导区。 

   

         同样和铜氧化物超导体类似,铁基超导体也具有层状化学结构。它的基本单元是Fe-As层或Fe-Se层,中间是稀土氧化物、碱土金属、碱金属或者其他更复杂的化学结构。和铜氧化物不同的是,铁基母体材料中任何一个元素都可以被相近的元素所替代,形成化学内压、空穴或电子掺杂等而形成超导。

  

         超导的强电应用主要分三个方面:超导输电线、超导磁悬浮和超导磁体。主要利用了超导体的零电阻性和完全抗磁性。目前超导磁悬浮列车还属于试验阶段,尚未投入大规模应用。采用常规金属合金制造的超导输电线已经得到了广泛的应用,包括超导磁体的绕制。而高温超导材料制作的超导输电线也即将投入市场。
        超导磁体具有稳定性好、耗能低、磁场强等优势。在生物学研究和临床医学上采用的高分辨核磁共振成像技术大都是采用超导磁体。在科学研究中超导磁体更是应用广泛,比如常规实验室测量设备、大型加速器的加速通道和探测器等。

 

   

欧洲大型强子对撞机LHC上的高能粒子探测器和强制加速隧道,其中都用到了超导磁体。

   

位于合肥的超导托卡马克核聚变实验装置  http://www.fjkjt.gov.cn/newsedit.asp?news_xxbh=25276
 
        托克马克核聚变装置俗称“人造小太阳”,是解决目前化石燃料能源危机的出路之一。它利用人工可控核聚变技术,可以不断提供能源,超导磁体在其中可以约束核聚变反应,是达到人工可控目的的重要环节

  

        利用Josephson效应制备的超导量子干涉仪(SQUID)是最为精确的低磁场探测器之一,最高精度达到5×10−18 T。利用SQUID可以进行高精度的磁测量,它能够检测出地球磁场的几亿分之一的变化,也能够探测10−9 T 到 10−6 T之间的生物磁场。基于SQUID技术,人们还可以设计超导量子比特器件,它是量子计算机的基本元件之一,而量子计算机的多通道快速并行计算将为未来的人类生产和生活带来革命性的变化。

   

        高温超导微波器件是采用高温超导薄膜为波导材料制备的微波滤波器、超导天线及微波子系统等。高温超导滤波器具有很高的信噪比,比传统滤波器的性能有很大的提高。在军事和国防领域,超导滤波器可用于卫星和雷达通讯,在民用领域,可以服务于移动通信。目前,我国的部分移动通信基站已经开始采用铜氧化合物高温超导滤波器,高温超导滤波器已经悄然开始了产业化和规模化生产和应用。也许在您使用3G手机网上冲浪的时候,超导技术已经悄然在为您服务。

  

        如果室温超导体最终被找到,也许就可以制造如“悬浮云”式家居沙发,试想躺在云朵上的感觉是何等惬意!
        超导体可以用于信息通讯、强稳恒磁场、工业加工、无损耗输电、生物医学、磁悬浮运输和航空航天等领域。目前的超导应用仅仅利用了零电阻、完全抗磁性和超导相位相干等几个最主要的物理特征。由于我们对非常规超导体展现出的新奇量子现象还缺乏理解,在微观量子态的应用上更是十分稀少。随着超导研究的深入,新的超导材料也必将会被发现并应用。如同半导体的发现和应用让人类社会发生翻天覆地的变化一样,超导的应用前景也将会十分乐观,并给人类带来无尽的福音。

制约超导强电应用的因素主要是长期维持低温环境的费用比较昂贵,另外超导体具有一定的临界电流密度,对于Tc比较高的铜氧化物高温超导体,其临界电流密度很低,很难实现大规模强电应用。