1.超导发展史(1911-2023)
1911年,荷兰物理学家H. Onnes发现,当温度降至4.2K左右时,汞突然进入新状态,其电阻小到几乎无法检测到。 他将汞的这种新状态描述为“超导状态”。 后来人们发现许多其他金属也具有超导性。 翁尼斯因其发现而获得 1913 年诺贝尔奖。
1913年,卡默林·翁内斯在诺贝尔奖获奖感言中指出:金属电阻在低温下的消失“不是渐进的,而是突然的”。 水星在 4.2K 处进入新状态。 由于其特殊的导电性能可称为“超导态”。
1932年,霍尔姆和卡默林·昂内斯在实验中发现,在没有外部电压的情况下,电流可以流过两片处于超导状态的金属,两片金属之间被一层很薄的氧化物隔开。
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其重要的性质。 1935年,德国伦敦兄弟提出超导电动力学理论。
1950年,经过复杂的研究和推断,伊利诺伊大学的德裔美国人弗鲁里希和巴丁同时提出超导是由电子与晶格振动的相互作用引起的。 他们都认为金属中的电子被晶格中的正离子包围。 正离子被电子吸引,影响正离子的振动并吸引其他电子形成超导电流。
随后,美国伊利诺伊大学的巴丁、库珀和斯里弗提出了超导电子理论。 他们认为,在超导金属中,电子通过晶格波作为介质相互吸引,形成电子对,无数电子对相互作用。 重叠且通常可互换的物体形成一个整体,电子对作为一个整体的流动产生超导电流。 由于分解电子对需要一定的能量库珀物理学家,因此超导体的基态和激发态之间存在能量差或能隙。 这一重要理论预言了电子对能隙的存在,并成功解释了超导现象。 科学界称之为“巴克斯理论”。 该理论的提出,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,比帕德推广了伦敦的概念,得到了与实验基本一致的超导穿透深度值。 1960年至1961年,挪威裔美国人Jaeva用铝制作隧道元件进行超导实验,直接观测到超导能隙,证明了巴科斯的理论。 在大量的实验中,他曾多次测量过零电压超导电流,但他并没有太在意。
1962年,年仅20多岁的剑桥大学实验物理学研究生约瑟夫森在著名科学家安德森的指导下研究超导体的能隙特性。 他提出,在超导结中,电子对可以穿过氧化层,形成畅通无阻的超导电流。 这种现象称为直流约瑟夫森效应。 当外部直流电压为V时,除了直流超导电流外,还有交流电流。 这种现象称为AC约瑟夫森效应。 将超导体放入磁场中,磁场会渗透到氧化层中。 此时,超导结的最大超导电流随着外部磁场的大小而有规律地变化。 约瑟夫森的重要发现为超导体中电子对的运动提供了证据,加深了我们对超导本质的认识。 约瑟夫森效应成为检测微弱电磁信号和其他电子应用的基础。
20世纪70年代,超导列车成功进行了载人可行性试验。 超导列车在列车上安装了强大的超导磁体,并在地面上放置了一系列金属环形线圈。 当车辆行驶时,车辆上的磁铁会在地面上的线圈中感应出相反的磁极,导致两者之间的排斥力将车辆升离地面。 车辆在电机的牵引下无摩擦地向前行驶,最高时速可达500公里。
1986年1月,在瑞士苏黎世国际商业机器公司实验室工作的科学家贝尔诺兹和穆勒首次发现钡镧铜氧化物是高温超导体,将超导温度提高到30K; 随后,日本东京大学工学部将超导温度提高到37K。
1987年1月上旬,日本川崎国立分子研究所将超导温度提高到43K; 不久之后,日本电子研究所将超导温度提高到46K和53K。 中国科学院物理研究所赵忠贤、陈立全研究团队获得了48.6K的锶镧铜氧化物超导体,并在70K时看到了该类材料相变的迹象。
1987年2月16日,国家科学基金会宣布朱敬武和吴茂坤获得了转变温度为98K的超导体。 1987年2月20日,中国也宣布发现了100K以上的超导体。 1987年3月3日,日本宣布发现123K超导体。 1987年3月12日,中国北京大学利用液氮成功进行了超导磁悬浮实验。 1987年3月27日,美籍华人科学家在氧化物超导材料中发现了转变温度为240K的超导迹象。 1987年12月30日,美国休斯敦大学宣布,美籍华裔科学家朱敬武已将超导温度提高到40.2K。 1987年,日本铁道研究所的“”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块超导磁体。
1991年10月,日本原子能研究所和东芝公司联合开发出用于核聚变反应堆的新型超导线圈。 线圈的电流密度达到每平方毫米40安培,是过去的三倍多,达到世界最高水平。 该研究所扩大了线圈并提供给国际热核聚变反应堆使用。 这种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,日本造船海洋工程基金会建造的第一艘超导船“大和”1号在日本神户下水进行试航。 超导船通过船上的超导磁体产生强磁场。 船两侧的正电极和负电极导致水中的电流从船的一侧流向另一侧。 磁场和电流之间的洛伦兹力驱动船舶高速前进。 这种高速超导船还没有进入实用阶段,但实验证明,这种船可能会引发造船业的一场革命,就像富尔顿发明最终取代帆船的蒸汽船一样。
1992年,以巨型超导磁体为基础的大型超导超级对撞机设备在美国德克萨斯州建成并投入使用,耗资超过82亿美元。 1996年,高温超导线材改进研究工作取得进展,建成第一条地下输电电缆。 欧洲电缆巨头倍耐力电缆公司、美国超导公司和旧金山电力研究所的工人们将 6,000 米长的由铋、锶、钙、铜和氧制成的电线缠绕成保持超导温度的液体。 在空氮气管上。
2001年1月,日本科学家报告称,二硼化镁等简单材料在39K时实现了超导,这非常接近低温超导的麦克米伦极限。
2001年4月,清华大学应用超导研究中心研制成功340米铋基高温超导线材,并于年底建成第一条铋基高温导线生产线。
2001年5月,北京有色金属研究院采用自行设计开发的设备,成功制备出国内最大的高质量双面钇钡铜氧化物超导薄膜,达到了世界同类材料的先进水平。
2001年7月,香港科技大学宣布成功研制出世界上最细的纳米超导线材。 我国超导临界温度已升至-120摄氏度,约合153K。
2008年,超导再次流行。 这把火是日本人点燃的,烧起来的却是中国人,即铁基超导体。 2008年,日本研究小组报道了层状结构体系的26K超导性。 中国科学家迅速反应,久违的火炉又开始燃烧。 赵忠贤、王南林、陈显辉等人合成了一系列铁基化合物,其超导临界温度超过麦克米伦极限,达到55K,表明该体系是一类高温超导体。 该成果荣获2013年国家自然科学奖一等奖,一度被认为有可能获得诺贝尔奖。 2008年,《科学》杂志以《新超体将中国物理学家推向世界前沿》为题,认为“中国研究成果的洪流标志着在凝聚态物理领域,中国已成为一个强国”。
2014年,吉林大学崔田教授通过计算预测,在200 GPa的高压下,硫化氢的超导临界温度在191K~204K之间。 这一成果很快引起了国际超导研究人员的关注。 年底,德国马克斯·普朗克研究所的实验证实了这一预测。 他们获得了临界温度为190K的硫化氢。 一年后,临界温度提升至203K,突破干冰温度区。 当然,正如前面所说,这个结果是在高压下产生的,实用价值不大,但仍然很令人兴奋。 另一种预计具有神奇超导性的材料是金属氢。 理论预测氢气在极高压力下可能会变成类金属导体,即金属氢。 除了是一种高能炸药之外,它也很可能是一种室温超导体。 这就是人们蜂拥而至的原因。
2017年,该杂志报道哈佛大学实验室成功制取金属氢,引起巨大轰动。 然而一个月后,他们宣布地球上唯一的金属氢样本由于操作错误而消失。 而且,他们从来没有重复过之前的实验结果,其他人也没有。
2018年,21岁的麻省理工博士生曹原一天之内在杂志上连续发表两篇文章,讨论了双层石墨烯重叠角为1.1°时的超导现象。 虽然其临界温度只有1.7K,但超导行为与结构之间如此特殊的对应关系还是首次被发现。 这一发现为超导物理乃至凝聚态物理的研究开辟了新的方向,无数学者正在跟进。 该成果被评为2018年十大科研进展之一。2018年7月底,论文预印本网站arXiv上出现了一篇开创性的文章。 标题被翻译成中文为“室温常压下超导体存在的证据”。 作者是印度科学院教授。 看这篇文章的名字,似乎这就是堪称物理学圣杯的成果! 文章描述了一种在230~240K温度下产生超导性的金银复合纳米粒子。 它还说,如果材料更纯净,制备更仔细,临界温度可以达到室温。 这篇文章引起了巨大反响,但也收到了不少质疑。 有人发现文章附图中两条不同的曲线出现了相同的错误模式,这意味着数据造假的可能性很大。 我把这个消息发给了一位研究纳米材料的教授,征求他的意见。 他说我应该先给印度的文章打个问号。 当然,这一切还没有最终确定。 文章已投稿,但截至目前,尚未通过审核。
2019年,德国马克斯·普朗克化学研究所的团队报道称,当压力被压缩到地球大气压一百万倍以上时,氢化镧化合物在250 K(-23℃)下成为超导体,是迄今为止最接近室温的超导体。
2020年10月15日,美国科学家Ranga P. Dias等人封面发表重磅论文,实现15℃室温超导。 这种超导材料是由C、H、S三种元素组成的化合物。通过增加压力,发现这种超导转变可以在越来越高的温度下实现,最终达到287.7K的转变温度,并且所需压力是大气压的260万倍。
2023年6月,美国麻省理工学院的研究人员发现了超导体硒化铁转变为超导态的新机制。
2023年7月,《自然》杂志()发表中山大学王猛教授团队领导的科学成果:首次发现液氮温度区域氧化镍超导体
2023年7月22日,韩国科学技术研究院(KIST)量子能源研究中心的韩国团队在预印本arXiv上发表了题为“第一个室温常压超导体”的论文。 文章称,韩国团队首次在常压下成功合成了室温超导体(Tc≥400 K,127℃),其结构为改性铅磷灰石(LK-99)。 (/abs/2307.16402)
2023年7月31日,美国伯克利劳伦斯国家实验室重复发表了LK-99超导测试论文(/abs/2307.16892)。 结果表明,在正确的位置替换铜是获得大块超导样品的综合挑战。 尽管如此,鉴于这些诱人的理论特征和可能的高TC超导性的实验报告,预计这类新型材料的发现将刺激对掺杂磷灰石矿物的进一步研究。
2023年7月31日,中国北京航空航天大学重复了LK-99超导测试试卷(/abs/2307.16802.pdf)。 结果表明,“改性铅磷灰石室温超导体”的结论可能需要更仔细地重新审视,尤其是电传输性能。
2. 超导应用
一是强电流应用。 即大电流或强磁场下的超导应用。
基础科学研究:基础科学研究往往需要强磁场的环境。 大型粒子加速器、高能粒子探测器、人工可控核聚变装置等都需要高强度超导磁体。
能源行业:现阶段最高效的特高压交流输电技术需要通过变电站,以市电电压传输到家庭。 长距离传输会造成电能损失,造成能源浪费,增加环境负担。 零电阻超导电路根本不需要变电站,可以在较低电压下进行大功率传输,零损耗传输电能。 这对于能源行业来说是一次革命性的变化。
医疗行业:当今医院使用的磁共振成像(MRI)机器具有非常高的成像清晰度和识别度。 他们依靠超导磁体。 超过14特斯拉的超强超导磁体MRI技术可以清晰测量大脑中全部860亿个神经元,为多种疾病提供精准的医学诊断图像。
交通:您可能听说过或乘坐过磁悬浮列车。 速度与高速列车相似。 上海浦东机场高速磁浮列车仅需8分钟即可行驶30公里。 如果换成超导磁悬浮,速度可以提高一倍。 2020年,西南交通大学建成首座高速超导磁浮样车。 未来,大家乘坐时速超过600公里的超导磁浮高速列车,出行将更加高效。
二是弱电应用。 即大电流或强磁场下的超导应用。
普通人日常接触最多的是弱电应用,例如:
3.超导与诺贝尔奖
五位因超导而获得诺贝尔物理学奖的人:
超导发现者:1911年,荷兰物理学家卡梅林·昂内斯发表了题为《水星突然快速消失的电阻》的论文,发现了零电阻现象,称为“超导”。
超导热力学效应:1950年,俄罗斯科学家AA和英国科学家提出超导热力学效应,认为超导是量子系统中的热力学相变。 (2003年诺贝尔奖)
超导微观理论:1957年,伊利诺伊大学三位物理学家巴丁、库珀和施里弗,用电子配对的思想解释了超导的微观机制,即某些材料如何在低温。 为了导电,电子必须相互吸引,并且需要晶格作为介质才能形成电子对(对),这解释了汞和铅等超导体中的超导现象。 (1972年诺贝尔奖)
超导隧道效应:1962年,剑桥大学研究生约瑟夫森发现了超导的量子效应。 在两个超导体之间放置绝缘体就会形成“超导隧道电流”。 超导电子可以通过量子隧道到达另一个超导体。 加上外部电压后,就会产生量子振荡运动。 这一发现对于高性能半导体和超导元件的开发具有很高的应用价值(1973年诺贝尔奖)
高温超导材料:1986年,IBM的和发现了氧化铜材料的高温超导性,在35 K(-396 F)的温度下可以成为超导体。 铜酸盐高温超导的发现大大提高了临界温度,使材料能够在低成本液氮冷却环境下实现零电阻库珀物理学家,极大拓展了超导的应用场景。 (1987年诺贝尔奖)
4.关于超导性的“讨论”
华科大学的博士后和知乎上的受访者都声称他们再现了LK-99磁悬浮现象。 可信度如何? 需要哪些实验才能完整验证?
如果LK-99最终被证实只是一种抗磁性物质,会发生什么?
美国一家实验室的模拟计算支持LK-99存在超导特性。 具体情况是什么? 这个理论模拟可靠吗?
超导()
已经五天了。 韩国常压常温超导材料验证成功了吗?
/话题/
--声称拥有--房间--有--容易--命名为-LK-99-是真的吗
南---自称有----房间----怎么样
参考:
超导研究发展史——中国科学院等离子体物理研究所超导材料发展史。 超导百年:物理学的“圣杯”是如何诞生的? 维基百科-超导高温超导技术概述及未来应用前景-民生证券日本发布《量子技术创新战略(最终报告)》