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前幾天，由德國馬普物質結構與動力學研究所領導的國際研究小組借助短紅外激光脈沖在陶瓷材料上成功實現(xiàn)了室溫超導——雖然只有百萬分之幾微秒。短時室溫超導的實現(xiàn)，無疑是超導材料界的一個重磅炸彈，給數(shù)十年來不斷追求提高超導臨界溫度的材料人又燃起了一把火！

那么什么是超導現(xiàn)象呢？簡而言之，超導現(xiàn)象就是在某個低溫條件下，導體的電阻突然消失的這么一種神奇的現(xiàn)象。但僅僅具備電阻為零這個條件是不是就一定是超導體呢？可以很負責的告訴你，不是哦，要想成為超導體，還得具備另外一個條件，那就是完全抗磁性。換句話說，超導體必須具備兩大條件：電阻為零和完全抗磁性。

超導體完全抗磁性

從1911年問世以來，盡管取得了一系列的突破和發(fā)展，但是限制超導材料在大范圍普及應用的瓶頸就是其非常低的溫度。所以，這100多年的時間，材料科學家一直在尋求更高溫度的超導材料，從Tc為4.2K的金屬汞，到1973年發(fā)現(xiàn)的Tc為23.2K的鈮鍺合金，再到1987年的Tc為77K的釔鋇銅氧。下面請允許我暫時冒充小崔一下，也來一個“小崔說事”，今天我們的主題就是《超導材料的昨天，今天和明天》。

昨天，路漫漫

1911年，Onnes首先發(fā)現(xiàn)Hg在4.2K溫度附近電阻突然消失，由此開拓了一個新的超導物理領域。自那以后，世界各國掀起了一股對超導現(xiàn)象和超導技術研究的熱潮。而超導技術的發(fā)展更是依賴于超導材料的發(fā)展，超導材料的發(fā)展也就是在不斷地提高其臨界溫度的一個歷程。不過，這個過程并不輕松。

直到1973年，發(fā)現(xiàn)超導合金――鈮鍺合金，其臨界超導溫度為23.2K，這一記錄保持了近13年。1986年，設在瑞士蘇黎世的美國IBM公司的研究中心報道了一種氧化物（鑭鋇銅氧化物）臨界溫度為35K。同一年，美國貝爾實驗室研究的超導材料，其臨界超導溫度達到40K，液氫的“溫度壁壘”（40K）被跨越。

超導體發(fā)展歷程

很快，亨茨維爾亞拉巴馬大學的吳茂昆及其研究生（Ashburn和Torng），與休斯頓大學的朱經(jīng)武和他的學生共同發(fā)現(xiàn)了釔鋇銅氧，這是首個超導溫度在77K以上的材料，突破了液氮的“溫度壁壘”（77K）。也因此引發(fā)了對新高溫超導材料的研究熱潮。隨后，中國科學家趙忠賢以及美國華裔科學家朱經(jīng)武相繼在釔－鋇－銅－氧系材料上把臨界超導溫度提高到90K以上。1987年底，鉈－鋇－鈣－銅－氧系材料又把臨界超導溫度的記錄提高到125K。從1986－1987年的短短一年多的時間里，臨界超導溫度提高了近100K。

自那以后，超導材料進入了高溫超導材料的時代，區(qū)別與之前的液氮溫度以下的低溫超導材料。進入21世紀以來，也有很多超導材料的臨界溫度被發(fā)現(xiàn)超過100K了，但離室溫超導體還很遠，所以材料科學家對于提高超導材料的臨界溫度的探索一直都沒有止步。

今天，又一春

近日，馬普研究員安德烈·卡弗拉里與來自法國、瑞士等國家的科學家合作，發(fā)現(xiàn)用紅外激光脈沖照射一種叫做釔鋇銅氧化物（YBCO）的晶體時，它在室溫下（300K）短暫地顯出了超導性。他們認為，是激光脈沖使晶格中的原子出現(xiàn)了暫時改變，從而提高了材料的超導性。

雙層氧化銅分子層原子分布示意圖

釔鋇銅氧化物的晶體具有一種非常特殊的結構：雙層氧化銅分子層與一層稍厚一些的鋇、銅、氧原子中間層交互疊加構成晶體。這種材料的超導性便來自其中的雙層氧化銅分子層。電子可以在這里結合形成所謂“庫珀對”(Cooperpairs)。這種電子對可以在不同層之間穿越，這就意味著這些電子對能像鬼魂一樣穿越層面不受阻擋——這是一種典型的量子現(xiàn)象。然而這種晶體結構也只有在低于“臨界溫度”的情況下才會顯示超導性，因為只有在這樣的條件下電子才會形成庫珀對，并且不僅僅在雙層氧化銅分子層內穿越，而且還能穿越更厚的中間層。而當溫度高于臨界溫度時，這種電子的庫珀對便消失了，這種材料也就變回一種導電性很差的金屬合成材料。

同時，來自瑞典林雪平市、普薩拉大學和查爾姆斯理工大學的材料研究人員，與瑞士同步輻射光源（SLS）的研究人員在瑞士合作利用先進的X射線光譜研究超導體YBa2Cu3O7-X（簡稱YBCO）。他們發(fā)現(xiàn)，自摻雜是實現(xiàn)室溫超導的關鍵因素。

雙層氧化銅“鏈”之間的載流子運動示意圖

這種短時室溫超導現(xiàn)象的實現(xiàn)，包括對其作用機制的初步探索，都讓我們有足夠的信心相信超導材料馬上要迎來第二春。它成為繼上世紀80年代末90年代初高溫超導材料的發(fā)現(xiàn)又一個里程碑。這項最新研究成果也幫助改進了目前還尚不完善的高溫超導體理論。曼可威斯基表示：“這項成果將幫助材料科學家們研發(fā)具有更高臨界溫度的超導材料。并最終實現(xiàn)可在室溫下應用，完全無需冷卻的超導材料的夢想。”到目前為止，超導磁體，馬達或電機在應用時都必須使用液氮或液氦進行冷卻。如果這種復雜的冷卻過程不再需要，這將意味著這一領域的一項關鍵性技術突破。

明天，更精彩

從100多年之前發(fā)現(xiàn)超導現(xiàn)象，到100多年之后的今天短時室溫超導現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)；超導技術歷經(jīng)百年滄桑，歷代科學巨匠也是孜孜以求，可是說，我們人類對超導材料的研究與開發(fā)已經(jīng)站在了一個新的高度。我們完全可以站在這個更高的平臺上去構建我們的超導材料的應用藍圖。

超導材料的應用有些大家是看不到的，如電壓基準；有的是看到而沒有注意到的，如用于醫(yī)院診斷的核磁共振成像打的超導磁體；比較大型的應用是在大科學裝置方面，如加速器、磁約束核聚變實驗裝置；在科學儀器方面有其獨特的優(yōu)勢，如高靈敏度量子干涉磁強計和儀器磁體。如此小體積高磁場的磁體，以及如此高靈敏度的電磁信號檢驗儀器是非超導材料不能替代的。這些應用基本都是使用低溫超導材料，而高溫超導材料的應用除了上述方面之外還可能有更廣泛的應用，如：超導磁懸浮列車、超導電力系統(tǒng)、新式的超導船舶推進系統(tǒng)等。目前比較有一定規(guī)模的高溫超導應用是移動通訊基站上的超導濾波器，北美已經(jīng)有幾千套在基站上應用。然而，其他方面的應用還基本上處于樣機和試驗階段。

過去有企業(yè)家和專家預測，到2020年，與超導材料及其應用有關的市場可能達到2000億美元。這種預測在過去很長的一段時間被認為過于樂觀，因為這種預測的基礎是基于一種高磁場下有高臨界電流的實用帶材的實現(xiàn)。這種帶材的行業(yè)術語被稱為第二類帶材，即用以YBCO或ReBCO（Re代表稀土元素）為基底的實用帶材。目前可以做到幾百米，但價錢太貴，只有突破一些關鍵的工藝技術才有可能降低成本。同時要達到低溫超導材料所具有的那樣的可靠性。近日發(fā)現(xiàn)的短時室溫超導為這個工藝技術的突破提供了很好的努力方向，相信隨著室溫超導時間的延長和高溫超導機理的發(fā)現(xiàn)之后，高溫超導材料的應用將遠遠不止于此。而作為材料人，我們則大有可為！

文章來源：材料人網(wǎng)