高温超导

　　高温超导技术是21世纪具有巨大发展潜力和重大战略意义的技术，高温超导材料具有高载流能力和低能耗特性，可广泛应用于能源、国防、交通、YL等领域。

高温超导的发现

　　自1911年荷兰科学家H.K-Onnes在荷兰莱顿实验室首次发现了水银在4.2K的温度下出现零电阻现象以来，“超导”这一名词已经诞生了百余年。在这百余年的科研进展中，无数科学家为之做出了zhuo越贡献。

　　1933年Meissner效应发现。1957年，的BCS理论提出，为高温机制做出了合理的解释。1986年，瑞士科学家Bednorz和Miiller制备出了La-Ba-Cu-O系高温超导体，其高温转变温度已经达到了30K以上，为高温超导体的发展奠定了坚实的基础。同年，高温转变温度被提高到70K。

　　1987年，科学家研究出的Y-Ba-Cu-O超导体实现了从液氦温区向液氮温区的转变，突破了“77K”这一温度壁垒，即是高温超导现象，这一发现，是超导研究中一次质的飞跃。迄今为止，Hg系的铜氧化物的临界温度在常温和高压条件下分别达到了134K和164K。

　　超导体所具备独特的零电阻效应，迈纳斯效应，约瑟夫森效应和同位素效应使其有了广泛的应用价值，使人们寻找的一类传输无损耗的材料的设想成为现实。但是由于超导材料的低温限制，使其在生活中的应用大大降低。

　　随着高温超导体临界温度的提高，各类新型超导体的出现和制备工艺的改进，使高温超导体的应用领域更加广泛，如超导磁流体发电，高温变压器，超导储能，高温量子干涉器等等。如今，通常是将超导材料分为常规超导体(如Nb-Ti合金)，非晶超导材料，复合高温材料(如超导线带材料)，高温超导体，有机超导材料等。其中高温超导材料这一重要分支成为了Z具应用前景和应用价值的一类。

高温超导材料

　　高温超导材料属于第二类超导体，有上临界磁场和下临界磁场，当温度达到高温转变温度时，当磁场强度介于上下临界磁场中间时将处于特殊的混合状态。目前的主要有五种代表性的氧化物高温超导材料，La系，Bi系，Y系，TI系和Hg系。

　　常见的两类高温超导体：

　　1、Bi-Sr-Ca-Cu-O高温超导体

　　铋锶钙铜氧类高温超导体的化学通式Bi₂Sr₂Ca_n-1Cu_nO_2n+4，n=1,2,3,4。当n=1,2,3,4时，分别取得四种不同的高温超导相。均是Cu-O层，钙钛矿层，Bi₂O₂层的结合。Bi系的四种高温超导相结构上具备了相似性，即同样具备了相近的形成能。

　　如今的研究发现，提高铋锶钙铜氧类高温超导体的临界电流密度可以用Pb掺杂，这是由于Bi系高温超导相中所存在的一维的调制结构，这种结构降低了晶体的对称性。用Pb来掺杂，部分替代Bi，形成点缺陷，减弱了这种调制结构的影响，提高了整体的稳定性。

　　应用Z广的使Bi系高温超导体的带材，2212相高温超导体具有二维各向异性和层状结构，从而通过控制第二相和提高织构度来提高载流性能和临界参数。制备的流程通常为：以一定化学计量比的原材料(氯化物或碳酸物)进行混合煅烧，得到的样品接着进行研磨以及在Ag管中粉末充管，经过之后的一系列拉拔、轧制、热处理、再轧制等机械处理和热处理反复进行，得到Z终成品。

　　2、Y-Ba-Cu-O高温超导体

　　在Y-123相中，Y可以用其他稀土元素替代如La、Eu、Nd等，大多都可以形成临界温度90K的超导体，但是用Ce、Pr、Pm置换以后，出现局域化的载流子，从而丧失超导电性。在Y系超导体中，按Y、Ba、Cu化学计量比的不同可分为Y-123、Y-124、Y-247相。ABO3型层状钙钛矿结构，具体为三个类钙钛矿单元堆垛而成。

　　块材制备工艺：主要为氧化物或碳酸物的原料进行化学计量比的混合，充分研磨以及预烧结和烧结，引入熔融织构工艺来克服大角晶界，Z后进行氧化处理。带材则主要有轧制辅助双轴织构衬底工艺和离子束辅助沉淀工艺来实现。薄膜的制备工艺主要有磁控溅射法、激光沉淀法等。该系高温超导薄膜已成功地用于约瑟夫逊元件和量子干涉器件。

　　科学家提出了对于YBCO系涂层导体进行厚化处理，来观察其临界电流密度的变化这一研究方向。根据薄膜厚度增加之后，导体的织构在局部发生变化，为防止织构畸变，在高温超导薄膜表面周期性的引入一层极薄的非高温层，其各项参数与YBCO高温超导体十分相近。这一技术有望实现单位厚度超导体临界电流密度的提高。

高温超导体和常规超导体

　　高温超导体与常规超导体相比较，有哪些本征特点决定了它们在磁通动力学方面的异同呢?

　　diyi，高温超导体相干长度ζ约为1nm左右，比常规超导体要小约一到两个量级，而基于凝聚能钉扎的物理图像，单元钉扎ZX对磁通线的钉扎能与ζ_n(n=1~3)成正比，因此，高温超导体的单元钉扎能比常规超导体要低很多。

　　第二，很多高温超导体具有极强的各向异性，这样一个体系可以用准二维的高温平面和面间的约瑟夫森耦合来描述，而磁通线也可以用超导平面上的涡旋饼加上其间的约瑟夫森涡旋链的图像来描述。这样一个图像对极度各向异性的体系，如Bi，Tl，Hg的2212和2223体系或YBa₂Cu₃O₇/PrBa₂Cu₃O₇多层膜非常适合。但值得一提的是，人们对于各向异性度不是很高的Bi，Tl或Hg的1212和1223体系，以及YBa₂Cu₃O₇体系仍然用具有各向异性的三维连续模型来描述。正由于这些各向异性，高温超导体的混合态相图表现出了非常复杂而有趣的精细结构，这其中包括很多以前人们没有发现的相变线。

　　第三，高温超导体的工作温度可以很高，这就意味着可以有很强的热涨落，而强的热涨落会降低集体钉扎势Uc，同时大大增强热激活磁通蠕动过程。

　　第四，高温超导体具有较大的比值ρ_n/ζ，大的ρ_n对应小的磁通运动阻尼常数η，小的ζ使得Z可几磁通跳跃(或隧穿)的体积大大减小，这些都有利于量子隧穿过程从而导致很大的量子隧穿率和量子涨落的幅度，这里ρ_n代表正常态的电阻。

　　以上四个基本特点中的任何两个或三个结合在一起就会构成高温超导体的一个新的特点。下表将高温超导体的一些参量的范围与常规超导体作一个比较。

高温超导材料应用

　　由于高温超导材料严格的低温要求，使其在日常生活中的应用受到了限制。应用上，材料的制备成本较高，临界电流和临界磁场尚未达到大规模应用水平，氧化物高温超导材料存在着各向异性、晶界的大量存在、相干电子长度较短等特性严重限制了线材的长距离应用。

　　高温超导材料在强电强磁方面的应用主要有超导磁流体发电、高温输电、超导发电机与电动机，高温储能以及高温超导磁悬浮列车等。在弱电弱磁方面的应用主要有高温计算机，超导量子干涉器，高温开关等。

　　高温超导薄膜应用于谐振器、滤波器等器件，块材则用于磁悬浮、储能飞轮等方面。超导体的制备工艺也将进一步的改进，如单晶生长和薄膜制备工艺已经取得了很大突破。高温超导技术的应用将会越来越多的造福于人类，也会创造出比BCS理论更wan美的理论来解释高温机制。

　　近期威斯康辛大学材料科学与工程学教授Chang-Beom Eom的科研团队已经开发出了一种独特的多层超导体，这种高温材料是由氮族元素化合物组成的，不同于大多数高温超导材料的组成元素为类似于铌、水银等传导性元素，或是有氮族的五种元素之一与钛酸锶氧化物混合制成。这一发现，离人类希望创造出一类室温超导体的愿望更进一步。