高溫超導材料的研究進展和應用前景

（廣州市第二中學，廣東廣州 510530）

0.引言

材料領域的許多研究成果可以在生產生活中掀起巨大的變革。根據焦耳定律，幾乎所有的用電器都會在工作中產生一定的熱量，造成一定的浪費。20世紀初，一些科學家在實驗中偶然發現，一些材料會在環境溫度低于某一溫度（材料的臨界溫度）時失去電阻，這種性質被稱為超導電性。超導材料還具有完全抗磁性，這是常規導體不能比擬的。可以說，超導材料集諸多優越的電學性質和磁學性質于一身，其應用前景十分誘人。

不過，多數超導材料的臨界溫度較低。20世紀80年代的物理學家發現了能夠在高于30K的條件下表現出超導性和抗磁性的高溫超導材料，這些材料的結構與傳統的超導材料有一定的差異，它們的性質更穩定，可以耐受更高的磁場。深入分析高溫超導材料的性質及其應用，可以為改進超導技術提供新思路。

1.高溫超導材料的研究進展

“高溫”是一個相對的術語，即使是最好的材料，在常溫下也不會完全失去電阻。不過，在過去的幾十年中，高溫超導領域的研究者取得了許多重要進展。在2000年，一些研究人員通過空穴，實現了52K的臨界溫度；在2001年，科學家發現硼化鎂具有超導性質。最近發現的釕－銅酸鹽超導鐵磁體，也有著許多獨特的性質[1]。

不過，在發現高溫超導材料的幾十年后，我們仍然沒有找到性能十分理想的高溫超導材料。盡管超導領域的實驗技術不斷完善，已發表的論文近20萬篇，但物理學家仍然不能從理論層面，解釋材料具有高溫超導性的原因。很多現有的理論存在著一些內在的矛盾，因此，對高溫超導現象進行更加深入的研究，從而得到更有說服力的結論，是物理學家面臨的重大挑戰之一。

目前，科學家還不能完全理解高溫超導體中的偽間隙，不能確定MgB2的超導性的產生機理。許多國家的科學家致力于研究在氧化銅高溫超導體和MgB2中發現的豐富而復雜的渦旋行為。第二代涂層導體可以克服膠帶和電線的某些缺點，具有十分廣闊的前景[2]。利用這些導體，我們可以生產一些較為精密的設備，如SQUID和微波濾波器等。在不久的將來，超導體將在許多領域得到大規模應用。

2.高溫超導材料的應用

目前，可以應用于生產生活中的高溫超導材料都與氧化銅有關。不過，MgB2的性能也十分優良，可以用于制作高質量的帶材和電線，其應用前景十分廣闊。實際上，人們對高溫氧化銅超導體寄予了很高的希望。這是因為，液氮溫度下的制冷成本非常低。然而，我們對這種新型超導體的特性的理解還不夠深入，而且這種新型超導體的性能也不夠理想。科學家們希望找到一種室溫超導體，從而降低制冷成本，并簡化設備的構造。目前，科學家面臨的最大問題是材料科學問題，很多 HTS具有各向異性，超導電流只能沿著CuO2平面流動，因此，很難確保成品器件中的所有晶粒的定向都是正確的。在晶界處聚集的雜質會對晶間電流產生一定的影響[3]。此外，一些陶瓷的機械性能非常不理想，它們非常脆并且難以成形。

2.1 強電方面的應用

2.1.1 超導磁體

超導磁體就是用超導導線制作的磁體。我們通常會使用外部電源為其供電，使其產生強磁場。這種工作方式使我們可以方便、快捷地對磁場進行調節，也提升了工作中的安全性，避免生產安全事故的發生。需要注意的是，目前我們現有的高溫超導材料，在常溫下并不具有超導特性。只有在低溫下，超導線才可以無電阻運行。不過，在工業、科研及醫療領域，超導磁體已經得到了廣泛的應用。

1973年，美國的勞特伯發表了世界上第一張核磁共振圖像，當時的人們認識到，核磁共振技術可以運用于人體組織成像，從而為疾病的診斷提供依據。

磁共振成像(MRI)的原理非常簡單。原子核在磁場作用下，會發生偏轉。當撤去磁場時，它們又會恢復無序狀態，它們的磁矩將經過一段時間，恢復為0。測量這段“恢復時間”，有助于我們了解組織的病變情況。

為保證磁場是均勻的，人們需要尋找性能更優越的、可以安全地在超高磁場中工作的超導材料。一些新型高溫超導材料能夠基本滿足這些要求。在利用高溫超導磁體的過程中，科學家也應不斷改進設計，從而提升高溫超導磁共振設備的性能。將主磁體設計為六線圈結構，可以大大提高磁場的均勻度，提升檢測所獲得圖像的清晰度，使檢測結果更加可靠[4]。此外，超導磁體還可以通過超導開關形成閉環電流，提高電流的穩定性。科學家應當致力于改進高溫超導設備的設計，助力醫學工程學及醫學影像學的發展。

然而，磁共振成像的應用過程中，人們仍然面臨著一系列的問題。首先，圖像的分辨率還是不夠高，不能滿足部分疾病的臨床診斷要求。其次，超導磁體在工作過程中還不夠穩定，其提供的磁場也容易受到外界環境的干擾。再次，掃描時間較長，這對患者的配合度有一定要求。最后，當儀器出現故障時，可能會導致超導磁體的電阻升高，產生大量熱量，使磁體的使用壽命大大縮短。此外，產生的熱量可能會損害設備的其他部分，造成一定的經濟損失。尋找性能更好的高溫超導材料，可能是解決這些問題的最佳途徑。

2.1.2 超導電纜

傳統電纜的直徑較大，結構較復雜，超導電纜的結構更簡單，能量損耗更小。一些超導電纜已經在生產和生活中得到了廣泛的應用。在哥本哈根和底特律的一些變電站，科學家利用液氮將電纜冷卻至超導溫度，這些電纜中傳輸的電流是同重量銅電纜的72倍[5]。盡管超導電纜的制造成本較高，但是其超強的載流能力，對提高城市的輸電效率有著十分重要的意義。這些超導電纜還可以用作大型超導磁體系統的一部分，它們橫截面很小，但載流量卻遠遠大于銅的載流量，這大大降低了傳輸過程中的能量損失。不過，如何實現失超信號的檢測，是一個十分重要的問題。在超導設備出現故障時及時實現失超保護，可以延長超導設備的壽命，避免安全事故的發生。因此，工程學家應當致力于設計可靠的失超檢測與保護系統，從而更好地保護超導設備。

2.2 弱電方面的應用

弱電方面的應用主要體現在信息技術中，這些器件主要依賴于超導體的特殊性能，尤其是約瑟夫森量子隧道效應。YBCO（YBa2Cu3O7x）是用于此目的的最常用的超導體，因為它具有很高的臨界溫度（～92K），并且可以承載高電流密度。TBCCO（Tl2Ba2CaCu2Oy）（Tc≥100K）的應用也十分廣泛，它們在微波通信中發揮著重要的作用。盡管這些材料的制備工藝仍很復雜，但它們的性能十分理想。科學家應當對這些材料的性質進行更深入的研究，從而不斷改進制備方法，降低其制備成本[6]。

主要的小型HTS設備可分為超導量子干擾設備（SQUID）、微波濾波器及諧振器。此外，HTS還可以應用于NMR光譜儀中的低噪聲感測線圈的制作，該線圈由螺旋形線圈和輻射探測器組成，超導材料的應用，將極大地提升線圈的性能。

通常來講，SQUID器件包含帶有一個或多個約瑟夫森結的超導體材料環。當流入SQUID的電流超過約瑟夫森結的臨界電流時，環內會出現與通過環的磁通量成正比的電壓。SQUID還可以用作磁通量及與磁通量相關的物理量的檢測。超導磁力計的靈敏度比傳統設備高幾個數量級，并且可以檢測極小的磁場。工程學家不斷改進SQUID磁力計設備的設計從而提高其性能。SQUID可以用于生物磁場的探測。利用SQUID，我們可以得到腦磁圖（MEG）和心磁圖（MCG），從而評估人體的健康水平。地磁測量是SQUID的另一重要應用。我們可以利用SQUID，對大地磁場進行精確的測量，從而分析礦藏的主要成分及其分布。此外，在材料科學領域，科學家可以利用SQUID測試新材料的磁物理特性。在半導體行業，我們可以應用掃描SQUID顯微鏡來測試芯片封裝的質量。

在電信領域，我們可以應用HTS制作小型設備，如微波濾波器等。在這些小型器件中，超導體可以用于制作微帶，將超導體襯于金屬腔體內部，將極大地提升設備的性能。與傳統的濾波器相比，HTS濾波器對不同頻率的波的選擇性更好。在衛星通信中使用這些濾波器，可以大大減輕設備的重量，減小設備的體積。此外，這些濾波器的損耗和噪聲系數也低于傳統的濾波器，因此，設備的功耗將大大下降，傳輸容量也將大大提高。可以說，高溫超導材料的應用，將在通信領域掀起一場變革。

3.結語

近年來，超導材料領域不斷取得重大突破。目前，高溫超導材料正從研究階段向應用階段轉變。然而，我們目前還面臨著一系列挑戰。如果我們要在強電領域應用高溫超導體，就需要解決一系列的材料科學問題。應用高溫超導材料的設備必須能夠承載更大的電流，在一些情況下，電流密度可能會超過遠高于104A/cm2，這對設備的線路提出了很高的要求。此外，這些設備必須在極高強度的磁場中工作。傳輸電纜的磁場約0.2T，發電機則需要4T或更高的磁場。如何保證設備在高磁場中的正常工作，是一個十分重要的問題。如何改善脆性陶瓷超導材料的性能，是另一個十分重要的問題，科學家應當嘗試提高脆性陶瓷超導材料的機械性能，使其在發生形變后仍保持超導狀態。隨著科技的發展，這些問題有望在幾年內得到解決。因此，未來的10年，將是高溫超導材料產業化的10年。超導技術將應用于許多領域，使生產更加高效，提升企業的經濟效益。