当前位置:67777.com > 产品测评 > 闻海虎教授团队发现无毒的铜氧化物超导体具有

闻海虎教授团队发现无毒的铜氧化物超导体具有

文章作者:产品测评 上传时间:2019-11-10

超导体的一个重要性质是无损耗地承载很大电流,因此利用超导磁体能够产生超强磁场。这个性质可以应用在国防,医疗,受控核聚变,高能加速器和新一代磁悬浮轨道交通等方面。在超导体的磁场和温度相图上,有一个标识无损耗传输电流的边界线叫不可逆线 Hirr,只有在不可逆线以下的温度和磁场,超导体才可以承载一定的超导电流。通常不可逆磁场越高,该超导体在强磁场下承载无损耗电流的能力就越强,并有一个更好的应用预期。

不久前,我国科学家在铁基超导体统一相图研究上取得进展,人们对铁基超导的物理特性认识更进一步。而在3年前,中科院物理所和中国科技大学的研究团队以在铁基超导研究上的突破,获得国家自然科学一等奖,结束了该奖项连续3年的空缺。超导为何如此重要?

超导体只能在其临界温度Tc以下才能够进入超导态,因此要实现超导的应用就需要临界温度较高的超导体。液氮的沸点温度是77.3K,是容易制造而且成本低廉的制冷剂。因此发现临界温度在液氮温度之上并且具有高的不可逆磁场的超导体对于超导大规模应用至关重要。铜氧化合物超导体家族中就有很多超导体的临界温度超过液氮温度,如Y-系(123, Tc≈90K), Bi-系 (2223, Tc≈110K), Tl-系(2223, Tc≈125K)和Hg-系 (1234,Tc≈124K)等。但是后两者含有毒性元素铊和汞,而且液氮温区的不可逆磁场似乎不高。Bi-系尽管没有毒性,但是因为具有太强二维性,在磁场下的超导临界电流下降很快,不可逆磁场很低,因此也无法在液氮温度下实现强电应用。Y-系超导体钇钡铜氧(YBa2Cu3O7-d,简称YBCO)的临界温度超过液氮温度,不可逆磁场也较高,因此人们目前把液氮温区大规模应用的期望放在YBCO身上;但是由于其较短的相干长度,制备出长导线极其困难,到目前为止仍然没有实现大规模应用。超导学界迫切需要寻找到超导临界温度在液氮温度以上,且不可逆磁场更高的无毒性超导体,以便实现更好的应用。

如果采用超导输电线,我国每年节省的电量相当于数十个发电厂的发电量

南京大学物理学院的闻海虎教授团队,利用高温高压合成技术,制备了一种无毒性的铜氧化合物超导体Ba2Ca3Cu4O11+d,其临界温度约为116 K。仔细的电阻和磁化性质测量表明该超导体在液氮温度及以上的温区具有迄今为止最高的不可逆磁场,因此可能带来更好的应用。该工作于2018年9月28日在线发表在Science Advances 4, eaau0192。

把材料置于零下两三百摄氏度的温度下,将会怎样?超导材料的表现是:电阻突然消失了。这可不是简单的变化,零电阻的超导体被认为有望给电力工业带来革新。

该工作的起源是基于他们多年来对铜氧化物超导体不可逆磁场和临界电流问题的深入研究和认识。如前面所说,很多临界温度超过100K的超导体都具有毒性元素,因此怎样用无毒性元素替换掉这些毒性元素,同时使得不可逆磁场仍然较高,这是他们最近几年特别关注的方向。这使得他们回溯到1995年左右,国际学术界曾经有过这方面的初步探索,但是当时对超导体的成分表达式没有统一认识,另外也没有对不可逆线进行系统的研究。该小组利用高温高压合成手段,成功制备出体积含量在90%以上的Ba2Ca3Cu4O11+d超导体,确认了分子式和结构。他们对该超导体仔细进行了磁场下的电阻和磁化测量,确定了其不可逆线。图1显示了该超导体的电阻在不同磁场下随温度的变化关系。可以看出, 即便在15特斯拉的强磁场下,在80K电阻仍然很小(降到仪器噪音范围内)。他们发现部分样品的不可逆磁场会更高。因为这里的电阻消失行为还主要是多晶之间的超导弱连接所决定,因此进一步改善弱连接,该类超导体的不可逆磁场还会继续升高。

日常生活中,电器、电线会发热,是因为电流和电器、电线发生了“摩擦”,这种“摩擦”就是电阻的来源,电阻产生的热量实际是电能浪费。事实上,电在从发电厂“赶往”工厂、住宅、学校的路上,就已经被输电线的电阻消耗了不少。

67777.com 1

专家介绍,因为电阻为零,超导材料在传输电的过程中就没有损耗。此外,采用超导输电还能简化变压器、电动机和发电机等热绝缘,并保证输电的稳定性,提高输电的安全性。

图1. Ba2Ca3Cu4O11+d超导体的电阻率在不同磁场下随温度的依赖关系。A. 电阻率随温度的变化关系,其插图显示的是在外磁场为10Oe下测量的磁化随温度的变化关系, ZFC表示用零磁场下冷却样品到低温然后加磁场的方式测量到的磁化数据,反映完全抗磁性;FC表示的是有场冷却测量模式。B. 显示的是A主图中同样的数据,电阻率以对数形式画出。可见无论磁化还是电阻都在116K左右出现剧烈下降,样品开始进入超导态。

有专家测算,目前采用铜或铝导线的输电损耗约为15%,我国每年的输电损耗就达1000亿度左右;如果采用超导输电线,每年节省的电量相当于数十个发电厂的发电量。

利用超导转变附近正常态电阻1%的判据,他们确定了该超导体的不可逆磁场,数据画在图2中,见黑色方块和红色菱形数据点。同时画在图中的还有其他铜氧化物超导体的多晶样品或薄膜/单晶样品的数据。可见Ba2Ca3Cu4O11+d超导体在液氮温区直至116K具有最高的不可逆磁场。图中的蓝色斜线标示的区域是在钇钡铜氧超导体不可逆线基础上的进一步提高。可以看出,无论是超导临界温度还是不可逆磁场都有明显的提高。该工作一经在国际学术网站上贴出,即受到广泛的关注。Science Advances的三位评审人都给予了高度评价,认为这是本领域的一个巨大的成果(huge result)和显著进展(significant advance),有可能会激发起铜氧化物超导体应用研究的新高潮并最终导致大规模的应用。

67777.com,超导材料另一个特性是完全抗磁性,即超导体一旦进入超导态,就如同练就了“金钟罩、铁布衫”一样。这是因为超导体在靠近磁场时会在其表面感应出超导电流,这个超导电流会在超导体内部产生一个与外磁场方向相反大小相等的磁场,外界磁场根本进不去,两种磁场相互抵消,从而体内的磁感应强度为零。

67777.com 2

专家表示,无论是先置入外磁场中后降温到超导态,还是先降温到超导态再放入外磁场中,外磁场的磁力线都无法穿透到超导体内部。超导磁体具有体积小、稳定度高、耗能少等多种优势,因此临床上采用的高分辨核磁共振成像技术,很多依靠的是超导磁体。

图2. Ba2Ca3Cu4O11+d超导体的不可逆磁场与其他铜氧化物超导体的比较。图中的黑色方块和红色菱形数据点是两块样品的不可逆磁场曲线。目前,本领域强电应用方面最看好的无毒性超导体YBCO的数据用红色实心圆点和绿色三角形数据点标示。蓝色斜线标识的区域是在YBCO基础上的提高部分。

抗磁性还让超导体能在交通领域大展身手。由于磁力线几乎无法进入超导体的体内,将超导体置于普通磁体产生的磁场中时,会达到悬浮的效果,高速超导磁悬浮列车设想应用的正是这一原理。超导磁悬浮列车将为人们提供更高速、稳定和安全的轨道运输。

闻海虎教授团队在南京大学学校双一流项目的支持下,很快建立起来了高温高压下的样品制备条件,并投入使用,做出这个新结果。必须指出的是,目前的材料是在高压下合成出来的,电阻和磁化结果是在常压下测量的,其性质表明该超导体在常压下是极其稳定的,这为该超导体的应用提供了可能。但是要实现真正的大规模应用,也许还有很长的路要走。首先最好在低压或常压下合成出样品,另外该小组也在尝试将这个超导体制备成薄膜。该小组仍然在无毒性的临界温度在100K以上的超导体方面开展深入研究,希望在促进超导体在液氮温区的应用方面取得新进展。

超导大规模应用的难点是,缺乏适合应用的、临界温度更高的超导体。1911年,荷兰物理学家昂内斯等人测量金属汞的电阻时,惊奇地发现温度降至极低后,汞的电阻突然消失。金属汞也成为人类发现的第一个超导体。

该成果是闻海虎教授团队独立完成的,张越博士生是文章第一作者,闻海虎教授和祝熙宇副教授为共同通讯作者,闻海虎协调了整个工作进展。此工作得到教育部一流学科建设,国家重点专项“量子调控项目”,自然科学基金委和2011计划“人工微结构科学与技术协同创新中心”的支持,在此表示感谢。

不过,汞要冷却到4.2K(0K等于零下273摄氏度,4.2K约为零下269摄氏度)才有超导现象。这是一个极低的温度,需要依靠昂贵的液氮来维持,推广应用几乎不可能。因此,从超导现象发现第一天起,科学家一直在寻找有应用价值的高温超导体。

参考文献和链接:

在铁基高温超导体基础研究上,我国处于世界前列

Unprecedented high irreversibility line in nontoxic cuprate superconductor Ba2Ca3Cu4O11+δ. Yue Zhang, Wenhao Liu, Xiyu Zhu, Haonan Zhao, Zheng Hu, Chengping He, Hai-Hu Wen

超导研究在科学上的重要性及其巨大的应用前景,吸引了许多科学家的目光。超导研究百年历史上,有10人获得诺贝尔奖。

http://advances.sciencemag.org/content/advances/4/9/eaau0192.full.pdf

1968年,物理学家麦克米兰根据传统理论计算推断,超导体的转变温度一般不能超过40K(约零下233摄氏度),这个温度也被称为麦克米兰极限温度。

(物理学院 科学技术处)

人类对超导的应用是否只能被限制在40K以下?40K的极限温度能否被突破?为了探索这个问题,科学家们做了无数次尝试。1986年,两名欧洲科学家发现以铜为关键超导元素的铜氧化物超导体。铜基超导成为高温超导家族中的一员,在很长一段时间内成为科学家的主要研究方向。

我国科学家在铜基超导研究上也做出了重要贡献。比如,1987年初,中科院物理所团队在钡—钇—铜—氧中发现了临界温度93K(约零下180摄氏度)的液氮温区超导体,并在世界上首次公布了元素组成,刮起了一阵研究液氮温区超导体的旋风。

本文由67777.com发布于产品测评,转载请注明出处:闻海虎教授团队发现无毒的铜氧化物超导体具有

关键词: