超導發展中的那些大事
超導學是研究在低溫下電阻消失的物質性質的領域。以下是超導發展史的一些重要階段:
1.發現初期(1911-1950s):
1911年,荷蘭萊頓大學的卡末林·昂內斯(Heike Kamerlingh Onnes)首先發現超導體。在溫度降低到4K(4 degrees Kelvin, -452F, -269℃)時,金屬汞的電阻突然消失了。因此獲得了1913年諾貝爾物理獎。
1913年,就是這個卡末林·昂內斯在諾貝爾領獎演說中說低溫下金屬電阻的消失“不是逐漸的,而是突然的”,水銀在4.2K進入了一種新狀態,由于它的特殊導電性能,可以稱為“超導態” 。超導體就這樣誕生了。
1933年,德國人Walther Meissner 和 Robert Ochsenfeld 發現超導材料會排斥磁場。即邁斯納效應(Meissner effect)。
1941年,發現氮化鈮在 16K 下變為超導體。1953年,釩硅在 17.5K 下顯示出超導特性。1962年,威斯汀豪斯公司用鈮鈦合金(alloy of niobium and titanium, NbTi)開發出第一條商用超導線。1960年代,英國盧瑟福-阿普爾頓實驗室用銅包鈮鈦合金( copper-clad niobium-titanium)制成了高能粒子加速器電磁鐵,并于 1987 年首次用于美國費米實驗室 Tevatron 的超導加速器。
但是,科學家們還沒有找到合適的解釋和理論來解釋這一現象。
2.BCS理論 (1957):
1957年,美國的John Bardeen、Leon Cooper 和 John Schrieffer 提出了解釋超導的BCS理論。他們認為,在超導態中,電子通過形成“庫珀對”(一對自旋相反的電子)來形成一種凝聚態,這種凝聚態能夠無阻力地流動。這一理論使超導研究進入了一個新的階段。獲得了1972年諾貝爾物理獎。
1962年一個20多歲的年青人,劍橋大學實驗物理研究生約瑟夫遜提出約瑟夫遜效應。約瑟夫森效應成為微弱電磁信號探測和其他電子學應用的基礎。獲得了1973年諾貝爾物理獎。
70年代超導列車成功地進行了載人可行性試驗。車輛在電機牽引下無摩擦地前進,時速可高達500千米。
3.高溫超導 (1986):
1986年,瑞士蘇黎世的IBM研究人員Alex Müller和Georg Bednorz用鑭、鋇、銅氧化合物(lanthanum, barium, copper and oxygen compound)制成30K下的超導體。獲得1987年諾貝爾物理獎。緊接著,日本東京大學工學部又將超導溫度提高到37K。
1987年1月初日本川崎國立分子研究所將超導溫度提高到43K;不久日本綜合電子研究所又將超導溫度提高到46K和53K。中國科學院物理研究所由趙忠賢、陳立泉領導的研究組,獲得了48.6K的鍶鑭銅氧系超導體,并看到這類物質有在70K發生轉變的跡象。
1987年,這一年發生了很多值得紀念的事情。2月16日美國國家科學基金會宣布,朱經武與吳茂昆獲得轉變溫度為98K的超導體。2月20日中國也宣布發現100K以上超導體。3月3日,日本宣布發現123K超導體,3月12日中國北京大學成功地用液氮進行超導磁懸浮實驗。 3月27日美國華裔科學家又發現在氧化物超導材料中有轉變溫度為240K的超導跡象。12月30 美國休斯敦大學宣布,美籍華裔科學家朱經武又將超導溫度提高到40.2K。另外,這一年日本鐵道綜合技術研究所的“MLU002”號磁懸浮實驗車開始試運行。
4.發展和應用 (1990s-現在)
1991年10月日本原子能研究所和東芝公司共同研制成核聚變堆用的新型超導線圈,達到世界最高水準。這個新型磁體使用的超導材料是鈮和錫的化合物。
1992年1月27日第一艘超導船“大和”1號在日本神戶下水試航。
1992年一個以巨型超導磁體為主的超導超級對撞機特大型設備,于美國得克薩斯州建成并投入使用,耗資超過82億美元。
1996年改進高溫超導電線的研究工作取得進展,制成了第一條地下輸電電纜。
2001年4月,340米鉍系高溫超導線在清華大學應用超導研究中心研制成功,并于年末建成第一條鉍系高溫線材生產線。
2008年在沉寂了一段時間后超導又火了一把,就是鐵基超導體。中國科學家趙忠賢、王楠林、陳仙輝等合成了一系列鐵基化合物,其超導臨界溫度達到55K,說明這個體系是一類高溫超導體。
2014年德國馬普所的Eremets通過實驗證實了吉林大學崔田教授的預測,獲得了臨界溫度為190K的硫化氫,一年后,臨界溫度被提高到了203K,干冰溫區突破了。
2018年,21歲的麻省理工學院博士曹原一天之內在NATURE雜志上連續發表兩篇文章,論述了雙層石墨烯在重疊角度為1.1°時,會產生超導現象。雖然其臨界溫度只有1.7K,但這是首次發現超導行為與結構如此特別的對應關系,這一發現開辟了超導物理乃至凝聚態物理研究的新方向,無數學者正在跟進。這個成果是2018年十大科研進展之一。
2019年德國馬普所的Eremets等人再接再厲,在氫化鑭體系中實現了250K的臨界溫度,但是同時需要極高的壓強。
總體而言,超導發展經歷了從早期的發現、理論建立到高溫超導的突破,以及對材料性質和應用的深入研究。超導技術在科學、工程和應用領域都有重要作用,持續不斷地推動著相關領域的發展。
-
焦點事件
-
焦點事件
-
焦點事件
-
焦點事件
-
技術原理