历史百科全球的智慧角逐——世界超导研究热

Posted 2022-02-27 智慧

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全球的智慧角逐——世界超导研究热

物体在非常冷的状态下电阻完全消失的特性，被称为超导电性;物体从有电阻开始成为无电阻时的温度称为临界温度。1911年荷兰物理学家卡曼林—昂尼斯和他的学生在检测水银在低温下的电阻时，发现水银在绝对温度4度(即—261℃)时，电阻便消失。从此，世界上有了低温超导的说法。国际上众多从事固体物理研究的科学家，深为超导体输电时无电阻的特性，以及后来发现的抗磁性所吸引，竞相投入研究，但进展缓慢。50年代发现的超导材料，或者临界温度很低，或者临界磁场很小，因而应用范围有限，实用价值不大。直到1973年，加瓦勒和泰斯塔迪用溅射法制成温度23.2K的超导材料Nb₃Ge，这是超导材料研究中的一项重大突破。

由于金属材料超导温度极低，人们开始把研究超导材料的注意力转向非金属材料。1986年1月，在瑞士苏黎世的美国国际商用机器公司研究实验室工作的贝德诺茨和K.米勒最先提出了研制高温超导材料的可能性。4月，他们宣布，发现钡、镧、铜、氧组成的金属氧化物在临界温度35K时出现超导现象。12月13日，日本学者获得国际上超导转变温度最高的新材料。3天后，中国科学院发现在70K时，具有超导电性的多相性金属氧化物。同时，美国同行也取得重大进展。其他国家的科学家也迅速作出反应，纷纷从多年徘徊不前的金属化合物的研究转向金属氧化物的研究，世界200多个实验室投入角逐，掀起了超导体研究热潮。这是超导体研究的第一次高潮。

1987年是超导体研究丰收的一年。2月15日，美国国家科学基金会宣布，美国休斯敦大学的朱经武教授和亚拉巴马大学的吴茂昆教授领导的研究小组在液氮温区(77K)获得了临界温度98K的超导体。在实验中，他们首次使用液氮作为导体的致冷剂——相对于过去沿用价格昂贵而难以操作的液氦作致冷剂来说，液氮比液氦便宜90%，效率高20倍，而且可以加快超导技术的研究和应用。同月24日，中国科学院宣布，中国科学院物理研究所赵忠贤、陈立泉等在液氮温区获得了临界温度100K以上的超导体，并首次公布了超导体的主要成分是钡、钇、铜、氧元素。3月10日，中国科技大学获得了液氮温区起始转变温度在110K以上的超导体。此后，各国科学家借鉴美、中科学家的研究成果，找到了一系列新的高临界温度超导材料，使超导临界温度的纪录不断刷新。1987年6月8日，日本电子技术综合研究所获得了临界温度123K的超导体。专家们认为，新型致冷剂的应用和新的超导材料的发现进一步推动了超导体研究热。这是超导体研究热的第二次高潮，重点在提高超导临界温度。从1987年5月起，超导体研究的重心逐步转向基础理论的探索和应用技术的开发，超导体研究随之进入新的阶段。

中国科学家赵忠贤(左)等在进行超导体测试

有些科学家认为，铋系列超导体将成为第三代高温超导物质，已成为世界超导研究的新方向。1987年11月，日本青山学院的研究人员首先宣布找到了铋系列(铋、锶、铜)高温超导物质。1988年1月21日，日本科学技术厅金属材料研究所也宣布研制出铋系列高温超导体：铋锶钙铜氧化物陶瓷。这种新超导材料在85K和105K时均呈超导状态。1988年2月中旬以来，在美国的洛杉矶和休斯敦、瑞士的因特拉肯和日本的筑波城相继举行了关于超导研究的国际会议。与会者纷纷发表了超导研究和超导实用化的最新成果。

超导技术是一项综合性很强的高技术，对能源、工业、交通、国防、医学各方面都具有重要的应用价值和巨大的开发前景。

目前，世界上一些国家在某些方面的超导应用已取得初步成果。美国率先在世界上制成一台超导电动机。日本已研制出无噪音、无震动，不用螺旋桨，时速达100海里(一般船只最高时速为30—40海里)的超导电磁推进船。美国、日本、德国、俄罗斯分别利用超导材料研制出2万、3万、5万、30万千瓦的超导发电机，可将发电机单机容量提高10倍，而体积仅为常规电机的一半。自从日本利用超导磁体制造出时速超过500公里以上的磁悬浮列车后，德国、美国也相继研制出这种“飞行”列车。超导芯片的使用将使未来的电子系统只有现在的微机大小，而其容量和速度却比大型信息处理机高100多倍。中国在1990年8月16日试验成功第一台磁共振成像实用6000高斯超导体，这标志着中国的超导技术从实验室阶段走上了实用化阶段。

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