超导发展历程研究

摘要 本文研究了超导电性的发现及其发展历程，从传统超导体到高温超导体。并介绍了新型铁基超导体的研究现状和超导电性的发展前景。通过对超导整个发展历程的宏观把握，得到一些启示，有助于进一步研究超导电性。

关键词 超导发现；高温超导；铁基超导；发展历程

中图分类号O4文献标识码A文章编号 1674-6708（2011）35-0079-01

超导电性是指当温度下降至某临界温度Tc以下时电阻完全消失的一种物理现象。超导电性的研究一直是凝聚态物理的一个重要的研究领域。纵观超导发展历程，最初是发现金属系传统超导体。由于其零界温度在液氦温区（4.2k绝对零度左右），临界温度太低，还不能得到广泛的应用。科学家继续寻找更高临界温度的超导材料。1986年，自瑞士科学家发现铜氧化合物超导体，掀起了高温超导研究的热潮。随后，又发现另一类铁基高温超导体，开创了超导研究的新领域。

1 超导电性的发现及其基本物理性质

1.1超导电性的发现

低温世界里蕴含着神奇的物理现象，超导电性的发现离不开低温的获得，昂内斯制造出一台非常精巧的装置，先用蒸发氢使氦气冷却,再利用焦耳-汤姆孙效应使氦气液化,终于在1908年7月10日首次制出液态氦，共获得60mL的液氦，这是人类第一次获得413K的低温。在1911年，昂内斯研究了液氦温度下汞的电阻，发现：当冷却至氦的沸点（412K）时，电阻突然降到0。当升温到412K时这种现象消失;再冷却时这种现象又会出现。于是，昂内斯把这种在一定温度下，电阻突然降为零的现象称为超导电性。自从有了这一伟大发现，超导物理学便诞生了。

1.2超导体的基本物理性质

在发现零电阻效应之后，人们对超导体的物理性质进行了进一步深入探索。发现了3个基本参数。临界温度Tc（正常态转变为超导态时的温度）；临界磁场Hc（当超导体表面的磁场强度达到某个磁场强度Hc时,超导态即转变为正常态；若磁场降低到Hc以下时又进入超导态），Hc与温度的关系为；临界电流Jc（当超导体中的电流超过某临界电流值Jc时，即转变为正常态）.

临界温度和迈斯纳效应是超导体最基本的两个物理性质。在此之后，人们还发现了、超导穿透深度（伦敦穿透深度）、超导相干长度、超导能隙，超导体的同位素效应、压力效应、宏观量子效应、隧道效应、交流感应台阶效应、超导邻近效应等。在超导产生机制上，伦敦兄弟提出了伦敦方（和，其中），这就是超导理论的二流体模型。直到1957年，美国科学家巴丁、库珀和施里弗在《物理学评论》提出BCS理论，BCS理论把超导现象看作一种宏观量子效应。即金属中自旋和动量相反的电子可以配对形成所谓“库伯对”，库珀对在晶格当中可以无损耗的运动，形成超导电流。但理论仍然不够完善，人们仍在继续探索超导产生的机理。

2 高温超导的发现及铁基超导的研究现状

2.1高温超导的发现及研究进展

1986年4月，IBM公司苏黎世实验室的科学家阿历克斯·缪乐（K.Alex Mǖller）和乔治·贝诺兹（J.Georg Bednorz）发现了Tc达38K的La-Ba-Cu-O超导体，标志着氧化物高温超导研究的开始。

高温超导体通常是指在液氮温度（77K）以上超导的材料。1987年2月，中国科学院物理研究所赵忠贤领导的研究小组独立地获得了Tc为92.8K的Ba-Y-Cu-O超导体。实现了超导临界温度从液氦温度（4.2K）向很容易实现的液氮温度（77K）的转变。已经发现的氧化物超导体镧钡铜氧化物（LBCO）和钇钡铜氧化物（YBCO），在结晶学上都是一种钙钛矿型结构。因此，研究这有利于人们进行进一步深入研究。在这一思路的指引下，科学家们在实验室内不断改变配方，不断更换元素来合成可能的氧化物超导体。1987年底，我国留美学者盛正直等首先发现了第一个不含稀土的铊钡铜氧高温超导体。1988年初日本科学家研制成临界温度为110K的铋锶钙铜氧超导体。2001年1月日本科学家发现新型MgB2超导体，其临界温度只有39K，但是能承受很高的电流，而且其相干长度比钙钛矿型氧化物相干长度要大。这也是一个高温超导中的重大发现。

2.2 新型高温超导体—铁基超导的研究现状

自铜氧化物超导发现以来，其超导机制仍未解决，因此科学家们都希望在铜基超导材料以外再找到新的高温超导材料，从一个新的角度去研究高温超导机制。希望最终解决这个超导产生机制之谜。

2008年1月初，日本科学家细野秀雄小组发现在LaOFeAs中，将部分氧以掺杂的方式用氟取代，可使LaO1-xFxFeAs的临界温度达到26K，这一突破性进展开启了一种新型高温超导体—铁基超导的研究热潮。3月25日，中国科技大学陈仙辉小组发现氟掺杂钐氧铁砷化合物在临界温度43K时也变成超导体。3月28日，中国科学院物理研究所赵忠贤小组发现PrO1-xFxFeAs的超导转变温度可达52K，4月中旬, 该小组又先后发现在压力环境下合成的SmO1-xFxFeAs和REFeAsO1-δ超导转变温度进一步升至55K等。目前，根据母体化合物的组成比和晶体结构，新型铁基超导材料大致可以分为以下四大体系：1）“1111”体系，成员包括LnOFePn（Ln=La, Ce, Pr, Nd,Sm, Gd, Tb, Dy, Ho, Y; Pn=P, As）以及DvFeAsF（Dv =Ca, Sr）等；2）“122”体系, 成员包括AFe2As2 （A = Ba,Sr, K, Cs, Ca, Eu）等；3）“111”体系, 成员包括AfeAs（A = Li, Na）等；4） “11”体系，成员包括FeSe（Te）等。

3结论

超导的研究经历的一个艰难的历程，纵观其光辉的发展史，从发现到发展，都蕴含着科学家们的研究智慧。相信随着铁基超导进一步深入研究，人们可以最终找到超导产生的机制以及得到临界温度更高、能够得到广泛应用的超导体。

参考文献

[1]马廷灿，万勇，姜山.铁基超导材料制备研究进展.中国科学院国家科学图书馆武汉分馆情报研究部，2009.

[2]戴闻，冯庆荣，高政祥.MgB2中的超导电性[J].自然科学进展，2002，12(9)：897-902.