超导材料有什么用处啊？

1962年，年仅20多岁的剑桥大学实验物理研究生约瑟夫逊在科学家安德森指导下研究超导体能隙性质，他提出在超导结中，电子对可以通过氧化层形成无阻的超导电流，这个现象称作直流约瑟夫逊效应。当外加直流电压为V时，除直流超导电流之外，还存在交流电流，这个现象称作交流约瑟夫逊效应。将超导体放在磁场中，磁场透入氧化层，这时超导结的Z大超导电流随外磁场大小作有规律的变化。约瑟夫逊的这一重要发现为超导体中电子对运动提供了证据，使对超导现象本质的认 识更加深入。约瑟夫森效应成为微弱电磁信号探测和其他电子学应用的基础。

70年代超导列车成功地进行了载人可行性试验。超导列车是在车上安装强大的超导磁体，地上安放一系列金属环状线圈。当车辆行进时，车上的磁体在地上的线圈中感应起相反的磁极，使两者的斥力将车子浮出地面。车辆在电机牵引下无摩擦地前进，时速可高达500千米。

1987年3月12日ZG北京大学成功地用液氮进行超导磁悬浮实验。

1987年日本铁道综合技术研究所的“MLU002”号磁悬浮实验车开始试运行

1991年3月日本住友电气工业公司展示了世界上diyi个超导磁体。

1991年10月日本原子能研究所和东芝公司共同研制成核聚变堆用的新型超导线圈。该线圈电流密度达到每平方毫米40安培，为过去的3倍多，达到世界Z高水准。该研究所把这个线圈大型化后提供给国际热核聚变堆使用。这个新型磁体使用的超导材料是铌和锡的化合物。

1992年1月27日diyi艘由日本船舶和海洋基金会建造的超导船“大和”1号在日本神户下水试航。超导船由船上的超导磁体产生强磁场，船两侧的正负电极使水中电流从船的一侧向另一侧流动，磁场和电流之间的洛化兹力驱动船舶高速前进。这种高速超导船直到目前尚未进入实用化阶段，但实验证明，这种船舶有可能引发船舶工业爆发一次革命，就像当年富尔顿发明轮船Z后取代了帆船那样。

1992年一个以巨型超导磁体为主的超导超级对撞机特大型设备，于美国得克萨斯州建成并投入使用，耗资超过82亿美元。

1996年改进高温超导电线的研究工作取得进展，制成了diyi条地下输电电缆。欧洲电缆巨头皮雷利电缆公司、美国超导体公司和旧金山的电力研究所的工人，共同把6000米长的铋、锶、钙、铜和氧制成的线缠绕到一根保持超导温度的液氮的空管子上。

目前国内外的研究状况及发展趋势

强磁场实验装置是开展强磁场下物理实验的Z基本条件。建立20T以上的稳态强磁场装置是复杂的涉及多学科和高难度的大型综合性科学工程，其建设费用高，磁体装置的运行费用也很高。正因为如此，目前国际上拥有20T以上的稳态磁体的强磁场实验ZX仅分布在主要的工业大国。世界上diyi个强磁场实验室于1960年建于美国的MIT。随后，欧州的英国、荷兰、法国和德国以及东欧和苏联相继在70年代建立了强磁场实验室。日本的强磁场实验室建于80年代初。磁场水平由60年代的20T，提高到80年代的30T。90年代初，美国政府决定在Florida建立新的国家强磁场实验室，日本在筑波建立了新的强磁场实验室，强场磁体技术有了长足的进步和发展，稳态磁场水平近期可望达到40-50T。

伴随着强磁场实验室的建立，强磁场下的物理研究也在不断深入。量子霍尔效应的发现得到了1985年诺贝尔物理学奖。它是在20T稳态强磁场中研究金属－氧化物－半导体场效应晶体管输运过程时观测到的。近年来，有关强磁场下物理工作的文章对每个强磁场实验室来说平均每年都在上百篇，其中有很多重要的科学发现。目前的发展趋势普遍是将凝聚态物理学领域中前沿的研究对象如高温超导材料、纳米材料、低维系统等同强磁场极端条件相结合加以研究。在Grenoble强磁场实验室，半导体材料和半导体超晶格中的光电特性以及元激发及其互作用等是其主要的研究内容，而在美国、日本等强磁场实验室，则侧重在高温超导材料、低维系统、强关联电子系统、人造超晶格以及新材料等方面。同时，强磁场下的化学反应过程、生物效应等方面的研究也逐渐为人们所重视。

在ZG虽有一些6T-12T的超导磁体分散在全国各地，但尚未形成一个全国性的强磁场实验ZX，我国在10T以上稳态强磁场下的系统的科学研究工作尚属空白。为满足国内强磁场研究工作的需要，早在1984年ZG科学院数理学部就组织论证，决策在等离子体物理研究所建立以20T稳态强磁场装置为主体的强磁场实验室。该装置于1992年建成并投入运行。与此同时，实验室相继建成了多个能满足不同物理实验、场强在15T左右的稳态强磁场装置，配备了相应的输运和磁化测量系统以及低温系统。ZG科学院院士、物理学家冯端先生在了解了合肥强磁场实验室的情况后非常感慨地说：过去ZG没有强磁场条件，对有关强磁场下的物理工作连想都不敢想，现在有了强磁场条件我们应该好好的考虑考虑这方面的问题了。

超导科学研究

1.非常规超导体磁通动力学和超导机理

主要研究混合态区域的磁通线运动的机理，不可逆线性质、起因及其与磁场和温度的关系，临界电流密度与磁场和温度的依赖关系及各向异性。超导机理研究侧重于研究正常态在强磁场下的磁阻、霍尔效应、涨落效应、费米面的性质以及T
2.强磁场下的低维凝聚态特性研究

低维性使得低维体系表现出三维体系所没有的特性。低维不稳定性导致了多种有序相。强磁场是揭示低维凝聚态特性的有效手段。主要研究内容包括：有机铁磁性的结构和来源；有机（包括富勒烯）超导体的机理和磁性；强磁场下二维电子气中非线性元激发的特异属性；低维磁性材料的相变和磁相互作用；有机导体在磁场中的输运和载流子特性；磁场中的能带结构和费米面特征等。

3.强磁场下的半导体材料的光、电等特性

强磁场技术对半导体科学的发展愈益变得重要，因为在各种物理因素中，外磁场是唯yi在保持晶体结构不变的情况下改变动量空间对称性的物理因素，因而在半导体能带结构研究以及元激发及其互作用研究中，磁场有着特别重要的作用。通过对强磁场下半导体材料的光、电等特性开展实验研究，可进一步理解和把握半导体的光学、电学等物理性质，从而为制造具有各种功能的半导体器件并发展高科技作基础性探索。

4.强磁场下极微细尺度中的物理问题

极微细尺度体系中出现许多常规材料不具备的新现象和奇异特性，这与这类材料的微结构特别是电子结构密切相关。强磁场为研究极微细尺度体系的电子态和输运特性提供强有力的手段，不但能进一步揭示这类材料在常规条件下难以出现的奇异现象，而且为在更深层次下认识其物理特性提供丰富的科学信息。主要研究强磁场下极微细尺度金属、半导体等的电子输运、电子局域和关联特性；量子尺寸效应、量子限域效应、小尺寸效应和表面、界面效应；以及极微细尺度氧化物、碳化物和氮化物的光学特性及能隙精细结构等。

5.强磁场化学

强磁场对化学反应电子自旋和核自旋的作用，可导致相应化学键的松驰，造成新键生成的有利条件，诱发一般条件下无法实现的物理化学变化，获得原来无法制备的新材料和新化合物。强磁场化学是应用基础性很强的新领域，有一系列理论课题和广泛应用前景。近期可开展水和有机溶剂的磁化及机理研究以及强磁场诱发新化学反应研究等。

6.磁场下的生物学、生物－医学研究等

磁体科学和技术

强磁场的价值在于对物理学知识有重要贡献。八十年代的一个概念上的重要进展是量子霍尔效应和分数量子霍耳效应的发现。这是在强磁场下研究二维电子气的输运现象时发现的（获85年诺贝尔奖）。量子霍尔效应和分数量子霍尔效应的发现激起物理学家探索其起源的热情，并在建立电阻的自然基准，精确测定基本物理常数e，h和精细结构常数(＝e2/h(0c等应用方面，已显示巨大意义。高温超导电性机理的Z终揭示在很大程度上也将依赖于人们在强磁场下对高温超导体性能的探索。

熟悉物理学史的人都清楚，由固体物理学演化为凝聚态物理学，其重要标志就在于其研究对象的日益扩大，从周期结构延伸到非周期结构，从三维晶体拓宽到低维和高维，乃至分数维体系。这些新对象展示了大量新的特性和物理现象，物理机理与传统的也大不相同。这些新对象的产生以及对新效应、新现象的解释使得凝聚态物理学得以不断的丰富和发展。在此过程中，极端条件一直起着至关重要的作用，因为极端条件往往使得某些因素突出出来而同时YZ其它因素，从而使原本很复杂的过程变得较为简单，有利于直接了解物理本质。

相对于其它极端条件，强磁场有其自身的特色。强磁场的作用是改变一个系统的物理状态，即改变角动量（自旋）和带电粒子的轨道运动，因此，也就改变了物理系统的状态。正是在这点上，强磁场不同于物理学的其他一些比较昂贵的手段，如中子源和同步加速器，它们没有改变所研究系统的物理状态。磁场可以产生新的物理环境，并导致新的特性，而这种新的物理环境和新的物理特性在没有磁场时是不存在的。低温也能导致新的物理状态，如超导电性和相变，但强磁场极不同于低温，它比低温更有效，这是因为磁场使带电的和磁性粒子的远动和能量量子化，并破坏时间反演对称性，使它们具有更独特的性质。

强磁场可以在保持晶体结构不变的情况下改变动量空间的对称性，这对固体的能带结构以及元激发及其互作用等研究是非常重要的。固体复杂的费米面结构正是利用强磁场使得电子和空穴在特定方向上的自由运动从而导致磁化和磁阻的振荡这一原理而得以证实的。固体中的费米面结构及特征研究一直是凝聚态物理学领域中的前沿课题。当今凝聚态物理基础研究的许多重大热点都离不开强磁场这一极端条件，甚至很多是以强磁场下的研究作为基础。如波色凝聚只发生在动量空间，要在实空间中观察到此现象必需在非均匀的强磁场中才得以可能。又如高温超导的机理问题、量子霍尔效应研究、纳米材料和介观物体中的物理问题、巨磁阻效应的物理起因、有机铁磁性的结构和来源、有机（包括富勒烯〕超导体的机理和磁性、低维磁性材料的相变和磁相互作用、固体中的能带结构和费米面特征以及元激发及其互作用研究等等，强磁场下的研究工作将有助于对这些问题的正确认识和揭示，从而促进凝聚态物理学的进一步发展和完善。

带电粒子象电子、离子等以及某些极性分子的运动在磁场特别是在强磁场中会产生根本性变化。因此，研究强磁场对化学反应过程、表面催化过程、材料特别是磁性材料的生成过程、生物效应以及液晶的生成过程等的影响，有可能取得新的发现，产生交叉学科的新课题。强磁场应用于材料科学为新的功能材料的开发另辟新径，这方面的工作在国外备受重视，在国内也开始有所要求。高温超导体也正是因为在未来的强电领域中蕴藏着不可估量的应用前景才引起科技界乃至各国政府的高度重视。因此，强磁场下的物理、化学等研究，无论是从基础研究的角度还是从应用角度考虑都具有非常重要的科学和技术上的意义，通过这一研究，不仅有助于将当代的基础性研究向更深层次开拓，而且还会对国民经济的发展起着重要的推动作用。

近期的研究课题

1.强磁场下低维系统的输运性质和Shubnikov-deHaas效应（国家自然科学基金项目）

层状钙钛结构La-M-Mn-O(M=Ca，Sr，Ba)体系是1994年刚观察到巨大的巨磁阻效应的单位体系，其形成机制尚不清楚，并且到目前为止于电阻的磁场关系和温度关系研究，其他输运性质的测量尚未见报道。我们将着重强磁场（直到20T）下Hall效应及其磁场关系和温度关系的研究，这是探索导电和巨磁阻效应的机制和电子结构的一个重要方法。另一方面，这一测量可以为观测量子振荡现象，如deHass-vanAlphen效应和Shubnikov-deHaas效应的条件，即h(>kBT和(c(>>1所必须的磁场强度作出判断。为开展这类材料费米性质研究奠定基础。

有机导体和超导体，由于小的电子有效质量和高的迁移率，10－20T强磁场可以满足观察量子振荡现象的必要条件。我们将利用磁阻测量中的Shubnikov-deHaas效应，研究有机导体和有机超导体的费米面性质作为主要目标，并研究其它输运性质。

以上研究中微弱信号的检测是这一研究中的关键技术之一，我们已经建立，有待进一步提高。高的样品质量是这研究的另一重要问题。否则，量子振荡会因为量子轨道受到碰撞而模糊不清。我们拟利用高质量的单晶或外延薄膜满足这一要求。

本项目的特色与创新之处：

1.利用20T强磁场和温度这一极端条件，以研究低维体系的电子能带结构，乃至费米面为目的的输运性质研究，在国内尚属首次；

2.层状钙钛矿结构导体La-M-Mn-O(M=Ca，Sr，Ba)的输运性质是凝聚态物理中的前沿课题。有关强磁场下电子能带结构和Hall效应的研究尚未见报道。

3.在强磁场和低温条件下，存在着新的科学机遇，可望新现象和新效应的发现。

2.高温超导体磁通动力学及高温超导机理的探索（院九五ZD基金项目）

高温超导机理虽进行了大量的理论和实验研究，但至今仍然是一个未被解决的问题，对其正常态性质特别是低温下的正常态性质系统的了解将有助于对这一问题的正确揭示。由于高Tc材料的Tc太高，人们无法研究其低温下但仍处于正常态时的行为，同时由于上临界场又非常高，大大超过目前实验室所能达到的Z大稳态场，因此以往那种用外加磁场迫使超导样品进入正常态的方法失去了意义。因此，选择Tc低但又能反映高温超导特征的合适体系对这一问题的研究尤为重要，这样就可以利用实验室所能达到的稳态强磁场条件，通过强磁场迫使超导样品进入正常态以开展其低温下的正常态特性研究，从而为正确揭示高温超导电性的机理提供实验依据。

高温超导体进入混合态后的行为虽然显示出和常规二类超导体相类似的行为，但存在众多的实验现象在常规理论的基础上不能得以解释。早在其发现后不久人们就注意到，在这类材料的H-T图上，除了临界场强Hc1与Hc2的曲线外，还多一条不可逆线Hirr(T)。进一步研究表明在Hc1与Hirr(T)之间的区域磁通点阵是不可移动的因而保持零电阻特征，而在Hirr(T)与Hc2之间的区域磁通点阵是可移动的故有电阻出现，意味着高温超导体的应用范围将局限在一定的Hirr(T)值之下。因此，探讨不可逆线的物理本质是否是内禀的以及哪些因素对其有影响，无论是物理的角度还是从这类材料今后的应用前景角度考虑都是非常有意义的。另外一个基本的但至今仍没有定论的问题是不可逆线之上的磁通动力学行为，常规的针对第二类超导体所提出的一些基本图象在Hirr(T)与Hc2之间的区域是否仍然成立，还有在这一区域的涡旋运动规律如何，特别是在高温下但钉扎势很弱的情况下的涡旋运动如何去描述等等，这些问题的澄清有待于实验上的更深入地系统研究。

主要研究内容:

1.高温超导电性的机理

选择具有低Tc但又能反映高温超导体特征的La-Sr-Cu-O系统作为研究对象，外加强磁场迫使超导样品进入正常态，开展很低温度但仍处在正常态时的输运性质，主要有三方面的研究内容，一是研究沿导电层的电阻率随温度的变化行为以探讨电子散射机制；二是研究沿垂直于导电层方向的电阻率随温度的变化行为，探讨相邻导电层之间的其它层性质对系统整体的性能影响，并探讨低温时沿导电层的电阻率和沿垂直于导电层的电阻率之比是否仍然象高温时那样强烈地依赖于温度；三是通过霍尔系数的测量，研究它随温度的变化行为以及这种变化是否可以基于费米液体理论得以解释。Z终期望为正确揭示高温超导电性的机理提供实验依据；四是，由于高温超导体的未掺杂原型相是磁性绝缘体，通过掺杂引入了载流子，相应的磁性响应发生改变，在此过程中包含有丰富的物理相变内容，伴随着相变的发生，载流子的浓度和类型、局域化行为、铜氧化物层上的电子散射机理以及层间的藕合机理等均会明显改变，从而Z终导致这类材料的整体性质的千变万化，深入研究各种相变的特征以及探讨局域化行为是本研究的主要内容之一。

2.混合态磁通动力学行为及相关的物理现象

从实验角度研究La-Sr-Cu-O高温超导体磁场下的电阻转变的展宽、临界电流密度随温度的变化规律、I-V曲线等。通过磁阻和I-V以及临界电流密度等的测量并结合磁化实验，希望对不可逆线的物理本质以及影响其行为的因素有所了解；通过不同的电流和磁场几何位型下的输运性质的测量并与已有的模型作定量地比较性研究，以探讨磁通运动的规律；对临界电流密度作深入的系统实验研究，探讨磁通钉扎机理以及改善磁场下临界电流密度的有效途径。Z终希望在这些研究的基础上来间接地探讨高温超导体混合态时的磁通动力学行为。

3.强磁场下Bi－2201单晶的输远性质研究（国家超导攻关项目）

自从高温超导体被发现以来，对它的超导态进行了大量的实验及理论研究。人们发现它的超导态基本上是正常的，即除了相干长度较短及几乎没有同位素效应外高Tc材料在超导态上与超导体没有什么不同。但是，高温超导体的正常态却表现出很复杂的情况。尽管人们对高Tc材料的正常态有了许多了解，但仍然有许多问题尚未弄清楚。其中一个重要原因就是高Tc材料的Tc太高，人们很难研究它的低温行为。而同时它的上临界场又非常高，大约在100T以上。这么强的磁场大大超过目前实验室能够得到的Z高稳态磁场。因此，以往那种加磁场迫使样品进入正常态的方法失去了意义。另一方面，有些高Tc材料的重要的实验现象必须得在较低的温度下澄清。例如，高Tc材料的电阻率在低温下正比于温度的一次方。而不是温度的五次方（电声相互作用的结果）。

有人认为，这可能是由于高Tc材料的德拜温度太低造成的。因为电阻率的T5行为仅在1/4德拜温度以下出现。如果假定德拜温度为100K，则T5行为应出现在25K以下。因此为了澄清这类疑难问题，也必须寻找一种Tc在10K以下的高Tc材料。热电势也有类似的情况。因此综合上面的分析，不难看出，为了更好地研究高Tc材料的正常态性质，我们必须寻找一种高Tc材料，它的Tc是越低越好。

Bi－2201相对所有高Tc材料具有Z低的Tc（单晶样品大约在7K左右），而且它的结构相对简单，仅有一层铜氧面。但是2201相具有复杂的相关系，超导的Bi－2201仅存在于相图上一个很窄的范围内。早期甚至有人认为它是不超导的。因此许多有关Bi-2201相的物理工作都在不超导的样品上进行的。掺杂La可以使超导单晶相对容易获得，我们的Z新结果是Tc可以高达25K，目的就是研究它的正常态输运性质。研究它的正常态电阻率是否起多大作用。研究它的霍尔系数是否有对温度很强的温度依赖性，而这种强的温度依赖性能否用费米液体的观点来解释。研究它的热电势能否用传统的理论来解释，从而为高Tc的研究工作提供重要的实验证据。