1987年。诺贝尔物理学奖由亚历山大穆勒和乔治柏诺兹获得。可以想象“超导”这一奇妙想像被人类真正利用的时候,文明社会将诞生革命的变化,。但为了迎接这一时刻的到来,首先必须要发现能够尽可能接近我们生活环境的超导体的“高温超导物质”,因为最先发现这一可能性而获得诺贝尔奖的就是穆勒和柏诺兹。
与超导相关的名词解释
迈斯纳效应:冷却到临界点以下的超导物质排斥磁场现象。1935年,德国物理学家瓦尔德、迈斯纳和罗伯特奥森菲尔德将放在磁场中的锡和铅的样品冷却到超导临界温度以下,,并检测样品外部的磁场分布时发现这一现象。在临界温度以下的样品变成完全反磁性,内部的磁场完全被抵消。反磁性物质将被磁化所产生的磁场方向与外部磁场方向相反,从而相互排斥。通过放在超导体上面的永久磁铁漂浮在半导体上空现象,可以验证在磁性效应的存在。
在此后的几十年内,科学家们发现了各种各样的具有超导电性的金属合金和化合物。1941年发现了在16K(——257)成为超导体的铌氮化合物。1953年发现了在17、5K完成超导体的钒硅酮合金;1962年美国的威斯汀李斯公司物理学家和技术人员合作开发使用最初的超导电线铌钛合金电线。1987年,英国开发出铌钛合金高能电磁铁,首次被应用于美国费米研究所的超导粒子加速器。
此前焦恩丁莱思库和焦恩施力弗1957年创建了超导产生机理理论被人们广泛的接受,称为BCS理论。1987年柏诺兹和穆勒获诺贝尔奖。BCS理论的公式描述了复杂的理论,基本思想是在超导体的作场阳离子形成所谓的“库珀对”。这里库珀对的高度同步运动形成了超导电流。
柏诺兹与穆勒开始探讨新的超导材料,他们把研究对象集中在氧化物上。不断地改变氧化物的组成。继续实验他们积累了许多灰钛石结晶结构感应导电性的丰富经验。他发现有时候从关键物质,也就是从钛酸锶的结晶中,只要去掉小量的氧原子就能得到超导体。但由于其转变温度0、3K,是一个难以达到的极低温度,不可能引起专业超导人员的兴趣。
柏诺兹合成了80多种化合物进行研究。这些化合物都是含有铜和稀土元素的氧化物。他们认识到这些物质所含的铜原子输送电子其电流强度要以通常导电体大。1986年,两人终于发现了一种可成为突破口的物质,就是镧铜氧化物再加上钐。这能够保证制备成化学稳定的陶瓷。这一化合物的超导转变温度是35K(—238),远远超过了原先创记录12K。这是历史上首次出现的“高温超导体”。1986年4月发表了论文。同年末,东京大学名誉教授田中昭中(日本超导工系研究所)和休斯顿大学美籍中国物理学家、香港科技大学校长朱泾武,公布了他们超导转变温度93K,即——180。惊人的实践结果高于氦的沸点77K,实现了具有实际应用价值的超导障碍。且液态氮已广泛被使用,产量高、容易处理,价格便宜。随后导致雪崩现象。世界上几乎所有研究机构开始寻找类似穆勒和柏诺兹所发现的超导物质的实验研究。
1987年3月,纽约召开的美国物理年会(APS)特意设了高温超导特别分场,云集了大量高温超导研究者。可容纳二千人的演讲会场有1800多名科学家和研究生,还有二千人只好场外等待。展示时间一直到半夜。
然而此事过去了三十多年了,高温超导研究领域变得很安静。在我国新闻上曾多次报道高温超导材料研究课题已跻身国际水平,在高温超导领域至今氧化铜材料的转变温度已达到134K,即——139。尽管投入了几十亿美元的材料经费,高温超导材料的实际应用未能个性化。像1987年人们所预期的那样,还有几个应该超越的障碍,更要紧的是高温超导理论至今还没有问世。柏诺兹和穆勒所发现的陶瓷材料的高温超导机理还不清楚。
人们期望能够解释1957年创立的BCS理论在绝对零度下显示超导电性的元素或者单纯的合金,但这一理论无法解释在长高温下其他材料所显示的超导电性。许多物理学家认为新的超导体具有通常超导体截然不同的性质。为解释其作用机理必须创立一种崭新的超导理论,期待突破这一障碍,实现“温室里的超导体。”从网上新闻报道,我国在2021年1月13日高速超导磁悬浮列车下线。也有报道时间是2022年1月13日。
其实本人认为目前科学界都集中在“温室里的超导体”以及超导材料理论问题,我国不妨在实际应用价值的方面先投入资金,室温还是温室的超导材料留给专业人士研究。这样就会打开应用科技的大门。也就是说既然有了高温超导材料,管它在室内还是室外,通过人工设计该材料只要达到设定高温或者是低温都可以产生超导现象,都可以被利用于工业生产领域。其实超导磁悬浮列车之所以能达到超高温度,是因为在室外列车运行中某种摩擦会使超导材料自身产生相应的高温,一定会超过134度以上,在运动瞬间摩擦面上可以达到二百摄氏度以上的高温。就是说超导材料在静态室温置放可以导电很低,但在使用中必将产生超出上百度的高温热量它一定会产生超导效应。
而热力学上产生热有三种方式:辐射热、传导热、对流热,而运动中摩擦生热、光伏生热也会使超导材料达到额定高温。如果超导材料作为一厘米的涂层,涂在一个饱和热力金属管道上,管道内充满286的饱和蒸汽,那么这根管道是不是就可以成为超导材料呢?假使当我们的航天飞船在降落时,下方着落点置放一块超导材料,那么航天飞船在迫降时下面的发动机喷射的火焰使超导材料达到280的高温,飞船与超导材料是不是可以产生磁悬浮现象?其实解开理论应用的扣子,咱们在实际应用入手才是解放生产力。室内温度的超导材料可能没有多大用,而目前在夏季最高室外温度达40多度;在大西北东北室外温度达零下40多度,要想达到高温采用二氧化碳包裹就可以提高温度或降低温度。这是因为二氧化碳的特性在零度以下放热;在零度以上吸收热量。超导材料可以机械加热。
超导材料最有可能的应用是在充蓄电电池上。如果使用在充电设备和蓄电设备上,可以大力缩短充电时间节省大量没必要的辅助材料。只是多了对超导材料的加热设备。其实我也只是烧过几十年锅炉,属于外行,希望专家大力开发把超低温超高温导电材料应用到生产实践上。