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金沙js娱乐场官方网站闻海虎教授团队发现无毒的铜氧化物超导体具有最高的不可逆磁场

2019-12-10 作者:产品评测   |   浏览(98)

Unprecedented high irreversibility line in nontoxic cuprate superconductor Ba2Ca3Cu4O11+δ. Yue Zhang, Wenhao Liu, Xiyu Zhu, Haonan Zhao, Zheng Hu, Chengping He, Hai-Hu Wen

2012年,马衍伟团队进一步优化织构化铁基超导带材的制备工艺,大幅度提高了超导电流,其临界电流密度在10特斯拉的强磁场下达到17000安培,证明了铁基超导材料在强电应用上的巨大潜力。

超导体只能在其临界温度Tc以下才能够进入超导态,因此要实现超导的应用就需要临界温度较高的超导体。液氮的沸点温度是77.3K,是容易制造而且成本低廉的制冷剂。因此发现临界温度在液氮温度之上并且具有高的不可逆磁场的超导体对于超导大规模应用至关重要。铜氧化合物超导体家族中就有很多超导体的临界温度超过液氮温度,如Y-系(123, Tc≈90K), Bi-系 (2223, Tc≈110K), Tl-系(2223, Tc≈125K)和Hg-系 (1234,Tc≈124K)等。但是后两者含有毒性元素铊和汞,而且液氮温区的不可逆磁场似乎不高。Bi-系尽管没有毒性,但是因为具有太强二维性,在磁场下的超导临界电流下降很快,不可逆磁场很低,因此也无法在液氮温度下实现强电应用。Y-系超导体钇钡铜氧(YBa2Cu3O7-d,简称YBCO)的临界温度超过液氮温度,不可逆磁场也较高,因此人们目前把液氮温区大规模应用的期望放在YBCO身上;但是由于其较短的相干长度,制备出长导线极其困难,到目前为止仍然没有实现大规模应用。超导学界迫切需要寻找到超导临界温度在液氮温度以上,且不可逆磁场更高的无毒性超导体,以便实现更好的应用。

我国科学家还对铁基超导体若干基本物理性质进行了深入研究,确认了它的非常规性。铁基超导被确认为新一类高温超导体,引起了国际物理学界的极大关注,成为科学家研究的热点。铁基超导材料也因其在交通运输、医学、国防等领域有广泛的应用前景,被《科学》杂志称为是目前最具有发展前景的新型高温超导体之一。

(物理学院 科学技术处)

1968年,物理学家麦克米兰根据传统理论计算推断,超导体的转变温度一般不能超过40K(约零下233摄氏度),这个温度也被称为麦克米兰极限温度。

该成果是闻海虎教授团队独立完成的,张越博士生是文章第一作者,闻海虎教授和祝熙宇副教授为共同通讯作者,闻海虎协调了整个工作进展。此工作得到教育部一流学科建设,国家重点专项“量子调控项目”,自然科学基金委和2011计划“人工微结构科学与技术协同创新中心”的支持,在此表示感谢。

超导研究在科学上的重要性及其巨大的应用前景,吸引了许多科学家的目光。超导研究百年历史上,有10人获得诺贝尔奖。

图1. Ba2Ca3Cu4O11+d超导体的电阻率在不同磁场下随温度的依赖关系。A. 电阻率随温度的变化关系,其插图显示的是在外磁场为10Oe下测量的磁化随温度的变化关系, ZFC表示用零磁场下冷却样品到低温然后加磁场的方式测量到的磁化数据,反映完全抗磁性;FC表示的是有场冷却测量模式。B. 显示的是A主图中同样的数据,电阻率以对数形式画出。可见无论磁化还是电阻都在116K左右出现剧烈下降,样品开始进入超导态。

我国已率先研制出首根百米量级铁基超导长线

http://advances.sciencemag.org/content/advances/4/9/eaau0192.full.pdf

日常生活中,电器、电线会发热,是因为电流和电器、电线发生了“摩擦”,这种“摩擦”就是电阻的来源,电阻产生的热量实际是电能浪费。事实上,电在从发电厂“赶往”工厂、住宅、学校的路上,就已经被输电线的电阻消耗了不少。

参考文献和链接:

专家表示,无论是先置入外磁场中后降温到超导态,还是先降温到超导态再放入外磁场中,外磁场的磁力线都无法穿透到超导体内部。超导磁体具有体积小、稳定度高、耗能少等多种优势,因此临床上采用的高分辨核磁共振成像技术,很多依靠的是超导磁体。

该工作的起源是基于他们多年来对铜氧化物超导体不可逆磁场和临界电流问题的深入研究和认识。如前面所说,很多临界温度超过100K的超导体都具有毒性元素,因此怎样用无毒性元素替换掉这些毒性元素,同时使得不可逆磁场仍然较高,这是他们最近几年特别关注的方向。这使得他们回溯到1995年左右,国际学术界曾经有过这方面的初步探索,但是当时对超导体的成分表达式没有统一认识,另外也没有对不可逆线进行系统的研究。该小组利用高温高压合成手段,成功制备出体积含量在90%以上的Ba2Ca3Cu4O11+d超导体,确认了分子式和结构。他们对该超导体仔细进行了磁场下的电阻和磁化测量,确定了其不可逆线。图1显示了该超导体的电阻在不同磁场下随温度的变化关系。可以看出, 即便在15特斯拉的强磁场下,在80K电阻仍然很小(降到仪器噪音范围内)。他们发现部分样品的不可逆磁场会更高。因为这里的电阻消失行为还主要是多晶之间的超导弱连接所决定,因此进一步改善弱连接,该类超导体的不可逆磁场还会继续升高。

把材料置于零下两三百摄氏度的温度下,将会怎样?超导材料的表现是:电阻突然消失了。这可不是简单的变化,零电阻的超导体被认为有望给电力工业带来革新。

南京大学物理学院的闻海虎教授团队,利用高温高压合成技术,制备了一种无毒性的铜氧化合物超导体Ba2Ca3Cu4O11+d,其临界温度约为116 K。仔细的电阻和磁化性质测量表明该超导体在液氮温度及以上的温区具有迄今为止最高的不可逆磁场,因此可能带来更好的应用。该工作于2018年9月28日在线发表在Science Advances 4, eaau0192。

在铁基高温超导体基础研究上,我国处于世界前列

超导体的一个重要性质是无损耗地承载很大电流,因此利用超导磁体能够产生超强磁场。这个性质可以应用在国防,医疗,受控核聚变,高能加速器和新一代磁悬浮轨道交通等方面。在超导体的磁场和温度相图上,有一个标识无损耗传输电流的边界线叫不可逆线 Hirr,只有在不可逆线以下的温度和磁场,超导体才可以承载一定的超导电流。通常不可逆磁场越高,该超导体在强磁场下承载无损耗电流的能力就越强,并有一个更好的应用预期。

目前,我国科学家在铁基高温超导体基础研究上处于世界前列。

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超导大规模应用的难点是,缺乏适合应用的、临界温度更高的超导体。1911年,荷兰物理学家昂内斯等人测量金属汞的电阻时,惊奇地发现温度降至极低后,汞的电阻突然消失。金属汞也成为人类发现的第一个超导体。

图2. Ba2Ca3Cu4O11+d超导体的不可逆磁场与其他铜氧化物超导体的比较。图中的黑色方块和红色菱形数据点是两块样品的不可逆磁场曲线。目前,本领域强电应用方面最看好的无毒性超导体YBCO的数据用红色实心圆点和绿色三角形数据点标示。蓝色斜线标识的区域是在YBCO基础上的提高部分。

不过,汞要冷却到4.2K(0K等于零下273摄氏度,4.2K约为零下269摄氏度)才有超导现象。这是一个极低的温度,需要依靠昂贵的液氮来维持,推广应用几乎不可能。因此,从超导现象发现第一天起,科学家一直在寻找有应用价值的高温超导体。

闻海虎教授团队在南京大学学校双一流项目的支持下,很快建立起来了高温高压下的样品制备条件,并投入使用,做出这个新结果。必须指出的是,目前的材料是在高压下合成出来的,电阻和磁化结果是在常压下测量的,其性质表明该超导体在常压下是极其稳定的,这为该超导体的应用提供了可能。但是要实现真正的大规模应用,也许还有很长的路要走。首先最好在低压或常压下合成出样品,另外该小组也在尝试将这个超导体制备成薄膜。该小组仍然在无毒性的临界温度在100K以上的超导体方面开展深入研究,希望在促进超导体在液氮温区的应用方面取得新进展。

(原载于《人民日报》2017-12-2220版)

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2016年9月,马衍伟团队优化了设计和加工方案,成功研制国际上首根100米量级铁基超导长线。经测试,该超导线载流性能表现良好,10特斯拉高磁场下的临界电流密度超过12000安培/平方厘米,初步具备了应用的价值。

利用超导转变附近正常态电阻1%的判据,他们确定了该超导体的不可逆磁场,数据画在图2中,见黑色方块和红色菱形数据点。同时画在图中的还有其他铜氧化物超导体的多晶样品或薄膜/单晶样品的数据。可见Ba2Ca3Cu4O11+d超导体在液氮温区直至116K具有最高的不可逆磁场。图中的蓝色斜线标示的区域是在钇钡铜氧超导体不可逆线基础上的进一步提高。可以看出,无论是超导临界温度还是不可逆磁场都有明显的提高。该工作一经在国际学术网站上贴出,即受到广泛的关注。Science Advances的三位评审人都给予了高度评价,认为这是本领域的一个巨大的成果(huge result)和显著进展(significant advance),有可能会激发起铜氧化物超导体应用研究的新高潮并最终导致大规模的应用。

经过科学家的努力,虽然铜基高温超导材料的质量和性能不断提高,但它有两个致命的缺陷。第一,作为一种金属陶瓷材料,它在柔韧性和延展性上远远不如金属材料,加工工艺也严苛,在材料机械加工等方面存在巨大的困难;第二,它可以负载的最大电流相对较低,无法在一些需要高电流强磁场的领域应用。

目前,世界上其他国家的铁基超导线制备仍处于米级水平。专家表示,百米量级铁基超导线的成功研制,表明我国已率先掌握了具有自主知识产权的铁基超导长线制备技术,巩固了我国在铁基超导相关研究上的领先地位,有利于我国占领新型超导材料及其应用发展的制高点。

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