什么是高溫超導體？

高溫超導體是超導物質中的一種族類，具有一般的結構特征以及相對上適度間隔的銅氧化物平面。它們也被稱作銅氧化物超導體。高溫超導體并不是大多數人認為的幾百幾千的高溫，只是相對原來超導所需的超低溫高許多的溫度，不過也有零下200攝氏度左右。而在人類所研究的超導中溫度算提高非常多，所以稱之為高溫超導體。

高溫超導體發現

1908年在實驗室實現氦氣液化后。1911年卡末林·昂內斯發現了超導現象，Blaugher闡述了超導電性與低溫制冷系統之間的關系。目前，商業化的低溫超導體有NbTi和Nb，Sn兩種，它們的臨界溫度分別為9K和18K，因此對于大多數應用而言必須運行在5K溫區以下。

通常昂貴的制冷成本使其難以在工業領域獲得應用。相比而言，新的高溫超體導氧化物陶瓷材料僅需較少的冷量，且可在液氮飽和大氣壓力平衡溫度77K以上實現低場應用，還可在30～40K溫區實現高場應用。制冷機在77K下的運行功耗低于在4K時相應數值的十分之一。

如下圖所示。所有高溫超導體必須工作在由電流密度、運行溫度和磁場3個相互關聯臨界參數所限定的區域內。其中高溫超導體無阻載流(呈現超導態)所對應的最高溫度稱為該超導體的臨界溫度(Tc)，其載流能力上限稱為臨界電流密度(Jc)，而臨界磁場(Hc)則是指磁場強度高于此數值后高溫超導體將喪失超導電性。

3個臨界參數超過其中任何一個，高溫超導體都將轉變為正常態。自從1986年高溫超導被發現后，高溫超導材料正逐步用于制作一些原理樣機，如電動機、發電機、電力電纜、變壓器、故障限流器和磁懸浮列車用磁體等。

最常見的高溫超導體包括BSCCO-2212、BSCCO-2223、YBCO-123和MgB2導體，它們采用不同的工藝制備。

高溫超導體的應用

1、高溫超導體在電子工業中的應用

人類已進人信息共享和全球通信新時代，寬帶無線通訊系統已進人歐洲和日本。超導濾波器由于臨界溫度高，具有抗干擾能力，在空間探測應用方面有優勢，具有一定的戰略意義。

美國利用超導濾波器建立無線載波蜂窩網基礎，這是超導濾波器朝大規模商業化邁出的重大一步;

歐洲Cryoelectra公司為當代和第3代無線通訊網絡開發出了超導濾波器，并成功完成現場試驗;

瑞典Infinion無線技術裝備公司利用高溫超導體-半導體技術為第3代通信網絡研制出一種軟件無線電用模擬數字轉換器;

日本擬在測量和通訊領域采用低溫超導和高溫超導快速單磁通量子器件(RSFQ)，其中低功耗超導網絡器件開發項目在2002年初開始實施，包括高速路由器的轉換模塊和計算機處理器模塊;掃描超導量子干涉顯微鏡，在半導體芯片質量控制方面將有廣泛應用。

這些項目將為實現無阻塞網絡通信應用和制造超低功耗器件做出貢獻。

2、高溫超導體在醫學中的應用

利用超導量子干涉器件(SQUID)開發的腦造影儀和心磁圖記錄儀也取得了進展。它們為采用其它方法不能診斷的疾病提供了一種非介人探查方法。腦造影儀已走出基礎研究階段，并臨床試用于早期確診與定量評價心臟局部缺血癥和有生命危險的心律不齊病，以預測突然死亡的危險性。心磁圖記錄儀不久就會成為臨床診斷儀器。

3、高溫超導體在軍事中的應用

高溫超導體在軍事中的應用主要有以下幾方面:高溫超導電動機和發電機、變壓器、故障電流限制器和掃雷艇用直接制冷磁體、SQUID磁強計、高溫超導空間實驗站、船用防dan系統用無電子激光器(2K-4K的泥腔)、艦船集成動力系統、導dan用高精度超導陀螺儀、超導電磁炮等。

Bi系高溫超導體制造的艦船推進同步電機具有高功匆體積比、尺寸緊湊、重量輕、堅固性好、噪音低、調速操控簡便、耗油少等特征，主要應用于高速艦船(潛艇、驅逐艇、護航艇、水翼艇)、容積型艦船(大型破冰船、油輪、集裝箱船)等，美國海軍已完成該電機高功率試驗。

高溫超導體研究現狀

2018年3月5日，《自然》期刊連發兩篇文章：將兩層只有原子厚的石墨烯以特別的角度(1.1度，被稱為“魔角”)偏移時，材料就能在零電阻下導電。盡管該系統仍然需要被冷卻至1.7K(1.7開爾文，約零下271攝氏度)，但結果表明了它或許可以像已知的高溫超導體那樣導電。一旦該結果被確認，此次的發現對于理解高溫超導電性至關重要。這一發現引起物理學界的熱烈反響，而文章的diyi作者為年僅21歲的中國人——留學美國麻省理工學院的博士生曹原——這也令國人頗為關注與振奮。

高溫超導體是超導臨界溫度一般高于25K(-248℃)的一類超導體，可見“高溫”只是相對而言。已發現的高溫超導材料有銅氧化物和鐵基超導體等。2015年，德國科學家宣稱在硫化氫中發現了203K的高溫超導，但需要在200GPa(200萬個大氣壓)的條件下才能實現。

已發現的高溫超導體應用起來存在許多技術難度，而且其物理性質極其復雜，難以被現有理論框架解釋。尋找新型的高溫超導體，以至常壓下的實用型常溫超導體，是科學家們探索的目標。

物理學家不斷地想要找到高溫超導材料，以應用在日常生活之中。然而，大多數材料只有在接近零度時，才會轉變為超導體。即使是所謂的“高溫”超導體也只是在相對意義上的：目前零電阻導電的最高溫度約為-140℃。如果有哪種材料能夠在室溫下表現出超導電性，就可以為能量傳輸、醫用掃描儀和交通領域帶來革命性的改變。

與低溫超導材料相比，高溫超導新材料能在較高溫度下達到“零電阻”，在電力能源、高端醫療、高速交通、大科學儀器、軍工等領域有著廣泛的應用前景。

高溫超導體發展趨勢

高溫超導技術是一種使能技術和橫向技術，現代工業在這種使能技術作用下將取得更大的經濟效益和社會效益。據報道，超導技術是21世紀全球競爭中保持優勢的關鍵。到2020年超導工業產值將達到1500-2000億美元，高溫超導體在電力工業的全球市場將達到45億美元。

從先進的信息技術到醫學科學，從電力應用到環境保護，從基礎科學到交通運輸，各種超導裝置和器件都將發揮其優勢作用。正如生命科學領域和信息技術領域一樣，高溫超導體領域要取得更大進展，仍有許多技術上、制造上和市場上的障礙有待于克服，還需要得到政府和公眾的可持續資金支持。

低溫制冷技術是高溫超導體應用的支撐技術，是高溫超導工業未來的關鍵。既適合于電子器件又適用于電力裝置的節能、可靠、小型和廉價的系列制冷機是目前開發的重點，脈沖管制冷機將為高溫超導電力裝置和電子器件的應用帶來解決問題的希望。