全球高温超导热的延伸与第四次技术革命
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人类的发展史上曾经兴起过三次技术革命的风暴, 它們已经被光荣地载入史册.首次技术革命始於18 世纪60 年代, 是以蒸汽机的广泛应用为标志, 推动了社会工业化的大革命.第二次技术革命发生在19 世纪7O 年代, 是以电力的广泛应用和无线电通讯的发明为标志, 把全球推进到了生产自动化的文明社会.第三次技术革命的掀起是在20 世纪50 年代以后, 科学家們进行了一些重要的实验, 以发现了原子结构、电子、原子核分裂产生原子能、电子计算机、激光的广泛应用为标志, 把人类社会推向了高度智能化的高度文明年代.随着高温超导体的发现, 科学家們凭着高度灵敏的科学灵感, 第四次技术革命即將到來! 這是多么令人振奋的消息! 在人类发展的历史长河中又要增添闪光的新星.回想超导材料发展的艰难岁月, 科学研究者作出了多少艰辛的努力!
1911 年的一天, 荷兰雷登大学的卡未林, 翁纳斯(K.Onnes)突然向世界宣布, 他发现了超导现象! ! ! 這个消息震撼了世界, 人們以十分兴奋而赞赏的目光注视着他的研究工作.1908 年前, 翁纳斯成功地將气体氦进行液化, 使液体氦的温度接近绝对温标的绝对零度(零下273 摄氏度).這样, 当翁纳斯的助手在接近绝对零度的温区研究金属汞的电阻和温度的关系时, 发现在绝对温度4.2K 附近, 汞的电阻突然由0.125 欧姆降到零.他的助手向翁纳斯报告了這种奇怪的令人难以置信的现象.翁纳斯开始并未介意, 认为這可能是实验上的失误.但他还是以非常认真的态度, 闭门谢客, 把自己关进了实验室, 经过一天一夜的观测, 次日清晨, 他向全世界宣布了他的实验结果.這个结果, 具有无穷的凝聚力, 吸引着许多富有探索精神的科学家, 在世界科技界, 掀起了超导研究的热浪.有人努力寻求电阻为零的新超导材料;有人探索超导材料的微观结构和微观机理;有人研究超导材料的电磁特性并且开拓它的应用领域.科学家們经历了75 年的艰难岁月, 尝遍了甜酸苦辣, 已查明在元素周期表里的大部分元素本身都具有超导特性或在高压力作用下呈超导现象.科学家們已肯定了其中只有33 种元素本身没有超导性.但是, 那些元素的超导转变温度极低, 只有零点几度(绝对温度K)至几度(绝对温度K).随即, 由巴丁(J.Bardeen)、库柏( L.N.Cooper)和施瑞弗(J.R.Sechrieffer)共同创立了解释超导转变的微观理论.這就是著名的 B.C.S 理论, 這个理论在1957 年问世, 他們因此而荣获诺贝尔物理奖.在研究超导体的电磁特性方面, 1933 年迈斯纳(W.Meissner)和奥克森菲尔德(R.Ochsenfeld)的磁测量表明, 超导体的磁性完全与导体不同, 他們將超导金属锡(Tc=3.72K)和铅(Tc=7.19K)样品放在, 這磁通完全被除在样品外, 样品表面的磁通线密度增加.纠正了统治超导界22 年, 认为超导体和导体的磁性能完全一致的观点.這个效应被称为迈斯纳效应, 是现代悬浮超导列车能够飞速运行的理论基础.60 年代后期, 日本就开始执行超导磁悬浮列车计划, 利用超导磁力使车厢在轨道上悬浮起來, 并推动车厢高速前进.1972 年第一台MC—100 型实验车实验成功, 车长400 米, 浮起10 厘米, 但时速每小时只有60 千米;1978 年时速达每小时347 千米;1987 年载入列车的时速已达每小时400 千米.日本目前已计划建设从东京到大阪的时速为每小时500 千米的磁悬浮铁路.超导悬浮列车在西欧也处在实验阶段, 各方面技术在实验过程中都得到不断的提高.人們期望這种列车不久將会运行在铁路上.此外, 用超导材料制造的电动机、发电机、变压器、热开关、辐射检验器以及无接触转换开关、国防军工仪器等已经投入使用.
超导现象刺激着科学家們的求知欲, 他們的理想像火山爆发一样沸腾了整个科学界.但是由於超导转变温度太低, 超导的设备、仪器、元件还需要在液氦温区(4.2K)内工作, 人們不得不以巨额投资设计和建造庞大的液氦站, 建立繁杂的辅助设备, 把气态的氦转变成液体氦, 然后通过辅助设备送到使用的装置上去.所以当超导材料的超导转变温度还是在23.3K 的时候, 科学家們的美梦, 只好冻结在漂渺的脑海之中.然而, 要提高超导材料的超导转变温度, 并不是一件轻而易举的事.经过75 年的漫长岁月, 超导材料的超导转变温度从4.2K 到23.2K, 仅提高了19K, 這种缓慢的进展速度, 多么令人困扰!
1986 年秋, 中国科学院物理研究所的赵忠贤、陈立泉等人在镧钡铜氧和镧锶铜氧的氧化物体系中观察到了在46.3K 和48.6K 下的超导转变, 同时物理研究所李林教授领导的研究小组, 用溅射方法制备出超导转变温度为25~ 27K 的镧锶钡氧超导薄膜.中国的科学家, 在高科技的国际竞争中已进入角色.1993 年, 美国得克萨斯超导研究中心的美籍华人朱经武宣布, 他制备出氧化汞、钡钙铜的超导体超导转变温度为153K(零下120℃), 這是目前的最高纪录.
全球超导热的浪潮, 实际上是一场综合国力和科学水平的竞争, 形成了美、中、日三国三足鼎立的格局.谁都不甘落后, 新的研究, 新的成果不断涌现, 尤其是在1987~1988 年间, 几乎是每三天都有高温超导研究的新突破.还有一些科学家, 如日本的科学家声称曾发现锶钡钇铜氧超导体系有60 ℃的超导转变, 一些科技刊物多次报导发现室温超导的现象, 美国休斯顿大学的科学家也声称在铒钡铜氧体系中发现有230K(零下43℃)的超导转变现象, 遗憾的是, 這些结果无法重复成功.超导研究的每个突破都牵动着无数人的心, 震撼着科技界、产业界, 各国政府都为超导研究鸣锣开道, 美国原总统布什曾公开宣布他要亲自过问超导研究, 可见其重视程度.
超导热持续升温, 而且持续的时间在科学史上是最长的, 涉及的人数也是最多的, 這是什么原因呢? 正如高温超导体一出现, 世界的科学家們就断言: 第四次工业革命即將到來.因为高温超导体实现了在强电方面的应用, 全球的电力输送, 从发电到供配电模式都將全部改变, 若能做到无损耗地输电, 仅美国一个国家一年即可节省100 亿美元.采用超导材料建设超导电子对撞机的电子贮存环, 有可能使达到40 万亿电子伏特的粒子发生对撞, 对揭示神奇的微观世界和物质结构元將有重大的贡献.超导在弱电应用方面, 如电子通讯、信息技术、精密仪表、核物理、医学、军工、宇航的应用均有着广阔的前景.高温超导的超导量子干涉仪已经诞生, 为在上述领域中制备有关仪器打下了基础.日本东海铁道和铁路新技术研究所声称时速每小时为 550 千米的悬浮列车已经研制成功, 并计划於1996 年完成全部试验, 投入使用.超导材料的成功应用, 对电力工程、磁流体发电、超导电子学、地球物理、国防科学、生物磁学、医学等十几个学科都带來重大影响, 高温超导材料在21 世纪无疑会大放异彩.
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