新型超导体二硼化镁(MgB2 ) 基础研究及其应用展望
超导体,顾名思义就是通电流后没有能量耗散 的导体) 它是由于大量配对电子凝结到一个“步调 一致”的相干态后,其运动不受晶格散射的结果) 1911 年,荷兰的科学家 O00es 发现水银的超导现象 后,人们一直期望能找到室温超导体,这是人们长期 以来的梦想) 人们在随后七十余年的岁月中,只将转变温度提高到 23K(约零下 250摄氏度).1986年底,瑞士研究人员首先在原来不曾想到的氧化物中找到了转变温度为30K以上的超导体,在世界上掀起了一场对高温超导电性的追逐。不久,中国科学家就独立地发现了液氮温度(77.3K) 以上的超导体。 目前氧化物超导体的转变温度已经高达130多 K( 高压下可达160K),在某些方面的应用已经 崭露头角) 另外氧化物超导体的超导机制也是摆在 凝聚态物理学家面前的最富有意义和挑战性的课题 之一) 这是由于此类材料中电子之间的相互作用很 强,其运动行为似乎不能用业已成熟的固体物理的 知识来理解) 对高温超导机理的理解可能会导致人 们对很多被称为电子强关联的一大类材料物理本质的理解,同时在科学和技术两个方面产生飞跃!
由于其自身的特点,氧化物超导体在很多方面 的应用受到限制! 这些特点包括非常小的相干长度 导致小的凝聚能和磁通钉扎能,层状结构导致磁通系统容易变成二维而产生运动,陶瓷特性使得材料容易脆裂,原材料价格比较昂贵使得应用得成本很 高等等! 因此人们需要寻求新的超导体! 2001年 3月初,日本科学家报道了二元材料二硼化镁 在 39K左右表现出超导特性.这个发现迅速激起了全世界范围内的研究热潮! 由于在对氧化物高温超导体长达十余年的研究中,人们积累了丰富的经 验和建立了先进的手段,所以对二硼化镁超导体性 质的研究进展得非常迅速! 中国科学家也以极快的 速度开展了研究,获得了一些重要结果! 由于这个新发现在 2001年 3 月初才报道出来,因此在同年 3 月底举办的美国物理年会上(美国西雅图),只能以特 别专场的形式报告这个重要发现以及因此引发的工 作! 来自世界各地的 60 多个报告一直从晚上8点持 续到凌晨1 点多! 来自中国科学院的科学家应邀在 这个特别专场上作了两个报告!
关于二硼化镁超导体机理的研究经历了一波三 折的过程! 由于二硼化镁的超导转变温度接近传统电 声耦合的上限,因此一开始很多人相信的超导电性可 能不是来自传统的电声耦合,而是由其他原因所致!后来,二硼化镁中硼原子的同位素效应实验演示出超 导转变温度对原子质量具有明显的依赖关系,因此 人们逐渐相信电声耦合作用对超导的形成是十分重 要的! 进一步又发现,对此系统的任何形式的掺杂只 会使超导温度下降,因此人们越来越相信二硼化镁超 导体可能只是一个众多二元合金超导体中的“漏网之 鱼”,并且人们将其超导完全归结于传统超导体BCS机理! 然而,人类的想象与自然界的客观事实总 是有些差距,这也是促使科学家不断更新和提高自己 认知的动力! 后来的理论计算表明,在二硼化镁中有 不只一个能带跨越费米面 ,电声耦合所造成的费米 面失稳完全可能在两个能带的费米面处产生能隙! 这 一点又与传统的所有的超导体完全不同! 有关两个能 隙的图像后来被比热、核磁共振、电子隧道谱和角分 辨光电子谱的实验广泛证实! 有关两个能隙是如何形 成的以及它如何影响超导特性是目前有关二硼化镁 超导体研究的热点!
二硼化镁超导体在应用上的契机远比对其物理 的理解更让人激动! 在发现后不久,人们就测量了很 多有关其电、磁、热方面的宏观特性,这方面包括中国科学家所做出的大量出色的工作. 首先,人 们发现,这个超导体在 20K左右的温度和 8万倍于 地球磁场的情况下,可以承载很大的超导电流,而且 能耗极低! 由于20K的温度可以方便地使用小型制 冷机获得,因此这使得人们想到在将来的医院里使 用的核磁成像仪器的超导磁体再也不要昂贵的液氦 来运行,而只需要插上电源就行了! 另外,二硼化镁 材料的价格很低,而且远比陶瓷特性的氧化物高温 超导体容易加工成形,因此在发现后不久,美国 23 456 实验室就能够拉出长达几十米的线材和带材!
此外,二硼化镁超导体的超导相干长度较长,容易制 备出超导量子干涉器件用于微弱电磁信号的检测, 在大地探矿、医疗仪器、环境和军事方面具有应用前 景!
中国科学家在这次二硼化镁超导体的研究中表 现出了相当强的竞争力! 在得知消息后不到一个星 期,中国科学院物理研究所超导国家重点实验室就 制备出了高质量的样品,随即做出了大量出色的研 究工作! 比如他们很快认识到二硼化镁超导体的上 临界磁场和磁通融化磁场之间存在一个巨大的差 距,提出了合理的图像来解释这个差距;再比如 他们与挪威的科学家用不同的方法独立地发现 在二硼化镁超导薄膜中存在细小密集的磁通跳跃, 而且中国科学家明确地界定了这个磁通跳跃的范围,为以后克服弱电应用中的困难起到了积极作 用! 此外,中国科学家有关二硼化镁超导体的掺杂和 电镜观测等工作都在国际上引起了广泛的关注! 在 应用方面,中国科学家已经能够成功地制备出长达 几十米的线材,为下一步制备超导磁体奠定了坚实 的基础! 可以预见,在未来三年中,用二硼化镁线材 所制造的超导磁体将会在中国的科学家手中诞生!