초전도 재료는 저항이 0 인 성질을 가지고 있어 어떤 저온에서 자력선이 배척된다. 28 가지 원소와 수천 가지의 합금과 화합물이 초전도체가 될 수 있다는 것이 밝혀졌다.
특성 초전도 재료의 성질은 기존의 전도성 소재와 매우 다르다. 주로 다음과 같은 표현이 있습니다. ① 0 저항: 초전도 재료가 초전도 상태에 있을 때 그 저항은 0 으로 무손실 전기를 전송할 수 있다. 자기장으로 초전도 고리에서 감응 전류를 감지한다면, 이 전류는 감쇠하지 않고 유지될 수 있다. 이 "연속 전류" 는 실험에서 여러 번 관찰되었습니다. ② 완전 반자성: 초전도 재료가 초전도 상태에 있을 때, 자기장이 일정 값을 초과하지 않는 한 자력선은 관통할 수 없고, 초전도 재료의 자기장은 항상 0 이다. (3) 조셉슨 효과: 두 초전도 재료 사이에 얇은 절연 층 (약 1nm 두께) 이 형성되어 저저항 연결이 형성되면 전자쌍이 절연 층을 통과하여 전류를 형성하지만 절연 층의 양쪽에는 전압이 없어 절연 층이 초전도체로 변한다. 전류가 특정 값을 초과하면 절연 층의 양쪽에 전압 U (전압 U 도 추가할 수 있음) 가 나타납니다. 동시에, DC 전류는 고주파 AC 로 바뀌고, 전자파를 방출하며, 주파수는 입니다. 여기서 H 는 플랑크 상수이고, E 는 전자 전하입니다. 이러한 특성은 과학과 기술 분야에서 초전도 재료가 점점 더 두드러지게 응용되는 기초를 이루고 있다.
기본 임계 매개변수에는 다음 세 가지 기본 임계 매개변수가 포함됩니다. 1 임계 온도: 외부 자기장이 0 일 때 초전도 재질이 정상 상태에서 초전도 상태 (또는 그 반대) 로 바뀌는 온도로 Tc 로 표시됩니다. Tc 값은 재질에 따라 다릅니다. 초전도 재료의 최저 Tc 는 텅스텐 0.0 12K 로 측정되었습니다. 1987 까지 최대 임계 온도가 약 100k k(2) 임계 자기장으로 높아졌습니다. 초전도 재료의 초전도 상태를 파괴하고 정상 상태로 만드는 데 필요한 자기장 강도입니다 (Hc 로 표시). Hc 와 온도 T 의 관계는 Hc=H0[ 1-(T/Tc)2] 입니다. 여기서 H0 은 0K 의 임계 자기장입니다. (3) 임계 전류 및 임계 전류 밀도: 초전도 물질을 통한 전류가 일정 값에 도달하면 초전도 상태도 깨져 정상 상태로 바뀌며 Ic 로 표시됩니다. Ic 는 일반적으로 온도와 외부 자기장이 증가함에 따라 감소합니다. 단위 단면적에 의해 운반되는 Ic 를 임계 전류 밀도라고 하며 Jc 로 표시됩니다.
초전도 재료의 이러한 매개 변수는 재료의 적용 조건을 제한하므로 새로운 고 매개 변수 초전도 재료를 찾는 것이 중요한 문제가되었습니다. Tc 를 예로 들자면, 네덜란드 물리학자 H. Kemelin-Agnes 가 19 1 년 초전도체 발견 (Hg, Tc=4.2K) 부터 발견된 최고 Tc 부터/ 1986 스위스 물리학자 K.A. Miller 와 연방 독일 물리학자 J.G. Bednorz 는 산화물 세라믹의 초전도성을 발견하여 Tc 를 35K 로 높였다. 불과 1 년 만에 신소재의 Tc 가 약 100K K 로 올라섰고, 이 돌파구는 초전도 재료의 응용에 대한 넓은 전망을 열어 밀러와 베드노츠가 1987 노벨 물리학상을 수상했다.
분류 초전도 재료는 화학 성분에 따라 단질 재료, 합금 재료, 화합물 재료, 초전도 세라믹으로 나눌 수 있다. ① 초전도 원소: 상압에 초전도성이 있는 원소는 28 가지가 있는데, 그 중 니오브 (Nb) 의 Tc 가 가장 높고 9.26K·K..Nb 와 Pb (Pb, Tc=7.20 1K) 는 주로 전기공학에 쓰인다 (2) 합금 재료: 초전도 원소에 다른 원소들을 합금 성분으로 넣으면 초전도 재료의 모든 성능을 높일 수 있다. 예를 들어 가장 먼저 사용된 Nb-75Zr 합금, Tc 는 10.8K, Hc 는 8.7 tex 입니다. 그런 다음 니오브 티타늄 합금이 개발되었습니다. Tc 는 약간 낮지만 Hc 는 훨씬 높아야 지정된 자기장 하에서 더 많은 전류를 운반할 수 있다. 성능은 Nb-33Ti, Tc=9.3K, HC =11.0tex 입니다. Nb-60Ti, Tc=9.3K, HC = 12te (4.2K). 현재, 티타늄 합금은 7 ~ 8 특수 자기장에 적용되는 주요 초전도 자석 재료이다. 삼원 합금의 첨가는 티타늄 합금의 성능을 더욱 향상시켰다. Nb-60Ti-4Ta 의 특성은 TC = 9.9K, HC =12.4te (4.2k) 입니다. Nb-70Ti-5Ta 의 성능은 Tc=9.8K, HC =12.8T ... ③ 초전도 화합물: 초전도 원소가 다른 원소와 결합 될 때 종종 우수한 초전도성을 갖는다. 예를 들어 이미 널리 사용되고 있는 Nb3Sn 은 Tc= 18. 1K, Hc=24.5 입니다. 기타 중요한 초전도 화합물은 V3Ga, Tc= 16.8K, Hc = 24 TexNb3Al, Tc= 18.8K, Hc=30 입니다. ④ 초전도 도자기: 1980 년대 초 밀러와 베드노즈는 일부 산화물 세라믹 재료가 초전도성을 가질 수 있다는 것을 알아차리기 시작했다. 그들 팀은 일부 재료를 실험하여 1986 의 La-Ba-Cu- 산화물에서 Tc=35K 의 초전도성을 발견했다. 1987 년 중, 미, 일 등 국가 과학자들은 Ba-Y-Cu 산화물에서 Tc 가 액체 질소 온도 범위 내에서 초전도성을 가지고 있어 초전도 도자기를 유망한 초전도재로 만들었다.
초전도 재료의 우수한 특성을 응용하여 발견된 날부터 인류에게 매혹적인 응용 전망을 보여 주었다. 그러나 초전도 재료의 실제 응용은 일련의 요인에 의해 제약을 받는다. 우선 임계 매개변수, 그리고 재료의 제작공예 등 문제가 있다 (예: 바삭한 초전도 세라믹이 연선으로 어떻게 만들어졌는지 일련의 공예 문제가 있다). (알버트 아인슈타인, Northern Exposure (미국 TV 드라마), 예술명언) 1980 년대까지 초전도 재료의 응용은 주로 1 재료의 초전도성을 이용하여 자석을 만들 수 있으며, 모터, 고에너지 입자 가속기, 자기부양 운송, 제어된 열핵반응, 에너지 저장 등에 사용할 수 있다. 대용량 전송을 위해 전원 케이블을 만들 수 있습니다 (전력은10000mva 까지 가능). ); 통신 케이블과 안테나를 만들 수 있어 일반 재료보다 성능이 뛰어나다. ② 재료의 완전 내자성을 이용하여 무마찰 팽이와 베어링을 만들 수 있다. (3) 조셉슨 효과는 일련의 정밀 측정기기, 방사선 탐지기, 마이크로웨이브 발생기, 논리 요소 등을 만드는 데 사용할 수 있다. 조셉슨 매듭은 컴퓨터의 논리와 스토리지 구성 요소로 고성능 집적 회로보다 10 ~ 20 배 빠르고 전력 소비량은 4 분의 1 에 불과합니다.
19 1 1 년, 네덜란드 물리학자 Anis (1853 ~ 1926) 특정 금속, 합금 및 화합물의 온도가 절대 0 도에 가까운 특정 온도로 떨어지면 저항률이 갑자기 측정할 수 없는 현상을 초전도성이라고 하며 초전도성을 전도할 수 있는 물질을 초전도체라고 합니다. 초전도체가 정상 상태에서 초전도 상태로 바뀌는 온도를 이 물질의 전이 온도 (또는 임계 온도) TC 라고 합니다. 대부분의 금속 원소와 수천 가지의 합금 및 화합물이 서로 다른 조건에서 초전도성을 나타내는 것으로 밝혀졌다. 예를 들어 텅스텐의 전이 온도는 0.0 12K, 아연은 0.75K, 알루미늄은 1. 196K, 납은 7.196k 입니다
초전도체의 독특한 특성으로 인해 다양한 분야에 광범위하게 적용될 수 있다. 그러나 초기 초전도체는 액체 헬륨의 매우 낮은 온도에서 존재하여 초전도 재료의 응용을 크게 제한했다. 사람들은 줄곧 고온 초전도체를 탐구하고 있다. 19 1 1 부터 1986 까지 75 년 수은 4.2K 에서 니오브 게르마늄 23.22K 로 성장한 뒤/kloc
1986, 고온 초전도체 연구에서 획기적인 발전을 이루었습니다. 금속 산화물 세라믹 재료 연구를 대상으로 임계 온도 초전도체를 찾는 것을 목표로 하는' 초전도' 가 일었다. 세계 각지에서 온 260 여 개의 실험팀이 대회에 참가했다.
1986 65438+ 10 월, IBM 은 스위스 취리히에 있는 연구소의 과학자 버노즈와 뮤러가 처음으로 플루토늄 구리 산화물을 고온초전도체로 발견하여 초전도 온도를 30k； 로 높였습니다. 이어 일본 도쿄대 공학부는 초전도 온도를 37k； 로 높였다. 65438 년 2 월 30 일 휴스턴 대학은 미국계 중국인 과학자 주경무가 초전도 온도를 다시 40.2 K 로 높였다고 발표했다.
1987 65438+ 10 월 초 일본 가와사키 국립분자과학연구소는 초전도 온도를 43k； 로 높였습니다. 얼마 지나지 않아 일본 통합전자연구소는 초전도 온도를 46K 와 53 K 로 올렸다 .. 중국과학원 물리학연구소 조충현과 진립천이 이끄는 연구팀은 48.6 K 의 SR-라-CU-O 초전도체를 획득하고 70 K 에서 이런 재료의 상전이 조짐을 발견했다 .. 2 월 15 일 2 월 20 일 중국도 100K 이상의 초전도체를 발견했다고 발표했다. 3 월 3 일 일본은 123K 초전도체를 발견했다고 발표했다. 3 월 12 일 중국 베이징대는 액체 질소 초전도 자기부양 실험에 성공했다. 3 월 27 일 미국계 중국계 과학자들은 산화물 초전도 재료에서 전이 온도가 240K 인 초전도 조짐을 발견했다. 곧 일본 가고시마 대학 공학부는 란탄, 스트론튬, 구리, 산소로 구성된 세라믹 소재가14 C 에서 초전도의 조짐을 보이고 있다는 사실을 발견했다. 고온 초전도체의 중대한 돌파구, 액체 헬륨 대신 액체 질소를 초전도 냉매로 초전도체를 얻어 초전도 기술의 대규모 발전과 응용을 이끌었다. 질소는 공기의 주성분이며, 액체 질소 냉장고의 효율은 액체 헬륨보다 최소한 10 배 높기 때문에 액체 질소의 가격은 실제로 액체 헬륨의1100 에 불과하다. 액체 질소 냉각 설비는 간단하기 때문에 기존의 고온 초전도체는 액체 질소로 냉각해야 하지만 20 세기의 가장 위대한 과학적 발견 중 하나로 여겨진다.
초전도 과학 연구
1. 비정규 초전도체의 플럭스 역학 및 초전도 메커니즘
이 글은 혼합 상태의 자력선 운동의 기계, 비가역선의 성질과 원인, 자기장과 온도와의 관계, 임계 전류 밀도가 자기장과 온도에 대한 의존성, 비등방성을 주로 연구한다. 초전도 메커니즘의 연구는 주로 자기 저항, 홀 효과, 요동 효과, 페르미 표면 성질, T 에 집중된다
강한 자기장 하에서 저 차원 응축 물질의 특성에 관한 연구.
저차원은 저차원 시스템이 3 차원 시스템에서 가지고 있지 않은 특징을 표현하게 합니다. 저차원 불안정성으로 인해 많은 순서가 정해졌다. 강한 자기장은 저차원 응축 물질의 특성을 밝히는 효과적인 수단이다. 주요 연구 내용은 다음과 같습니다: 유기 강자성의 구조와 출처; 유기 (풀러렌 포함) 초전도체의 메커니즘 및 자기 적 특성; 강한 자기장 아래 2 차원 전자가스에서 비선형 원소가 자극하는 특수한 성질: 저차원 자성 재료의 상전이와 자기 상호 작용; 자기장에서 유기 도체의 수송 및 캐리어 특성: 자기장의 밴드 구조와 페르미 표면 특성 등.
강한 자기장 하에서 반도체 재료의 광전 특성.
강한 자기장 기술은 반도체 과학의 발전에 점점 더 중요해지고 있다. 각종 물리적 요소 중에서 외부 자기장은 운동량 공간 대칭을 변화시키고 결정체 구조를 그대로 유지하는 유일한 물리적 요소이기 때문이다. 따라서 자기장은 반도체 밴드 구조와 요소 자극과 상호 작용에 대한 연구에서 특히 중요한 역할을 한다. 반도체 재료의 강한 자기장 하에서의 광학 및 전기적 성질에 대한 실험 연구를 통해 반도체의 물리적 성질을 더 잘 이해하고 파악할 수 있어 다양한 기능을 만드는 반도체 소자와 첨단 기술 개발에 대한 기초적인 탐구를 할 수 있다.
강한 자기장 하에서 매우 미세한 규모의 물리적 문제.
마이크로 스케일 시스템에는 이러한 재료의 미세 구조, 특히 전자 구조와 밀접한 관련이 있는 기존 재질에는 없는 새로운 현상과 기이한 특성이 많이 있습니다. 강한 자기장은 극미규모 시스템의 전자상태와 수송 특성을 연구하는 강력한 수단을 제공하며, 기존의 조건에서 나타나기 어려운 기이한 현상을 더 드러낼 수 있을 뿐만 아니라, 그들의 물리적 특성을 더 깊이 이해할 수 있도록 풍부한 과학 정보를 제공할 수 있다. 이 글은 주로 강한 자기장 아래 극소규모의 금속과 반도체의 전자 수송, 전자 국지화 및 연관 특성을 연구한다. 양자 크기 효과, 양자 제한 효과, 작은 크기 효과, 표면 및 인터페이스 효과 매우 세밀한 규모의 산화물, 탄화물, 질화물의 광학 성질과 에너지 간극 미세 구조도 있습니다.
강한 자기장 화학
강한 자기장이 화학반응에서 전자스핀과 핵스핀의 작용을 하면 해당 화학결합의 이완을 초래하고, 새 결합의 형성에 유리한 조건을 만들고, 일반 조건 하에서 실현할 수 없는 물리 화학적 변화를 유발하며, 이전에 준비할 수 없었던 새로운 재료와 화합물을 얻을 수 있다. 강한 자기장 화학은 응용기초가 매우 강한 새로운 분야로, 일련의 이론 과제와 광범위한 응용 전망을 가지고 있다. 가까운 장래에, 우리는 물과 유기 용매의 자화와 메커니즘, 그리고 강한 자기장에 의해 유도 된 새로운 화학 반응을 연구 할 수 있습니다.
자기장 하에서의 생물학 및 생물 의학 연구.
자석 과학 및 기술
강한 자기장의 가치는 그것이 물리 지식에 중요한 공헌에 있다. 1980 년대의 중요한 개념 발전은 양자 홀 효과와 분수 양자 홀 효과의 발견이다. 강한 자기장 아래 2 차원 전자가스의 수송 현상을 연구하다가 발견한 것이다 (1985 년 노벨상 수상). 양자 홀 효과와 분수 양자 홀 효과의 발견은 물리학자들이 그 기원을 탐구하는 열정을 불러일으켰고, 저항의 자연 참조물을 확립하고, 기본 물리적 상수 E, H, 미세 구조 상수 (= E2/H (0C) 등 응용에서 큰 의미를 나타냈다. 고온 초전도 메커니즘의 최종 계시는 고온 초전도체의 강한 자기장 하에서의 성질에 대한 탐구에도 달려 있다.
물리학의 역사에 익숙한 사람들은 고체 물리학에서 응축 물리학으로의 진화의 중요한 상징이 연구 대상의 확장, 주기 구조에서 비주기적인 구조, 3 차원 결정체에서 저차원 및 고차원 시스템, 심지어 프랙탈 시스템에 이르기까지 다양하다는 것을 알고 있습니다. 이 새로운 천체들은 많은 새로운 특성과 물리적 현상을 보여 주는데, 그 물리적 메커니즘은 전통과 매우 다르다. 이 새로운 천체들의 출현과 새로운 효과, 새로운 현상에 대한 해석은 끊임없이 응집된 물리를 풍부하게 발전시켰다. 이 과정에서 극단적인 조건은 항상 중요한 역할을 한다. 극단적인 조건은 종종 어떤 요소들을 부각시키고, 또 다른 요소들을 억제하여 원래의 복잡한 과정을 더욱 간단하게 만들고, 물리적 본질을 직접 이해하는 데 도움이 되기 때문이다.
다른 극단적인 조건에 비해 강한 자기장은 그 자체의 특징을 가지고 있다. 강한 자기장의 역할은 시스템의 물리적 상태를 변경하는 것입니다. 즉 각운동량 (스핀) 과 하전 입자의 궤도 운동을 변경하는 것이므로 물리적 시스템의 상태도 변경됩니다. 바로 이 점에서 강한 자기장은 중성원, 싱크로트론 등 다른 비싼 물리적 수단과는 달리 연구중인 체계의 물리적 상태를 바꾸지 않았다. 자기장은 새로운 물리적 환경을 만들어 새로운 특성을 만들어 내고, 자기장이 없으면 존재하지 않는다. 저온도 초전도, 상전이 등과 같은 새로운 물리적 상태로 이어질 수 있지만, 강한 자기장은 저온과 매우 다르며, 그것은 저온보다 더 효과적이다. 자기장은 하전 입자와 자성 입자의 리모컨과 에너지를 양자화하여 시간 반전 대칭을 파괴하여 더욱 독특한 성질을 가지고 있기 때문이다.
강한 자기장은 결정체 구조를 그대로 유지하면서 운동량 공간의 대칭성을 바꿀 수 있으며, 이는 고체의 밴드 구조, 요소 발생 및 상호 작용을 연구하는 데 매우 중요합니다. 고체의 복잡한 페르미 표면 구조는 강한 자기장이 전자와 공혈을 특정 방향으로 자유롭게 움직이게 하여 자화 강도와 자기 저항 진동을 일으키는 원리로 증명된다. 고체의 페르미 표면 구조와 특성에 대한 연구는 줄곧 응집상태 물리학의 최전선 과제였다. 현재 응집상태 물리학 기초 연구의 많은 중요한 이슈들은 강한 자기장이라는 극단적인 조건과 불가분의 관계에 있으며, 심지어 많은 것들이 강한 자기장 아래 연구에 기반을 두고 있다. 웨이브 컬러 응집이 운동량 공간에서만 발생하는 경우 비균일 강한 자기장에서만 실제 공간에서 관찰할 수 있습니다. 또 고온 초전도의 기리, 양자 홀 효과 연구, 나노재료와 메소 물체의 물리적 문제, 거대 자기 저항 효과의 물리적 원인, 유기 강자성의 구조와 출처, 유기 (풀러렌 포함) 초전도체의 기계와 자기, 저차원 자성 재료의 상전이와 자기 상호 작용, 고체의 밴드 구조와 페르미 표면 특성, 원소 자극과 그 상호 작용에 대한 연구 등이 있다. 강한 자기장 하에서의 연구는 이러한 문제를 정확하게 이해하고 밝히는 데 도움이 되며, 이를 통해 응집상태 물리학의 진일보한 발전을 촉진할 수 있다.
전자, 이온, 일부 극성분자 등 전기를 띤 입자가 자기장에서 움직이는 운동회는 특히 강한 자기장에서 근본적인 변화를 일으킨다. 따라서 강한 자기장이 화학반응 과정, 표면 촉매 과정, 재료, 특히 자성 물질의 형성 과정, 바이오메트릭 효과, LCD 형성 과정에 미치는 영향을 연구하면 새로운 발견과 새로운 교차 학과 과제가 생길 수 있다. 재료 과학에서 강한 자기장의 응용은 새로운 기능성 재료의 발전을 위한 새로운 길을 열었는데, 이 방면의 일은 외국에서 이미 중시되어 국내에서도 요구되기 시작했다. 고온 초전도체가 미래의 고전압 분야에서 헤아릴 수 없는 응용 전망을 가지고 있어 세계 각국의 과학기술계와 정부의 높은 중시를 불러일으켰다. 따라서 기초 연구나 응용의 관점에서 볼 때, 강한 자기장 아래의 물리 화학 연구는 모두 중요한 과학기술적 의의를 가지고 있다. 이 연구를 통해 당대의 기초 연구를 심화시키는 데 도움이 될 뿐만 아니라 국민경제의 발전에 중요한 추진 역할을 할 것이다.