1樓：匿名使用者
2023年，年僅20多歲的劍橋大學實驗物理研究生約瑟夫遜在著名科學家安德森指導下研究超導體能隙性質，他提出在超導結中，電子對可以通過氧化層形成無阻的超導電流，這個現象稱作直流約瑟夫遜效應。當外加直流電壓為v時，除直流超導電流之外，還存在交流電流，這個現象稱作交流約瑟夫遜效應。將超導體放在磁場中，磁場透入氧化層，這時超導結的最大超導電流隨外磁場大小作有規律的變化。
約瑟夫遜的這一重要發現為超導體中電子對運動提供了證據，使對超導現象本質的認 識更加深入。約瑟夫森效應成為微弱電磁訊號探測和其他電子學應用的基礎。
70年代超導列車成功地進行了載人可行性試驗。超導列車是在車上安裝強大的超導磁體，地上安放一系列金屬環狀線圈。當車輛行進時，車上的磁體在地上的線圈中感應起相反的磁極，使兩者的斥力將車子浮出地面。
車輛在電機牽引下無摩擦地前進，時速可高達500千米。
2023年3月12日中國北京大學成功地用液氮進行超導磁懸浮實驗。
2023年日本鐵道綜合技術研究所的「mlu002」號磁懸浮實驗車開始試執行
2023年3月日本住友電氣工業公司展示了世界上第一個超導磁體。
2023年10月日本原子能研究所和東芝公司共同研製成核聚變堆用的新型超導線圈。該線圈電流密度達到每平方毫米40安培，為過去的3倍多，達到世界最高水準。該研究所把這個線圈大型化後提供給國際熱核聚變堆使用。
這個新型磁體使用的超導材料是鈮和錫的化合物。
2023年1月27日第一艘由日本船舶和海洋**會建造的超導船「大和」1號在日本神戶下水試航。超導船由船上的超導磁體產生強磁場，船兩側的正負電極使水中電流從船的一側向另一側流動，磁場和電流之間的洛化茲力驅動船舶高速前進。這種高速超導船直到目前尚未進入實用化階段，但實驗證明，這種船舶有可能引發船舶工業爆發一次革命，就像當年富爾頓發明輪船最後取代了帆船那樣。
2023年一個以巨型超導磁體為主的超導超級對撞機特大型裝置，於美國得克薩斯州建成並投入使用，耗資超過82億美元。
2023年改進高溫超導電線的研究工作取得進展，製成了第一條地下輸電電纜。歐洲電纜巨頭皮雷利電纜公司、美國超導體公司和舊金山的電力研究所的工人，共同把6000米長的鉍、鍶、鈣、銅和氧製成的線纏繞到一根保持超導溫度的液氮的空管子上。
目前國內外的研究狀況及發展趨勢
強磁場實驗裝置是開展強磁場下物理實驗的最基本條件。建立20t以上的穩態強磁場裝置是複雜的涉及多學科和高難度的大型綜合性科學工程，其建設費用高，磁體裝置的執行費用也很高。正因為如此，目前國際上擁有20t以上的穩態磁體的強磁場實驗中心僅分佈在主要的工業大國。
世界上第一個強磁場實驗室於2023年建於美國的mit。隨後，歐州的英國、荷蘭、法國和德國以及東歐和蘇聯相繼在70年代建立了強磁場實驗室。日本的強磁場實驗室建於80年代初。
磁場水平由60年代的20t，提高到80年代的30t。90年代初，美國**決定在florida建立新的國家強磁場實驗室,日本在筑波建立了新的強磁場實驗室,強場磁體技術有了長足的進步和發展，穩態磁場水平近期可望達到40-50t。
伴隨著強磁場實驗室的建立，強磁場下的物理研究也在不斷深入。量子霍爾效應的發現得到了2023年諾貝爾物理學獎。它是在20t穩態強磁場中研究金屬－氧化物－半導體場效應電晶體輸運過程時觀測到的。
近年來，有關強磁場下物理工作的文章對每個強磁場實驗室來說平均每年都在上百篇，其中有很多重要的科學發現。目前的發展趨勢普遍是將凝聚態物理學領域中前沿的研究物件如高溫超導材料、奈米材料、低維繫統等同強磁場極端條件相結合加以研究。在grenoble強磁場實驗室，半導體材料和半導體超晶格中的光電特性以及元激發及其互作用等是其主要的研究內容，而在美國、日本等強磁場實驗室，則側重在高溫超導材料、低維繫統、強關聯電子系統、人造超晶格以及新材料等方面。
同時，強磁場下的化學反應過程、生物效應等方面的研究也逐漸為人們所重視。
在中國雖有一些6t-12t的超導磁體分散在全國各地，但尚未形成一個全國性的強磁場實驗中心，我國在10t以上穩態強磁場下的系統的科學研究工作尚屬空白。為滿足國內強磁場研究工作的需要，早在2023年中國科學院數理學部就組織論證，決策在等離子體物理研究所建立以20t穩態強磁場裝置為主體的強磁場實驗室。該裝置於2023年建成並投入執行。
與此同時，實驗室相繼建成了多個能滿足不同物理實驗、場強在15t左右的穩態強磁場裝置，配備了相應的輸運和磁化測量系統以及低溫系統。中國科學院院士、著名物理學家馮端先生在瞭解了合肥強磁場實驗室的情況後非常感慨地說：過去中國沒有強磁場條件，對有關強磁場下的物理工作連想都不敢想，現在有了強磁場條件我們應該好好的考慮考慮這方面的問題了。
超導科學研究
1.非常規超導體磁通動力學和超導機理
主要研究混合態區域的磁通線運動的機理，不可逆線性質、起因及其與磁場和溫度的關係，臨界電流密度與磁場和溫度的依賴關係及各向異性。超導機理研究側重於研究正常態在強磁場下的磁阻、霍爾效應、漲落效應、費米麵的性質以及tkbt和(c(>>1所必須的磁場強度作出判斷。為開展這類材料費米性質研究奠定基礎。
有機導體和超導體，由於小的電子有效質量和高的遷移率，10－20t強磁場可以滿足觀察量子振盪現象的必要條件。我們將利用磁阻測量中的shubnikov-dehaas效應，研究有機導體和有機超導體的費米麵性質作為主要目標，並研究其它輸運性質。
以上研究中微弱訊號的檢測是這一研究中的關鍵技術之一，我們已經建立，有待進一步提高。高的樣品質量是這研究的另一重要問題。否則，量子振盪會因為量子軌道受到碰撞而模糊不清。
我們擬利用高質量的單晶或外延薄膜滿足這一要求。
本專案的特色與創新之處：
1.利用20t強磁場和溫度這一極端條件，以研究低維體系的電子能帶結構，乃至費米麵為目的的輸運性質研究，在國內尚屬首次；
2.層狀鈣鈦礦結構導體la-m-mn-o(m=ca,sr,ba)的輸運性質是凝聚態物理中的前沿課題。有關強磁場下電子能帶結構和hall效應的研究尚未見報道。
3.在強磁場和低溫條件下，存在著新的科學機遇，可望新現象和新效應的發現。
2.高溫超導體磁通動力學及高溫超導機理的探索（院九五重點**專案）
高溫超導機理雖進行了大量的理論和實驗研究，但至今仍然是一個未被解決的問題，對其正常態性質特別是低溫下的正常態性質系統的瞭解將有助於對這一問題的正確揭示。由於高tc材料的tc太高，人們無法研究其低溫下但仍處於正常態時的行為，同時由於上臨界場又非常高，大大超過目前實驗室所能達到的最大穩態場，因此以往那種用外加磁場迫使超導樣品進入正常態的方法失去了意義。因此，選擇tc低但又能反映高溫超導特徵的合適體系對這一問題的研究尤為重要，這樣就可以利用實驗室所能達到的穩態強磁場條件，通過強磁場迫使超導樣品進入正常態以開展其低溫下的正常態特性研究，從而為正確揭示高溫超導電性的機理提供實驗依據。
高溫超導體進入混合態後的行為雖然顯示出和常規二類超導體相類似的行為，但存在眾多的實驗現象在常規理論的基礎上不能得以解釋。早在其發現後不久人們就注意到，在這類材料的h-t圖上，除了臨界場強hc1與hc2的曲線外，還多一條不可逆線hirr(t)。進一步研究表明在hc1與hirr(t)之間的區域磁通點陣是不可移動的因而保持零電阻特徵，而在hirr(t)與hc2之間的區域磁通點陣是可移動的故有電阻出現，意味著高溫超導體的應用範圍將侷限在一定的hirr(t)值之下。
因此，**不可逆線的物理本質是否是內稟的以及哪些因素對其有影響，無論是物理的角度還是從這類材料今後的應用前景角度考慮都是非常有意義的。另外一個基本的但至今仍沒有定論的問題是不可逆線之上的磁通動力學行為，常規的針對第二類超導體所提出的一些基本圖象在hirr(t)與hc2之間的區域是否仍然成立，還有在這一區域的渦旋運動規律如何，特別是在高溫下但釘扎勢很弱的情況下的渦旋運動如何去描述等等，這些問題的澄清有待於實驗上的更深入地系統研究。
主要研究內容:
1.高溫超導電性的機理
選擇具有低tc但又能反映高溫超導體特徵的la-sr-cu-o系統作為研究物件，外加強磁場迫使超導樣品進入正常態，開展很低溫度但仍處在正常態時的輸運性質，主要有三方面的研究內容，一是研究沿導電層的電阻率隨溫度的變化行為以**電子散射機制；二是研究沿垂直於導電層方向的電阻率隨溫度的變化行為，**相鄰導電層之間的其它層性質對系統整體的效能影響，並**低溫時沿導電層的電阻率和沿垂直於導電層的電阻率之比是否仍然象高溫時那樣強烈地依賴於溫度；三是通過霍爾係數的測量，研究它隨溫度的變化行為以及這種變化是否可以基於費米液體理論得以解釋。最終期望為正確揭示高溫超導電性的機理提供實驗依據；四是，由於高溫超導體的未摻雜原型相是磁性絕緣體，通過摻雜引入了載流子，相應的磁性響應發生改變，在此過程中包含有豐富的物理相變內容，伴隨著相變的發生，載流子的濃度和型別、局域化行為、銅氧化物層上的電子散射機理以及層間的藕合機理等均會明顯改變，從而最終導致這類材料的整體性質的千變萬化，深入研究各種相變的特徵以及**局域化行為是本研究的主要內容之一。
2.混合態磁通動力學行為及相關的物理現象
從實驗角度研究la-sr-cu-o高溫超導體磁場下的電阻轉變的展寬、臨界電流密度隨溫度的變化規律、i-v曲線等。通過磁阻和i-v以及臨界電流密度等的測量並結合磁化實驗，希望對不可逆線的物理本質以及影響其行為的因素有所瞭解；通過不同的電流和磁場幾何位型下的輸運性質的測量並與已有的模型作定量地比較性研究，以**磁通運動的規律；對臨界電流密度作深入的系統實驗研究，**磁通釘扎機理以及改善磁場下臨界電流密度的有效途徑。最終希望在這些研究的基礎上來間接地**高溫超導體混合態時的磁通動力學行為。
3.強磁場下bi－2201單晶的輸遠性質研究（國家超導攻關專案）
自從高溫超導體被發現以來，對它的超導態進行了大量的實驗及理論研究。人們發現它的超導態基本上是正常的，即除了相干長度較短及幾乎沒有同位素效應外高tc材料在超導態上與超導體沒有什麼不同。但是，高溫超導體的正常態卻表現出很複雜的情況。
儘管人們對高tc材料的正常態有了許多瞭解，但仍然有許多問題尚未弄清楚。其中一個重要原因就是高tc材料的tc太高，人們很難研究它的低溫行為。而同時它的上臨界場又非常高，大約在100t以上。
這麼強的磁場大大超過目前實驗室能夠得到的最高穩態磁場。因此，以往那種加磁場迫使樣品進入正常態的方法失去了意義。另一方面，有些高tc材料的重要的實驗現象必須得在較低的溫度下澄清。
例如，高tc材料的電阻率在低溫下正比於溫度的一次方。而不是溫度的五次方（電聲相互作用的結果）。
有人認為，這可能是由於高tc材料的德拜溫度太低造成的。因為電阻率的t5行為僅在1/4德拜溫度以下出現。如果假定德拜溫度為100k，則t5行為應出現在25k以下。
因此為了澄清這類疑難問題，也必須尋找一種tc在10k以下的高tc材料。熱電勢也有類似的情況。因此綜合上面的分析，不難看出，為了更好地研究高tc材料的正常態性質，我們必須尋找一種高tc材料，它的tc是越低越好。
bi－2201相對所有高tc材料具有最低的tc（單晶樣品大約在7k左右），而且它的結構相對簡單，僅有一層銅氧面。但是2201相具有複雜的相關係，超導的bi－2201僅存在於相圖上一個很窄的範圍內。早期甚至有人認為它是不超導的。
因此許多有關bi-2201相的物理工作都在不超導的樣品上進行的。摻雜la可以使超導單晶相對容易獲得，我們的最新結果是tc可以高達25k，目的就是研究它的正常態輸運性質。研究它的正常態電阻率是否起多大作用。
研究它的霍爾係數是否有對溫度很強的溫度依賴性，而這種強的溫度依賴效能否用費米液體的觀點來解釋。研究它的熱電勢能否用傳統的理論來解釋，從而為高tc的研究工作提供重要的實驗證據。
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