一、超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)與發(fā)展

1911年4月8日，荷蘭萊頓大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家卡麥林·昂尼斯（Kamerlingh Onnes）領(lǐng)導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)組在液氦溫區(qū)對(duì)汞導(dǎo)線樣品進(jìn)行電阻測(cè)量時(shí)意外地發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象，他因這一發(fā)現(xiàn)被授予1913年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)不僅是物理學(xué)領(lǐng)域一個(gè)具有里程碑意義的事件，使人類(lèi)擴(kuò)展了對(duì)物質(zhì)物理性質(zhì)的認(rèn)識(shí)，而且推動(dòng)了工業(yè)技術(shù)的發(fā)展。

發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象以后，人們對(duì)超導(dǎo)的研究一直保持著高度的熱情。盡管在2次世界大戰(zhàn)期間被迫放慢了節(jié)奏，甚至停滯，但一旦戰(zhàn)爭(zhēng)結(jié)束，科技工作者們就又以不斷增長(zhǎng)的興趣繼續(xù)超導(dǎo)相關(guān)領(lǐng)域的研究。這一百余年來(lái)，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)曾7次授予16位科學(xué)家，表彰他們?cè)诔瑢?dǎo)研究方面的貢獻(xiàn)。

人們把能夠在溫度低到一定程度時(shí)（這個(gè)溫度被稱(chēng)作超導(dǎo)臨界轉(zhuǎn)變溫度，用Tc表示）出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象的物質(zhì)叫做超導(dǎo)體。1933年之前，人們一直認(rèn)為零電阻是超導(dǎo)體的唯一本征性質(zhì)。1933年，情況發(fā)生了變化。那一年德國(guó)物理學(xué)家華爾特·邁斯納（Walter Meissner）和羅伯特·奧克森費(fèi)爾德（Robert Ochsenfeld）發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體在處于超導(dǎo)狀態(tài)時(shí)，會(huì)把所有的磁力線排擠到其體外，表現(xiàn)出完全的反磁性。這個(gè)現(xiàn)象后來(lái)被稱(chēng)為邁斯納效應(yīng)。和零電阻一樣，邁斯納效應(yīng)也是超導(dǎo)體獨(dú)具的特性，目前還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)世界上其他材料會(huì)出現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象。這樣一來(lái)，除零電阻外，超導(dǎo)體還有一個(gè)本征性質(zhì)，就是完全反磁性。超導(dǎo)體的2個(gè)本征性質(zhì)，零電阻和完全反磁性是相互獨(dú)立又相互關(guān)聯(lián)的。

1936年，前蘇聯(lián)物理學(xué)家L.V.舒勃尼科夫（Shubnikov）等發(fā)現(xiàn)了某些單晶超導(dǎo)體及某些純相合金超導(dǎo)體的磁化性質(zhì)并不完全顯現(xiàn)邁斯納效應(yīng)，而展現(xiàn)出一種以前未知的特性。為了區(qū)別于完全顯現(xiàn)邁斯納效應(yīng)的超導(dǎo)體，這類(lèi)超導(dǎo)體被稱(chēng)為第2類(lèi)超導(dǎo)體，而前者被稱(chēng)為第1類(lèi)超導(dǎo)體。從1930年代到1950年代，舒勃尼科夫、金茨堡（Ginzburg）、朗道（Landau）和阿布里科索夫（Abrikosov）等前蘇聯(lián)理論物理學(xué)家先后對(duì)創(chuàng)建有關(guān)第2類(lèi)超導(dǎo)體的理論作出了重大貢獻(xiàn)。其中蘇勃尼科夫在1937年斯大林的大清洗運(yùn)動(dòng)中被錯(cuò)誤地殺害了，而朗道、金茨堡和阿布里科索夫先后被授予過(guò)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。第2類(lèi)超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)打開(kāi)了超導(dǎo)走向?qū)嶋H應(yīng)用的大門(mén)。

1962年，布賴(lài)恩·戴維·約瑟夫森（Brian David Josephson）在數(shù)學(xué)上論證了通過(guò)弱連接的電流和電壓之間的相互關(guān)系，預(yù)言電子能通過(guò)2塊超導(dǎo)體之間的薄絕緣層而產(chǎn)生量子隧道效應(yīng)。在之后不到一年的時(shí)間內(nèi)，P. W.安德森（Anderson）和J.M.羅厄耳（Lowell）等人就從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了約瑟夫森的預(yù)言。約瑟夫森效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)奠定了超導(dǎo)體在固態(tài)電子學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的基礎(chǔ)，約瑟夫森也因此被授予1973年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

至1970年，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了超過(guò)2 000種超導(dǎo)體，包括元素、合金和化合物。1973年發(fā)現(xiàn)了Tc為23K的鈮三鍺（Nb3Ge）以后得十幾年里沒(méi)有發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)變溫度更高的超導(dǎo)體，但人們從來(lái)沒(méi)有放棄尋找新的、轉(zhuǎn)變溫度更高的超導(dǎo)體的努力。1975年斯萊特（Sleight）發(fā)現(xiàn)了Tc為13K的氧化物超導(dǎo)體BaPb（1-x）BixO3，人們開(kāi)始在金屬氧化物中尋找超導(dǎo)體。

1986年4月，K·阿歷克斯·繆樂(lè)（Alex Mǖller）和J·喬革·貝德諾冶（Georg Bednorz）發(fā)現(xiàn)了銅氧化物BaxLa（1-x）CuO3樣品中36K的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變，創(chuàng)造了Tc的新紀(jì)錄。這是個(gè)劃時(shí)代的發(fā)現(xiàn)，繆樂(lè)和貝德諾冶也因此而共同獲得1987年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。這個(gè)發(fā)現(xiàn)掀起了一股在銅基氧化物中尋找超導(dǎo)體的熱潮，超導(dǎo)再次成為世界科學(xué)界目光的焦點(diǎn)。

1987年初，Tc為90K的釔鋇銅氧（YBa2Cu3O7）被發(fā)現(xiàn)。這使超導(dǎo)體的超導(dǎo)臨界轉(zhuǎn)變溫度高于液氮的氣化溫度（77.3K），人們隨后將這類(lèi)銅基氧化物超導(dǎo)體叫做高溫超導(dǎo)體。為了與這類(lèi)新發(fā)現(xiàn)的高溫超導(dǎo)體相區(qū)別，人們把在這以前發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)體（Tc最高為23K）稱(chēng)為低溫超導(dǎo)體。1988年又有Tc分別為110K和125K的Bi2Sr2Ca2Cu3O10和Tl2Ba2Ca2Cu3O10超導(dǎo)體被發(fā)現(xiàn)。1993年發(fā)現(xiàn)了Tc為133K的HgBa2Ca2Cu3O8。銅基氧化物超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)大大地開(kāi)擴(kuò)了人們的視野，也震撼了人們對(duì)超導(dǎo)的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)，同時(shí)也為超導(dǎo)的技術(shù)應(yīng)用鋪設(shè)了更加寬闊的道路。

銅基氧化物超導(dǎo)體發(fā)現(xiàn)之后，還有2個(gè)比較重大的發(fā)現(xiàn)，這就是Tc為39K的二硼化鎂（MgB2）和Tc可達(dá)56K的鐵基超導(dǎo)體。

超導(dǎo)體的分類(lèi)沒(méi)有唯一的標(biāo)準(zhǔn)，表1概括地給出了幾種常見(jiàn)的超導(dǎo)體分類(lèi)方法。

二、實(shí)用超導(dǎo)材料

早期發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)體都是金屬元素，但并不是所有的金屬都能在溫度低到一定程度時(shí)出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象，在常溫下導(dǎo)電最好的幾種金屬，如銀、銅、金等并不是超導(dǎo)體。后來(lái)人們逐漸發(fā)現(xiàn)，除金屬之外，一些非金屬元素、化合物、合金等也是超導(dǎo)體。另外有些物質(zhì)在環(huán)境壓力下不是超導(dǎo)體，但在較高的壓力下卻成了超導(dǎo)體。

目前常用的包括112個(gè)元素（其中包括22個(gè)人造元素）的化學(xué)元素周期表上的中，31個(gè)元素（包括第1個(gè)人造元素锝）在正常結(jié)構(gòu)、環(huán)境通常壓力下可以成為超導(dǎo)體，22個(gè)元素在人工高壓條件下可以成為超導(dǎo)體，4個(gè)元素在非常結(jié)構(gòu)時(shí)可以成為超導(dǎo)體。人們還發(fā)現(xiàn)了很多二元合金、多元化合物超導(dǎo)體。到目前為止，發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)體的數(shù)量已達(dá)數(shù)千種。

然而，在數(shù)量如此龐大的超導(dǎo)體群體中能夠轉(zhuǎn)化為有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值超導(dǎo)材料的卻只有區(qū)區(qū)幾十個(gè)。我國(guó)材料學(xué)泰斗馮端、師昌緒主持編著的《材料科學(xué)導(dǎo)論》關(guān)于“材料”定義為“人類(lèi)用于制造物品、器件、構(gòu)件、機(jī)器或其他產(chǎn)品的那些物質(zhì)”。遵照這個(gè)定義，我們可以對(duì)“實(shí)用超導(dǎo)材料”推論出一個(gè)定義，即“可以用于制造有應(yīng)用價(jià)值的器件、裝置等的超導(dǎo)體或超導(dǎo)體與其它材料的復(fù)合體稱(chēng)為超導(dǎo)材料。”

昂尼斯在發(fā)現(xiàn)了汞、銦、錫和鉛的超導(dǎo)性以后，很快就想到利用超導(dǎo)體來(lái)繞制電磁鐵線圈，從而得到強(qiáng)磁場(chǎng)。他和他的學(xué)生們選擇了這幾種元素中超導(dǎo)臨界轉(zhuǎn)變溫度最高的鉛來(lái)制作磁鐵的螺線管線圈。因?yàn)槌瑢?dǎo)體沒(méi)有電阻，所以他們期待用鉛絲繞制的電磁鐵在4.2K的溫度下能夠通過(guò)很大的電流，從而得到很強(qiáng)的磁場(chǎng)。但是實(shí)驗(yàn)的結(jié)果卻令他大失所望，當(dāng)他們給繞制的螺線管線圈剛剛加上一個(gè)不大的電流時(shí)，線圈便失去了超導(dǎo)性，對(duì)線圈施加大電流從而得到強(qiáng)磁場(chǎng)的夢(mèng)想破滅了。

這說(shuō)明即使在低于Tc時(shí)，超導(dǎo)體也不是可以無(wú)限制地通過(guò)電流而仍然處于零電阻的狀態(tài)。實(shí)際上，當(dāng)所通過(guò)的電流達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，超導(dǎo)體將失去超導(dǎo)特性，變成具有電阻的常規(guī)導(dǎo)體。后來(lái)，人們?cè)趯?duì)超導(dǎo)體不斷深入的研究中知道了決定超導(dǎo)體能否具有超導(dǎo)性（處于超導(dǎo)態(tài)）的因素除溫度外，流經(jīng)超導(dǎo)體的電流值和超導(dǎo)體所受的磁場(chǎng)強(qiáng)度也直接影響超導(dǎo)體的狀態(tài)。在一定溫度下（這個(gè)溫度一定要低于該超導(dǎo)體的Tc），這個(gè)使超導(dǎo)體轉(zhuǎn)變成正常導(dǎo)體的電流值就稱(chēng)為該超導(dǎo)體的臨界電流，通常用Ic表示。為了更好地把超導(dǎo)體的超導(dǎo)載流能力與材料固有性質(zhì)聯(lián)系起來(lái)，人們一般用臨界電流密度（Jc）來(lái)表述超導(dǎo)體的載流能力，其定義為臨界電流/超導(dǎo)體通流橫截面積。超導(dǎo)體在不同的溫度下的臨界電流密度是不同的，溫度越低，臨界電流密度會(huì)越大。所以在談及臨界電流密度時(shí)應(yīng)指出是在什么溫度下的臨界電流密度。

超導(dǎo)體除了超導(dǎo)臨界轉(zhuǎn)變溫度、臨界電流密度外，還有一個(gè)與應(yīng)用相關(guān)的重要參數(shù)，這就是臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度（Hc）。當(dāng)把一個(gè)超導(dǎo)體置于一個(gè)磁場(chǎng)中，在磁場(chǎng)的強(qiáng)度小于一個(gè)特定的數(shù)值時(shí)，超導(dǎo)體會(huì)表現(xiàn)出邁斯納效應(yīng)，即把磁力線完全排斥在超導(dǎo)體之外，超導(dǎo)體內(nèi)部的磁場(chǎng)為零。當(dāng)磁場(chǎng)的強(qiáng)度超過(guò)這個(gè)特定的數(shù)值時(shí)，磁力線就會(huì)進(jìn)入超導(dǎo)體的內(nèi)部，超導(dǎo)體也隨之失去了超導(dǎo)的特性。這個(gè)特定的磁場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)值就叫做該超導(dǎo)體的臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度。類(lèi)似于臨界電流密度，超導(dǎo)體臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度也隨著溫度的變化而變化。所以在給出一種材料的臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)指明所對(duì)應(yīng)的溫度。

更為確切地說(shuō)，要保證一個(gè)超導(dǎo)體處于超導(dǎo)狀態(tài)就必須同時(shí)滿(mǎn)足3個(gè)條件：即所處溫度低于其Tc，所通過(guò)的電流密度小于其所處溫度下的Jc以及所處的磁場(chǎng)小于其在該溫度下Hc。超導(dǎo)體的Tc、Jc和Hc是互相影響、相互關(guān)聯(lián)的3個(gè)基本參數(shù)。圖1為超導(dǎo)體保持超導(dǎo)狀態(tài)所需要的溫度、電流、磁場(chǎng)條件示意圖。

昂尼斯用鉛絲繞制電磁鐵嘗試的失敗就是因?yàn)榻饘巽U的Jc很小，即其超導(dǎo)態(tài)能傳輸?shù)碾娏骱苄?。?shí)際上，早期發(fā)現(xiàn)的元素超導(dǎo)體的Jc和Hc都很小，基本沒(méi)有實(shí)用價(jià)值，也不能做為超導(dǎo)材料。找到能作為材料使用的超導(dǎo)體是在發(fā)現(xiàn)第2類(lèi)超導(dǎo)體后實(shí)現(xiàn)的。

第1類(lèi)超導(dǎo)體和第2類(lèi)超導(dǎo)體的根本區(qū)別在于在外磁場(chǎng)作用下兩者的磁化特性不同。上面談到的Hc是對(duì)于第1類(lèi)超導(dǎo)體而言的。當(dāng)超導(dǎo)體所處的溫度、電流、磁場(chǎng)條件在圖1所示的臨界面之內(nèi)，第1類(lèi)超導(dǎo)體內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度（磁通密度）B都會(huì)保持為0。在這種情況下，即使超導(dǎo)體轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)前其體內(nèi)有磁場(chǎng)存在，在發(fā)生超導(dǎo)轉(zhuǎn)變時(shí)磁力線也要被全部排斥到體外。而當(dāng)外磁場(chǎng)大于Hc時(shí)，超導(dǎo)體立即失去超導(dǎo)性，變成一般的正常導(dǎo)體，磁力線進(jìn)入其內(nèi)部。第2類(lèi)超導(dǎo)體則不同，它的磁性質(zhì)的變化要復(fù)雜的多。為了描述第2類(lèi)超導(dǎo)體的磁性質(zhì)，人們需要定義2個(gè)Hc，分別用下臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度（Hc1）和上臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度（Hc2）表示。當(dāng)外磁場(chǎng)小于Hc1時(shí)，第2類(lèi)超導(dǎo)體與第2類(lèi)超導(dǎo)體相同，具有完全抗磁性。但是當(dāng)外磁場(chǎng)大于Hc1后，超導(dǎo)體并不完全失去超導(dǎo)性，這時(shí)樣品內(nèi)超導(dǎo)態(tài)和正常態(tài)同時(shí)并存，磁力線出現(xiàn)在正常態(tài)區(qū)域，超導(dǎo)態(tài)區(qū)域仍然排斥磁力線，這種狀態(tài)被稱(chēng)為混合態(tài)。當(dāng)外磁場(chǎng)繼續(xù)增加時(shí)，超導(dǎo)態(tài)區(qū)域縮小，正常態(tài)區(qū)域擴(kuò)大，當(dāng)外磁場(chǎng)達(dá)到Hc2時(shí)，樣品全部變?yōu)檎B(tài)。圖2示意了第1類(lèi)超導(dǎo)體和第2類(lèi)超導(dǎo)體在置于外磁場(chǎng)下性質(zhì)的區(qū)別。

實(shí)際上，即使在很低的溫度下（接近絕對(duì)零度），第1類(lèi)超導(dǎo)體的臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度Hc也是很小的，基本上不超過(guò)0.1T。也就是說(shuō)，第一類(lèi)超導(dǎo)體的實(shí)用性是有很大局限的。第2類(lèi)超導(dǎo)體的Hc1也是很小的，一般不超過(guò)0.2T，但是第2類(lèi)超導(dǎo)體的Hc2一般都很高，最高的可以超過(guò)20T。所以第2類(lèi)超導(dǎo)體處于混合態(tài)時(shí)，在較大的磁場(chǎng)下也可以承載很大的超導(dǎo)電流。第2類(lèi)超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)，使超導(dǎo)材料的實(shí)際應(yīng)用成為可能，昂尼斯的夢(mèng)想終于可以實(shí)現(xiàn)了。

除了Tc、Jc和Hc2外，在超導(dǎo)材料的實(shí)際應(yīng)用中還要考慮機(jī)械性能、化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性及生產(chǎn)和使用成本等諸多因素。

鈮及其合金是目前應(yīng)用最廣泛的超導(dǎo)材料。鈮是元素超導(dǎo)體中僅有的3個(gè)第2類(lèi)超導(dǎo)體之一，其Tc為9.5K，可以用來(lái)制造諧振腔和約瑟夫森結(jié)等薄膜超導(dǎo)器件。NbTi合金的Tc為11K，制成的超導(dǎo)導(dǎo)線在4.2K時(shí)，在8.8T的磁場(chǎng)下其電流密度可達(dá)100 000A/cm2，是目前使用最多的超導(dǎo)材料。Nb3Sn合金的Tc為18K，其Hc2高于鈮鈦（NbTi），雖然導(dǎo)線的制作成本很高，但是也已經(jīng)應(yīng)用于一些特殊強(qiáng)磁體的制作。另外，和Nb3Sn相比，鈮三鋁（Nb3Al）在強(qiáng)磁場(chǎng)下的本征臨界電流密度更高，且具有更優(yōu)異的抗應(yīng)變能力，已成為極具潛力的新的超導(dǎo)材料。

自從20世紀(jì)80年代后期銅氧化物高溫超導(dǎo)體被發(fā)現(xiàn)以后，人們就開(kāi)始了發(fā)展高溫超導(dǎo)材料的努力。到目前為止，銅氧化物高溫超導(dǎo)體中的REBa2Cu3O7（RE代表某種稀土元素，由近十個(gè)稀土元素可以用來(lái)形成這種材料）、Bi2Sr2CaCu2O8、 Bi2Sr2Ca2Cu3O10、Tl2Ba2CaCu2O8和Tl2Ba2Ca2Cu3O10都能被制成塊材，應(yīng)用于磁懸浮、磁屏蔽、電機(jī)和電流引線等。這些超導(dǎo)體還能制作成薄膜材料，應(yīng)用于超導(dǎo)電子學(xué)領(lǐng)域。在用于制作磁體或電力設(shè)備的導(dǎo)線方面，Bi2Sr2Ca2Cu3O10和REBa2Cu3O7可以做成帶材，分別被稱(chēng)作第1代高溫超導(dǎo)線和第2代高溫超導(dǎo)線。Bi2Sr2CaCu2O8可以制作圓形超導(dǎo)線，一般應(yīng)用于低溫條件下（<20K）的強(qiáng)磁場(chǎng)磁體中。

雖然2001年發(fā)現(xiàn)的MgB2的Tc只有39K，比銅基氧化物低得多，但是比起低溫超導(dǎo)體來(lái)還是高得多，加上其物理、化學(xué)性能更接近于合金材料，相對(duì)容易加工，所以近些年MgB2導(dǎo)線得到了廣泛重視，已經(jīng)達(dá)到實(shí)用水平。

2 0 0 8年發(fā)現(xiàn)的Tc為26K鐵基超導(dǎo)體La[O1-xFx] FeAs（x=0.05-0.12）是一種氟摻雜鑭-氧-鐵-砷（La-O-Fe-As）化合物。近年來(lái)通過(guò)不同的稀土元素的替換和新的晶體結(jié)構(gòu)的調(diào)制，1111相的NdFeAsO0.89F0.11、PrFeAsO0.89F0.11、GdFeAsO0.85和Sr0.5Sm0.5FeAsF等鐵基超導(dǎo)體的超導(dǎo)臨界溫度都可以超過(guò)50K。從初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，鐵基超導(dǎo)體有很高的Hc2，所以目前中國(guó)科學(xué)院已經(jīng)將發(fā)展鐵基超導(dǎo)導(dǎo)線列入其“先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)”，應(yīng)用目標(biāo)是我國(guó)未來(lái)大科學(xué)裝置建設(shè)所需的強(qiáng)磁體。

三、超導(dǎo)材料的應(yīng)用

1.超導(dǎo)磁體

迄今為止，超導(dǎo)材料應(yīng)用最多的一個(gè)領(lǐng)域是制作各種用途的超導(dǎo)磁體。超導(dǎo)磁體可以實(shí)現(xiàn)常規(guī)導(dǎo)體材料無(wú)法實(shí)現(xiàn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)梯度和磁場(chǎng)均勻度，有著多種用途。

利用超導(dǎo)磁體的核磁共振成像（MRI）已被廣泛地應(yīng)用于醫(yī)療檢測(cè)、診斷之中，成為最為精確的醫(yī)學(xué)檢測(cè)手段之一。醫(yī)用核磁共振成像儀自1970年代后期問(wèn)世以來(lái)已經(jīng)在全世界得到了普遍推廣，是目前市場(chǎng)規(guī)模最大的民用超導(dǎo)應(yīng)用產(chǎn)品。圖3是一臺(tái)1.5T醫(yī)用核磁共振成像儀的照片。強(qiáng)磁場(chǎng)超導(dǎo)核磁共振譜儀（NMR）還是液態(tài)物質(zhì)光譜分析，有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)鑒定的一個(gè)重要手段，已被應(yīng)用于物質(zhì)成分分析和化學(xué)動(dòng)力學(xué)方面的研究。

幾乎世界上所有的用于重大科學(xué)研究工程的高強(qiáng)磁場(chǎng)，譬如各類(lèi)粒子加速器、各類(lèi)高能粒子對(duì)撞機(jī)、以及目前多國(guó)參與的國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）的磁場(chǎng)，都離不開(kāi)超導(dǎo)磁體。圖4是歐洲核子研究中心（CERN）大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)Atlas中超導(dǎo)磁體的照片。

另外，還有各式各樣的超導(dǎo)磁體被應(yīng)用于檢測(cè)儀器、各類(lèi)實(shí)驗(yàn)裝置、晶體生長(zhǎng)等其他許多方面。

NbTi合金超導(dǎo)材料是到目前為止制造超導(dǎo)磁體使用最多的材料，核磁共振成像儀及大科學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置的大部分強(qiáng)磁體都使用這種材料。

2.約瑟夫森結(jié)

約瑟夫森結(jié)是利用超導(dǎo)體約瑟夫森效應(yīng)構(gòu)成的器件，一般由2個(gè)超導(dǎo)體（多選用鈮或鉛合金）組成，它們被電子能夠通過(guò)的絕緣薄層隔開(kāi)。也有采用超導(dǎo)體間纖細(xì)的弱連接實(shí)現(xiàn)約瑟夫遜結(jié)的。約瑟夫森結(jié)是超導(dǎo)電子學(xué)應(yīng)用的基礎(chǔ)元件，可以用來(lái)制作多種精密電子學(xué)儀器。圖5是這2種典型約瑟夫森結(jié)結(jié)構(gòu)示意圖。

超導(dǎo)量子干涉儀（SQUID）就是利用約瑟夫森結(jié)制作的目前世界上靈敏度最高的磁傳感器，這種儀器已經(jīng)在微弱磁場(chǎng)測(cè)量、生物磁場(chǎng)測(cè)量、大地測(cè)量、無(wú)損探傷等方面得到了廣泛的應(yīng)用。由SQUID和超導(dǎo)磁體結(jié)合的磁學(xué)測(cè)量系統(tǒng)（MPMS）可以提供高磁場(chǎng)的低溫測(cè)量環(huán)境，分辨率高、參數(shù)測(cè)量精確，已經(jīng)在全球科研機(jī)構(gòu)和高等院校中得到普遍的應(yīng)用。

還有值得一提地是，對(duì)于目前人們以巨大熱情追尋的量子計(jì)算機(jī)，在實(shí)現(xiàn)對(duì)微觀量子態(tài)操縱的硬件結(jié)構(gòu)機(jī)理中，約瑟夫森結(jié)是可能選擇的解決方案之一。

3.磁懸浮

超導(dǎo)材料制作的磁體還有一個(gè)重要的應(yīng)用，就是磁懸浮。在導(dǎo)體截面相同時(shí)，超導(dǎo)體制作的導(dǎo)線可以比銅導(dǎo)線（傳統(tǒng)電磁鐵絕大多數(shù)由銅導(dǎo)線繞制）承載高出幾十倍的電流。也就是說(shuō)，由超導(dǎo)線圈制作的磁懸浮機(jī)構(gòu)可以產(chǎn)生比傳統(tǒng)磁懸浮機(jī)構(gòu)大得多的懸浮力。另外，銅線圈通電時(shí)會(huì)不斷地產(chǎn)生焦耳損耗，而超導(dǎo)線圈因?yàn)闊o(wú)電阻不會(huì)產(chǎn)生焦耳損耗。因此在磁懸浮軌道交通系統(tǒng)中使用超導(dǎo)電磁線圈不但可以產(chǎn)生更大的懸浮力和驅(qū)動(dòng)力，而且更加節(jié)能、環(huán)保。在2015年4月21日，日本東海旅客鐵道株式會(huì)社在山梨磁懸浮鐵路試驗(yàn)線上的7車(chē)編組超導(dǎo)磁懸浮列車(chē)創(chuàng)造了603km/h軌道交通速度的最新世界紀(jì)錄。

高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)為中低速磁懸浮交通提供了提供了一種新的手段。在高溫超導(dǎo)磁懸浮軌道交通系統(tǒng)中，高溫超導(dǎo)塊材一般安置在車(chē)輛的底部，而軌道由永磁鐵鋪設(shè)，利用高溫超導(dǎo)體的抗磁性對(duì)磁通的釘扎作用將列車(chē)懸浮于空中并進(jìn)行導(dǎo)向，實(shí)現(xiàn)列車(chē)與地面軌道間既無(wú)機(jī)械接觸，又不會(huì)脫離軌道。

高溫超導(dǎo)磁懸浮還可以做為懸浮軸承應(yīng)用到飛輪儲(chǔ)能和定向陀螺等裝置。

4.電力設(shè)備

高溫超導(dǎo)材料可以使用液氮作為冷卻劑，液氮資源豐富、成本低廉，使較大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用，例如在電力設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用成為可能。近年來(lái)高溫超導(dǎo)導(dǎo)線制造技術(shù)的進(jìn)步和逐步提高的工業(yè)化生產(chǎn)能力為超導(dǎo)電力設(shè)備的發(fā)展應(yīng)用創(chuàng)造了必要的條件。

世界主要工業(yè)國(guó)家都在超導(dǎo)電力設(shè)備的研制和及其在配電網(wǎng)、輸電網(wǎng)掛網(wǎng)示范運(yùn)行方面投入了大量的人力、物力和財(cái)力，取得了許多重要成果。超導(dǎo)電纜和超導(dǎo)限流器已經(jīng)十分接近商業(yè)化應(yīng)用的水平，超導(dǎo)儲(chǔ)能、超導(dǎo)變壓器、超導(dǎo)電機(jī)等也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。

除上面介紹的主要應(yīng)用領(lǐng)域之外，還有一些體現(xiàn)超導(dǎo)材料獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)的其他應(yīng)用領(lǐng)域，例如：利用高純鈮制作的射頻超導(dǎo)諧振腔是高能粒子加速器的重要部件、利用高溫超導(dǎo)薄膜制作的用于無(wú)線通訊基站的濾波器和利用高溫超導(dǎo)塊材制作的超凈磁屏蔽裝置等。

四、超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展展望

零電阻、完全抗磁性和約瑟夫森效應(yīng)是超導(dǎo)材料獨(dú)有的特性，這些特性在許多應(yīng)用領(lǐng)域可以形成其它材料難以替代的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。隨著超導(dǎo)材料及其它相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用一定會(huì)有更大的發(fā)展，對(duì)未來(lái)人類(lèi)社會(huì)的生產(chǎn)、生活產(chǎn)生更加巨大的影響。

隨著在Nb3Al或Nb3（Al，Ge）導(dǎo)體制作工藝方面取得突破，形成工業(yè)化的生產(chǎn)能力，超導(dǎo)磁體所能實(shí)現(xiàn)的場(chǎng)強(qiáng)就會(huì)有達(dá)到更高的水平。MRI和NMR等超導(dǎo)設(shè)備的性能會(huì)大幅度提高，大科學(xué)工程研究的廣度和深度也會(huì)隨之產(chǎn)生躍升。

在高溫超導(dǎo)導(dǎo)線的性能進(jìn)一步提高、成本進(jìn)一步降低之后，超導(dǎo)電力設(shè)備的性?xún)r(jià)比就能顯示出很強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，發(fā)電、輸電和用電技術(shù)有望發(fā)生革命性的變化。另外，TlSr2Ca2Cu3O9和Tl2Ba2Ca2Cu3O10的Tc高于120K，又有很好的超導(dǎo)性能，一旦人們能夠解決制作過(guò)程中的困難，制成新1代高溫超導(dǎo)導(dǎo)線，就能為構(gòu)建同時(shí)輸運(yùn)液化天然氣和電力的能源通道提供必要的條件，對(duì)能源輸送方式產(chǎn)生重大影響。

如果經(jīng)過(guò)不斷努力，能將鐵基超導(dǎo)體制成實(shí)用化的導(dǎo)線，就有可能實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的磁場(chǎng)，也會(huì)促進(jìn)今后大科學(xué)工程的發(fā)展。

日本在2014年啟動(dòng)了中央新干線項(xiàng)目建設(shè)，目標(biāo)是建設(shè)一條全長(zhǎng)438km的超導(dǎo)磁懸浮客運(yùn)線連接?xùn)|京和大阪。項(xiàng)目分2個(gè)階段實(shí)施，第1階段計(jì)劃在2027年完成東京至名古屋286km的線路建設(shè)并投入運(yùn)行，第2階段計(jì)劃在2045年完成從名古屋至大阪152km的線路建設(shè)，并實(shí)現(xiàn)全線通車(chē)。設(shè)計(jì)的列車(chē)運(yùn)行最高時(shí)速為505km/h，從東京到名古屋的運(yùn)行時(shí)間為40min，從東京到大阪的運(yùn)行時(shí)間為67min。這是一個(gè)超導(dǎo)磁懸浮軌道交通的標(biāo)桿性項(xiàng)目，若獲成功，將開(kāi)辟高速軌道交通的新紀(jì)元。

ITER計(jì)劃是目前全球規(guī)模最大、影響最深遠(yuǎn)的國(guó)際科研合作項(xiàng)目之一。ITER計(jì)劃的實(shí)施結(jié)果將決定人類(lèi)能否迅速地、大規(guī)模地使用核聚變能，從而可能影響人類(lèi)從根本上解決能源問(wèn)題的進(jìn)程。若這個(gè)項(xiàng)目的結(jié)果證明了大規(guī)模利用核聚變能可行性，超導(dǎo)托克馬克將被大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用，超導(dǎo)技術(shù)和人類(lèi)社會(huì)未來(lái)命運(yùn)的聯(lián)系就會(huì)更加緊密了。

核磁共振的醫(yī)學(xué)應(yīng)用、SQUID測(cè)量系統(tǒng)和大科學(xué)工程中的超導(dǎo)磁體為超導(dǎo)第1個(gè)百年締造了不可磨滅的成就。電力和能源設(shè)備直接關(guān)系到人們的生產(chǎn)和生活，市場(chǎng)規(guī)模宏大。超導(dǎo)技術(shù)不但可以提高現(xiàn)有電力、能源設(shè)備的性能和效率，而且能夠制作傳統(tǒng)技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的新的電力、能源設(shè)備?？梢云诖瑢?dǎo)技術(shù)在電力、能源領(lǐng)域的應(yīng)用將在超導(dǎo)第2個(gè)百年里譜寫(xiě)更加輝煌的篇章。

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