新型超導體二硼化鎂（MgB2 ） 基礎(chǔ)研究及其應(yīng)用展望
超導體，顧名思義就是通電流后沒有能量耗散 的導體) 它是由于大量配對電子凝結(jié)到一個“步調(diào) 一致”的相干態(tài)后，其運動不受晶格散射的結(jié)果) 1911 年，荷蘭的科學家 O00es 發(fā)現(xiàn)水銀的超導現(xiàn)象 后，人們一直期望能找到室溫超導體，這是人們長期 以來的夢想) 人們在隨后七十余年的歲月中，只將轉(zhuǎn)變溫度提高到 23K（約零下 250攝氏度）.1986年底，瑞士研究人員首先在原來不曾想到的氧化物中找到了轉(zhuǎn)變溫度為30K以上的超導體，在世界上掀起了一場對高溫超導電性的追逐。不久，中國科學家就獨立地發(fā)現(xiàn)了液氮溫度（77.3K) 以上的超導體。 目前氧化物超導體的轉(zhuǎn)變溫度已經(jīng)高達130多 K（ 高壓下可達160K），在某些方面的應(yīng)用已經(jīng) 嶄露頭角) 另外氧化物超導體的超導機制也是擺在 凝聚態(tài)物理學家面前的最富有意義和挑戰(zhàn)性的課題 之一) 這是由于此類材料中電子之間的相互作用很 強，其運動行為似乎不能用業(yè)已成熟的固體物理的 知識來理解) 對高溫超導機理的理解可能會導致人 們對很多被稱為電子強關(guān)聯(lián)的一大類材料物理本質(zhì)的理解，同時在科學和技術(shù)兩個方面產(chǎn)生飛躍!
由于其自身的特點，氧化物超導體在很多方面 的應(yīng)用受到限制! 這些特點包括非常小的相干長度 導致小的凝聚能和磁通釘扎能，層狀結(jié)構(gòu)導致磁通系統(tǒng)容易變成二維而產(chǎn)生運動，陶瓷特性使得材料容易脆裂，原材料價格比較昂貴使得應(yīng)用得成本很 高等等! 因此人們需要尋求新的超導體! 2001年 3月初，日本科學家報道了二元材料二硼化鎂 在 39K左右表現(xiàn)出超導特性.這個發(fā)現(xiàn)迅速激起了全世界范圍內(nèi)的研究熱潮! 由于在對氧化物高溫超導體長達十余年的研究中，人們積累了豐富的經(jīng) 驗和建立了先進的手段，所以對二硼化鎂超導體性 質(zhì)的研究進展得非常迅速! 中國科學家也以極快的 速度開展了研究，獲得了一些重要結(jié)果! 由于這個新發(fā)現(xiàn)在 2001年 3 月初才報道出來，因此在同年 3 月底舉辦的美國物理年會上（美國西雅圖），只能以特 別專場的形式報告這個重要發(fā)現(xiàn)以及因此引發(fā)的工 作! 來自世界各地的 60 多個報告一直從晚上8點持 續(xù)到凌晨1 點多! 來自中國科學院的科學家應(yīng)邀在 這個特別專場上作了兩個報告!
關(guān)于二硼化鎂超導體機理的研究經(jīng)歷了一波三 折的過程! 由于二硼化鎂的超導轉(zhuǎn)變溫度接近傳統(tǒng)電 聲耦合的上限，因此一開始很多人相信的超導電性可 能不是來自傳統(tǒng)的電聲耦合，而是由其他原因所致!后來，二硼化鎂中硼原子的同位素效應(yīng)實驗演示出超 導轉(zhuǎn)變溫度對原子質(zhì)量具有明顯的依賴關(guān)系，因此 人們逐漸相信電聲耦合作用對超導的形成是十分重 要的! 進一步又發(fā)現(xiàn)，對此系統(tǒng)的任何形式的摻雜只 會使超導溫度下降，因此人們越來越相信二硼化鎂超 導體可能只是一個眾多二元合金超導體中的“漏網(wǎng)之 魚”，并且人們將其超導完全歸結(jié)于傳統(tǒng)超導體BCS機理! 然而，人類的想象與自然界的客觀事實總 是有些差距，這也是促使科學家不斷更新和提高自己 認知的動力! 后來的理論計算表明，在二硼化鎂中有 不只一個能帶跨越費米面 ，電聲耦合所造成的費米 面失穩(wěn)完全可能在兩個能帶的費米面處產(chǎn)生能隙! 這 一點又與傳統(tǒng)的所有的超導體完全不同! 有關(guān)兩個能 隙的圖像后來被比熱、核磁共振、電子隧道譜和角分 辨光電子譜的實驗廣泛證實! 有關(guān)兩個能隙是如何形 成的以及它如何影響超導特性是目前有關(guān)二硼化鎂 超導體研究的熱點!
二硼化鎂超導體在應(yīng)用上的契機遠比對其物理 的理解更讓人激動! 在發(fā)現(xiàn)后不久，人們就測量了很 多有關(guān)其電、磁、熱方面的宏觀特性，這方面包括中國科學家所做出的大量出色的工作. 首先，人 們發(fā)現(xiàn)，這個超導體在 20K左右的溫度和 8萬倍于 地球磁場的情況下，可以承載很大的超導電流，而且 能耗極低! 由于20K的溫度可以方便地使用小型制 冷機獲得，因此這使得人們想到在將來的醫(yī)院里使 用的核磁成像儀器的超導磁體再也不要昂貴的液氦 來運行，而只需要插上電源就行了! 另外，二硼化鎂 材料的價格很低，而且遠比陶瓷特性的氧化物高溫 超導體容易加工成形，因此在發(fā)現(xiàn)后不久，美國 23 456 實驗室就能夠拉出長達幾十米的線材和帶材!
此外，二硼化鎂超導體的超導相干長度較長，容易制 備出超導量子干涉器件用于微弱電磁信號的檢測， 在大地探礦、醫(yī)療儀器、環(huán)境和軍事方面具有應(yīng)用前 景!
中國科學家在這次二硼化鎂超導體的研究中表 現(xiàn)出了相當強的競爭力! 在得知消息后不到一個星 期，中國科學院物理研究所超導國家重點實驗室就 制備出了高質(zhì)量的樣品，隨即做出了大量出色的研 究工作! 比如他們很快認識到二硼化鎂超導體的上 臨界磁場和磁通融化磁場之間存在一個巨大的差 距，提出了合理的圖像來解釋這個差距；再比如 他們與挪威的科學家用不同的方法獨立地發(fā)現(xiàn) 在二硼化鎂超導薄膜中存在細小密集的磁通跳躍， 而且中國科學家明確地界定了這個磁通跳躍的范圍，為以后克服弱電應(yīng)用中的困難起到了積極作 用! 此外，中國科學家有關(guān)二硼化鎂超導體的摻雜和 電鏡觀測等工作都在國際上引起了廣泛的關(guān)注! 在 應(yīng)用方面，中國科學家已經(jīng)能夠成功地制備出長達 幾十米的線材，為下一步制備超導磁體奠定了堅實 的基礎(chǔ)! 可以預(yù)見，在未來三年中，用二硼化鎂線材 所制造的超導磁體將會在中國的科學家手中誕生!
