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高温超导体

IBM

1972年夏,聪明而且精力充沛的地球科学系学生 Georg Bednorz 进入位于瑞士苏黎世的 IBM 研究实验室。他在实验室的物理系经过仅三个月的研究后,他返回大学完成自己的学业,但他学习到的经验以及与 IBM 研究员 Alex Müller 建立的关系改变了 Bednorz 的人生,也改变了整个世界。

改变世界 — 当今的应用领域

改善输电改善输电
采用 American Superconductor 高温超导体 (HTS) 电线的高能效电缆开始在全世界范围内铺设。2008年,第一条、也是最长的 HTS 电缆在纽约的长岛铺设完成,目前,该电缆输送的电力达到 574兆瓦—足以为 300,000个家庭供电。在美国西南部,Tres Amigas 工程正在进行,目的是连接美国三大电网,并建立全国第一个可再生能源市场中枢。

提高整个行业的效率提高整个行业的效率
在金属加工行业,被称作毛坯加热装置的大型机器使用电力将金属加热到 1100摄氏度(2012华氏度),在将金属软化后进行加工。通过使用 HTS,德国 Bültmann GmbH 公司与 Zenergy Power 合作,开发了一种磁性毛坯加热器,效能提高 80,每年节约相当于 800桶燃油的费用。


提高火车速度提高火车速度
目前在亚洲测试的磁悬浮 (Maglev) 火车采用车载磁体使火车悬浮于铁轨上,从而使火车具有更高的能效,而且运行速度更快。磁悬浮火车最早在日本的测试达到了 581公里的时速(每小时 361英里)。



超冷学超冷学
观看这份简要介绍视频,探索高温超导体背后的科学,了解超导体目前的一些应用领域。




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几年后,Bednorz 再次回到他最初研究钙钛矿—氧化晶体的大家族—的实验室。Müller 研究钙钛矿化合物已有近 15年时间,并鼓励 Bednorz 在攻读博士学位时专注于对这类材料的结构和特性的研究。尽管他们的性格和兴趣迥然不同,但两人在接下来的 10年内并肩战斗,之后在 1983年开展了大量合作工作,共同探索氧化物中的高温超导电性。

超导材料在科学家的想象中占据特殊的地位。电流一旦开始运动,就会在封闭的超导材料环路中永远流动。这被认为是自然界中发现的最接近永远运动的现象。其独特的魅力对于科学和工业的潜在应用非常广泛。唯一的问题是,以前确定的超导材料(一般是金属或合金)要求极低的温度才能表现出需要的属性—仅存在于教科书和非常专业的研究中。

研究人员面临的挑战是寻找一种能够在常温下表现超导性的材料。Müller 和 Bednorz 假想并且进行了大量的测试,但并没有取得进展。直到 1985年,Bednorz 阅读了一篇法文文章,其中提到具有钙钛矿结构的氧化物在 Bednorz 和 Müller 的目标温度范围内表现出超导性。在一年后的 1986年,Müller 和 Bednorz 研制出了脆性陶瓷复合物—这是一项极具争议性的研究,因为陶瓷一般被认为是绝缘体—在有史以来记录的最高温度下具有超导性:30 Kelvin(摄氏–243.15度、华氏–405.67度)。这是陶瓷第一次被认为是超导体的可行替代品。据 Bednorz 回忆:“Alex 和我非常兴奋,因为反复的测量表现出了完美的可重现性,错误也可以被排除。复合物以及热处理形式多样,在两个星期内,我们将电阻率下降的起点降到了 35K。”

“我很快被这种自由度吸引了,即使我作为学生,也可以自己开展工作,让我能够从错误中吸取教训,从而敢于以自己的方式解决新问题。”
J. Georg Bednorz
IBM 院士,诺贝尔奖得主

《J. Georg Bednorz 自传》,诺贝尔基金会

1987年
“1983年秋天,Alex (Müller) 带领IBM院士找到我,问我是否有兴趣合作研究氧化物中的超导性。我欣然应允。后来,Alex告诉我说,他感到很意外,因为他原本会竭尽全力来说服我。” J. Georg Bednorz
IBM 院士,诺贝尔奖得主

“钙钛矿类型的氧化物—高温超导体的新方法”,诺贝尔宣传资料

1987年
“我认为这是一个很好的概念…我与Georg Bednorz讨论,并在两个小时内说服他,同意我们一起尝试。从那时起,我们经过近三年才最终找到。我们的工作是秘密进行的,并没有告诉管理人员和其他人。因为我们都是凡人,有人可能会泄密 [信息]。”” Alex Müller
IBM 院士,诺贝尔奖得主

采访,The Vega Science Trust

2004年
“我对于我们的创造深感震惊。”
Alex Müller
IBM 院士,诺贝尔奖得主
“J. Georg Bednorz 和 K. Alex Müller,IBM钟情于研究超导体”,《财富》杂志

1988年 1月 4日

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科学界震惊了。来自全球各地的科学家以极快的速度重现、修改并改进 Müller 和 Bednorz 的工艺—再次引发了全世界对于超导体的兴趣,并加快了超导体的发展。根据 Müller 和 Bednorz 的发现,科学家很快开发了在超过 77 Kelvin(液氮的沸点)时实现超导性的材料,这是一种相对便宜并且方便得到的冷却剂。使用液氮达到超导性为大量实用的应用打开了大门。1987年,Müller 和 Bednorz 获得诺贝尔物理学奖。这个奖项一般是在发明人的发明问世多年以后才颁发,但这次,这两位 IBM 员工仅在取得突破一年后即得到了最高的奖励。

超导体带来的社会和经济效益已经在市场中体现,包括智慧电网、金属加工、风力发电和高速列车—但它在更大范围内普及尚需时日。尽管我们对超导体仍需进一步研究,但它们的前景辉煌,而且其潜力似乎仅受到科学想象力的限制。

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