超导理论.doc

超导研究超导理论超导电性的发现1908年荷兰物理学家H.开默林昂内斯液化氦成功，从而达到一个新的低温区（4.2K以下），他在这样的低温区内测量各种纯金属的电阻率。1911年，他发现，当温度降到4.2K附近时，汞样品的电阻突然降到0。不但纯汞，而且加入杂质后,甚至汞和锡的合金也具有这种性质。他把这种性质称为超导电性。超导体的基本性质临界温度Tc 超导体由正常态转变为超导态的温度。临界磁场BC对于超导体，只有当外加磁场小于某一量值时，才能保持超导电性，否则超导态即被破坏，而转变为正常态。这一磁场值称为临界磁场BC。同样，超导体也存在一临界电流IC。临界磁场与温度的关系为 HCHo1-(T/Tc)2,式中Ho为0K时的临界磁场。电阻等于零是超导体的最显著的特性。如果将一金属环放在磁场中,突然撤去磁场,在环内就会出现感生电流。金属环具有电阻R和电感L。由于焦耳热损耗,感生电流会逐渐衰减到零，衰减速度与L和R的比值有关,L/R的值越大，衰减越慢。如果圆环是超导体，则电阻为零而电感不为零；因此电流会毫不衰减地维持下去。这种“持续电流”已在多次实验中观察到。测量超导环中持续电流变化的实验给出，样品铅的电阻率小于3.6×10-2欧姆厘米，它比铜在室温下的电阻率1.6×10-6欧姆厘米还要小4.4×1016倍。这个实验结果表明超导体的电阻率确实是零。零电阻测试装置:零电阻现象可以采用四引线法，通过样品的电阻随温度的变化来进行测量。迈斯纳效应（理想抗磁性）是超导体的另一个特征。磁力线不能穿过它的体内，也就是说超导体处于超导态时,体内的磁场恒等于零。超导理论伦敦方程和唯象理论 许多事实表明，超导体中的电子由两部分组成，一部分仍与普通导体中的电子相同，称为正常电子，遵从欧姆定律；另一部分具有超导电性，运动时不受任何阻力，称为超导电子。1935年伦敦兄弟根据超导体的这两个基本性质，提出描述超导电子运动规律的方程式中JS是超导电流,C是光速,称为伦敦穿透深度，s是超导电子的密度，、为电子的质量和电荷。如果是直流电流,由方程(1)可直接得出电阻率为零,因此方程(1)反映了理想导电性的事实。由方程(2)可得出在超导体表面附近，磁场是按指数规律衰减的。穿透层的深度约为，其数量级为10-16cm。在超导体内部磁场为零。因此方程(2)反映了理想抗磁性的事实。伦敦方程预言了表面透入层的存在。而且当超导体的尺寸与相近时,磁场会透入到样品中心。因此小尺寸超导体不具有完全抗磁性，它在磁场中的能量就比大块超导体低，从而临界磁场会高于大块样品。另一方面,实验发现，对于锡、铟等超导体，的测量值以及临界磁场与样品尺寸的关系，与伦敦理论只是定性的符合，在数量上并不一致，有的甚至定性的关系也不符合。1953年，A.B.皮帕德根据以前在一系列超导体上所作的微波表面阻抗的测量结果，提出了相干长度的概念，并对伦敦理论作了非局域推广。由超导体中磁场的非局域效应与正常金属中的反常趋肤效应之间的相似性，皮帕德将超导体某点的超导电流密度表示为式中Rrr, A(r)为在点r的矢势,0为在纯超导体中的相干长度，L是伦敦穿透深度，皮帕德相干长度P用下式表示P-1=0-1+（L）-1,式中L为正常态时超导体电子的平均自由程, 0.80,因此当L>>0时,P0;而当L<<0时,PL;。这样就能解释超导体穿透深度与纯度的关系，以及磁场对的影响。为了解释伦敦理论与一些实验结果之间的矛盾，于1950年.京茨堡和.朗道在朗道二级相变理论的基础上引入一些假设，提出京茨堡-朗道方程即G-L方程 式中除前面已提到的一些参量外，为序参量,其中()为其位相, 和是与温度有关的系数。唯象的 G-L方程预示出超导体具有的一些宏观量子现象，成功地计算出磁场的穿透深度、界面能、小样品的临界磁场等问题。1959年.戈科夫用他自己的关于BCS理论的表述形式，推导出G-L方程，使此方程的正确性进一步得到肯定。G-L 理论中，引入了一个参量=(T)/(T)，称为京茨堡朗道参量；并可以证明；当时，界面能ns是正的（皮帕德型超导体）；当时，ns是负的（伦敦型超导体）。界面能与两类超导体 一般超导体内部磁场为零；但在一定条件下，磁力线也可以进入超导体内部。这种情况下，超导体内部同时存在超导区域和正常区域。在两区域的交界面上，存在附加的界面能。界面能可以大于零也可以小于零，大于零的超导体称为第一类超导体，小于零的称为第二类超导体。当第一类超导体表面某部分（与形状有关）的磁场达到临界磁场HC时，超导体即进入超导与正常区域相间的状态中间态。这些区域的大小具有宏观的尺寸,数量级为10-2cm。对于第二类超导体，由于界面能为负，超导与正常区域同时存在的状态（混合态）的能量更低。而在H>>HC时,超导电性才完全消失。这类超导体的超导与正常区域的尺寸可以小到10-610-7cm。利用某些第二类超导体制成的超导强磁体；目前已得到广泛应用。超导电性的微观理论经典理论对超导电性产生的原因无法解释。在量子论建立不久，F.伦敦就指出，超导环内的磁通是量子化的。因此，超导电性是宏观世界的量子现象。1962年，实验证实磁通是量子化的。1950年H.弗罗利希指出，金属中电子通过交换声子（点阵振动）可以产生吸引作用。同位素效应 实验发现TC-1/2,其中为同位素质量,这也表明导致超导电性的相互作用与金属的点阵振动有关。所谓同位素效应是指超导体的临界温度依赖于同位素质量的现象。同位素效应把晶格振动（其量子称为声子）与电子联系起来了，它告诉人们电子-声子的相互作用与超导电性密切相关。1956年，L.N.库珀从理论上证明了费密面附近的两个电子，只要存在净的吸引作用，不管多么微弱，都可以形成束缚态库珀对。第二年，J.巴丁、库珀和J.R.施里弗建立了完整的超导微观理论（BCS理论）。BCS理论是以电子-声子相互作用为基础解释超导电性的经典理论，它能很好地解释金属元素及金属间化合物的超导电性。BCS理论是以近自由电子模型为基础,是在电子声子作用很弱的前提下建立起来的理论。对于某些超导体，例如汞和铅,有一些现象不能用它来解释。在BCS理论的基础上发展起来的超导强耦合理论，对这些现象能很好地解释（见强耦合超导体）。约瑟夫森效应两超导体之间有一薄绝缘层的结构称为超导的隧道结。当绝缘层的厚度只有几十埃时,B.D.约瑟夫森预言，电子对可以越过绝缘层形成电流，而隧道结两端没有电压，即绝缘层也成了超导体。当电流超过一临界值后，结两端出现电压V,同时电流变成高频交变电流,频率为=（2/）V。外加频率为的电磁波可以与这个电流作用，使隧道结I (V)特性曲线上在处产生一系列跳跃。不仅隧道结具有约瑟夫森效应，弱连接超导体（两超导体之间有某种可以交换电子对的微弱联系的体系）普遍具有这种效应。约瑟夫森效应不仅有重要的理论意义,而且有广泛的应用，超导量子干涉器件(SQUID)就是利用它制作的。曾因在低温物理研究的贡献获1913年物理奖的昂内斯于1913年发现低温超导现象。1957年巴丁、库珀和施里弗提出了第一个成功的超导微观理论，1972年获物理奖。1960年代初，贾埃佛在一系列实验中观察到单电子隧道效应，并利用这种方法准确测量了超导体的能隙，同时约瑟夫森在理论上预言了超导电子对以隧道效应通过超导势垒超导体出现的奇特现象，即“约瑟夫森效应”1963年贝尔实验室从实验上证明了他的预言。他们获1973年物理奖。由此一门新的学科超导电子学创立了，尤其是伴随着根据约瑟夫森效应原理制成的超导量子干涉器件（SQUID）的问世，相应地，超导体的另一大类应用，即弱电（弱磁）应用也拉开了序幕。1986年，柏德诺兹、缪勒在镧钡铜氧的化合物中发现了存在临界转变温度高达30K左右的超导电性。他们因此获1987年物理奖。1993年日本已制成1080米长，临界温度为110K的超导线。迈斯纳效应是对第I类超导体（大部分纯超导元素，具有正界面能）而言的，它对外场产生的排斥力很小，没有实际应用价值。所有实用的超导材料，包括在液氮温度下显示超导电性的氧化物超导体都属于非理想的第II类超导体。用熔融织构生长工艺制备的YBCO超导体就是一种具有强磁通钉扎和高临界电流密度的非理想第II类超导体。这是以钇、钡和铜的氧化物为原料，通过高温下的定向凝固工艺和顶部籽晶技术制备而成，具有单畴形态。通常使用的超导块直径为1830mm，厚度为618mm，临界转变温度约90K，在液氮温度和大约5000高斯外场作用下的最大排斥力（零距离）为714N/cm2。与常规磁铁之间同性相斥，异性相吸的作用不同，超导体与永久磁铁之间的作用与超导体的励磁过程有关。基于超导体和外磁场之间的这种既排斥又相吸的相互作用，不论是超导体还是永久磁铁都可以克服自身重力，悬浮或倒挂在对方的下面。超导应用超导科学技术是当代凝聚态物理学和材料科学最重要的前沿研究领域，作为宏观尺度上的量子物理现象，对其机理的深入探讨和研究，对物理学的发展有特殊地位。超导技术是一门有广泛应用和巨大发展潜力的高技术领域，在能源、信息、交通、科学仪器医疗技术、国防工业等有重要作用。国外产业界预测，今后20年全球超导产业规模可以达到2000亿美元左右。常压超导热水锅炉体积小，重量轻，功率大，尤其是采用了超导传热技术，从而升温速度比普通取暖锅炉快得多，使用无烟煤的锅炉热效率达到80%-90%。同一锅炉，可以烧烟煤，也可以烧无烟煤，在自然通风的条件下，烧二类无烟煤要比烧二类烟煤热功率低15%左右，但热效率却高10%左右。日本利用超导体开发出新型集成电路日本半导体技术研究所最近使用高温超导材料开发出一种新型集成电路，据认为，这种新型集成电路的诞生将使开发更高性能的计算机成为可能。据日本读卖新闻日前报道，这一新型集成电路是由该所科学家田边圭一等开发成功的。研究人员在零下233摄氏度（绝对温度为40度）环境下，把厚度仅为万分之几毫米的钇系高温超导材料薄膜与绝缘体在基板上相互交错，重叠五层，构成电路，以有、无磁性作为“1”和“0”的信号。把该集成电路组装到计算机上进行的实验表明，它所消耗的电力仅为现有计算机的46，而运算处理速度要比现有最新普通计算机快百倍以上。该所认为，如果能把上百块这种集成电路连接在一起，就可以开发出高性能的半导体元器件和光导纤维用信号测定仪器科学家研究出制造铜氧化物超导体的新技术美国和法国科学家最近研究出一种制造铜氧化物超导体的新技术，它将有助于研究铜氧化物的超导机制。超导是指材料在温度降到某一程度以下时电阻变为零的现象，这一温度称为临界温度。铜氧化物的超导性能是1986年首次被发现的，在高温超导研究中备受关注，但现有超导理论还不能很好地解释其超导机制。常规制备铜氧化物超导体的方法是往铜氧化物中掺入杂质元素，以改变内部的电子浓度。在最新出版的英国自然杂志上，美国贝尔实验室和法国巴黎第十二大学的研究人员报告了他们合作研究出的新方法：在铜氧化物单层晶体薄膜上制造一种称为场效应晶体管的电子元件，通过施加电压，就可以往铜氧化物层中掺入电子或空穴，从而使它具有超导能力。 研究人员制备出的掺电子的铜氧化物最高临界温度为绝对温度89度（零下184摄氏度），掺空穴的材料最高为绝对温度34度（零下239摄氏度）。与用化学方法制备的同类超导体相比，这一数字并不算高，但它为研究铜氧化物的超导机制和特性开辟了新路。超导材料很多国家对21世纪的关键技术做了分析，其中作为最有超导材料典型意义的无机非金属新材料，已被公认为将在新世纪加快普及速度 并产生巨大影响。当前国际上超导技术发展迅速，高温超导电性作为 一类有重大发展潜力的应用技术，已经进入实际应用开发与应用基础 性研究相互推动，逐步发展为高技术产业的阶段。各主要国家的政府 与企业界都投入较大力量，竞争十分激烈。在高温超导机理研究、超导物理研究和新材料探索上，国际上已取得深入的重要发展。中国超导研究已先后列入八六三计划和攀登计划，我们的研究水 平一直处于国际前沿。近年来，随着研究工作的不断深入和研究方向 的不断拓展，我国在高温超导材料、超导物性、超导电子器件、强电 应用等方面取得了一系列重要成果。目前科学家们针对超导的研究工 作正在向深度和广度方面开展，一是对高温超导现象的理解，机理的 探讨；二是薄膜、线材、带材制备工艺改进和器件研制；三是进一步探索新材料、新体系，提高临界电流密度。这些表明，超导技术作为 一门学科正渐臻成熟，市场前景极被看好。超导材料在工业方面的应用首先体现在超导滤波器的迅速普及。 随着无线通信、特别是移动电话的发展，频带的有效利用正在成为重 要课题。超导滤波器由于在选择频率方面具有较高的性能而得到广泛 应用。目前，全世界已有近千个地面站采用了这种超导元件。权威科 学家预测，超导滤波器今后的普及速度将会更快。当前在全球范围 内，第一代超导线材铋氧化物线材已达到商业化水平，各国都 在积极研究开发第二代超导线材钇系列线材。其中，包含钇的 YBCO（钇铋铜氧）和包含钕的NBCO（钕铋铜氧）的两种线材，由于有 更好的磁场特性，将来有可能成为超导线材的主流。磁浮力测量装置: 超导磁悬浮力测量装置由超导体、低温容器、移动机构、压力传感器、位移传感器、数据显示仪器和控制系统构成。该装置可以测量超导材料与永久体之间的相互作用力，并可通过记录仪、绘图仪或计算机绘绘制磁浮力与距离的曲线。超导电力科学技术电力系统正面临着一次重大的技术革命，一个新兴的科学学科-超导电力科学正在兴起。超导技术应用于电力系统的研究也取得了长足的进步。超导发电机、超导变压器、超导限流器、超导电缆、超导磁储能系统(SMES)等超导电力装置的实验样机相继试制成功，有的已经达到或接近实用水平。超导电力将是超导与电力两个学科的有机的交叉和结合。超导电力的优良特性.超导电力科学技术的研究课题:关于超导电力系统的理论研究;关于超导电力装置的基础研究;关于超导电力相关学科的基础研究。以超导电力作为发展我国超导科学技术的突破口，既符合我国的国情，又切合超导发展的现实可能。对应策略与展望：超导科学与电力技术相结合，将在传统电力系统的改造、超导技术的实用化和产业化等方面取得重大的突破并有所创新。超导电力的发展，也必将促进超导物理、超导材料、电力电子、低温工程等学科的交叉和融合，使我国的超导科学从理论到应用全面地同步走向世界先进水平。由于许多国家建造新的核电站受阻，开发超导输电则受到各国关注。目前，美日等国都在从事超导输电技术的研究。超导输电技术有两个特点，一是电力传输时可减少能源损失；二是不必设置散热系统。日本住友电气工业公司和东京电力公司正在加紧进行超导输电试验，计划在2005年度实现世界上首先利用超导技术输送电力。届时，输电时的电力损失将比铜缆输电减少一半，从现在的5降到2.5。由于很难人工控制温度降至接近绝对零度时的液态氦，因此一般认为超导输电的实用化很难实现。直到科学家利用液态氮冷却至零下196208摄氏度，使特殊铜氧化物具有超导现象制成电缆，才正式开始了超导输电的实用化研究。但是这种铜氧化物有脆而不易弯曲的缺点，在欧美国家，到目前为止最长仅制造出15米长的超导输电电缆。住友电气工业公司和东京电力公司在铝线中加入了数根特殊铜氧化物细芯，克服了以往铜氧化物不易弯曲的缺点，于2002年7月在世界上首次成功制造出100米长的电缆。同时，日本中部电力公司和古河电气工业公司计划2003年度开始500米长度超导电缆试验。中国已掌握高温超导导线生产关键技术中国第一条300米以上BSCCO高温超导导线日前在北京清华大学应用超导研究中心研制成功。专家指出，这意味着中国在节约能源和超导应用生产技术方面取得了的重要进展。该高温超导导线比不久前中国研制成功的第一根超过百米的导线，不仅在长度、厚度和宽度方面取得进步，更重要的是在质量和稳定性上有很大突破。国家超导专家委员会首席专家甘子钊表示，“研制超过百米高温超导导线技术的不断成熟，预示着中国将尽快在超导技术的应用领域赶上先进国家。”高温超导导线是目前发达国家在电力工业领域采用的最新一代技术。负责这个项目的清华大学应用超导研究中心主任韩征和称，中国是继丹麦、英、日、德之后第五个掌握此项技术的国家。韩征和说，这根超导导线由于使用了银合金，导线的机械强度比纯银的高很多，而且线条均匀，没有常见的气泡现象，重复生产能力很强。它的研制成功，为中国未来在短时间里实现高温超导技术产业化打下了良好基础。这根导线是由一根粗细如成人食指、不到3米长的银色包线套，经过近百道工序，抻拉然后挤压成的像挂面一般的均匀细线。它340米长，宽度和厚度分别为3.43和0.15毫米，可以在零下169摄氏度通过25安培电流。清华大学副校长龚克表示，该中心将进一步提高导线各方面性能，促进中国高温超导导线的规模生产和应用，以此带动清华相关学科的建设并成为培养高温超导技术的人才基地。清华大学应用超导研究中心成立于2000年6月，学校投入1000万元人民币建成四百平方米的实验室。由于超导材料具有无电阻、通过电流密度高的特点，应用高温超导线材的产品不仅可以显著改善性能，而且可以大大降低用户的使用成本。韩征和介绍说，“在同样直径的情况下，高温超导电缆比一般电缆输电能力高三至五倍，功率损耗仅为常规电缆的3040。”中国近年来在高温超导电力应用研究方面取得长足发展。1998年中国科学院电工所成功研制1米长、1000安培的高温超导模型电缆，2000年完成了6米长、2000安培高温超导电缆的研制。2000年11月，中国第一根百米长的BSCCO高温超导导线研制成功。据悉，高温超导线材在欧美已经进入产业化阶段。超导线材已经用广泛应用于研究开发新一代变压器、电缆、电机、磁分离装置、磁悬浮列车、扫雷、电磁炮等。2000年，世界年产量已达到2000公里，一两年内世界范围内对高温超导线材的需求将达到上万公里。据世界银行估计，到2010年该市场的总价值将超过1000亿美元。中国由于能源分布不均衡，高电压、长距离的电力输送日趋增加，这使系统的稳定性问题变得十分突出。同时，随着城市化进程的加快，常规的电力技术也难以解决大城市高密度送电问题。据华中理工大学超导电力科研与发展中心提供的一份报告，目前，中国输配电系统的网络损耗高达8.5，到2010年，按预测的装机容量，中国在输配电网上将损失二到三个三峡电站所发出的电能。BiSrCaCuO （BSCCO）系列的线材已经率先进入了工业化生产应用阶段。自高温超导材料被发现以来已有14年了，在此期间大量的人力和物力被投入了这一领域的研究开发之中，形成了大批有价值的成果。不过，到目前为止，能适合于大规模应用的、已经商品化的只是BSCCO系列的线材。现在，BSCCO系列的线材的年产量已达1千公里左右，多数用来制作电力电工设备的样机，例如电机，电缆，变压器，储能器，限流器 和各种磁体。一旦其中一些样机实验成功，将为BSCCO系列的线材提供相当大的市场。更重要的是 BSCCO 系列 线材的商品化将会导致全新的应用领域的开发。因此，目前西方各国及主要电力电器公司对BSCCO线材及其应用都有很大的投入。高温超导材料强电应用要求在液氮温度条件下具有高临界电流密度Jc(77K, H)，1987年发现的Bi系高温超导氧化物比Y系具有更显著的层状结构，1989年Ag套管填充Bi系高温超导氧化物Bi2212相和Bi2223相法获得了高临界电流密度的带材样品。世界各地的工业都迅速认识到了这种现象的巨大的技术潜力，对此领域投入了大量的人力和物力，形成了大批有价值的成果。近年来已有千米量级长带的超导电性研究报道和产品介绍，多数用来制作电力电工设备的样机。目前为止，Bi高温超导线材的制备工艺最成功的方法是Ag套管填充氧化物粉末法，简称OPIT 法（或简称为PIT法）。超导材料要被冷却到一定温度下才能体现超导行为，这一转变的温度被称为临界温度(Tc)，是衡量超导性能的重要指标之一。Bi-2223的Tc值约为110K，在液氮温度以上(Tc>77K)，这样就为大规模应用提供了不可缺少的前提。高温超导导线的另一项最重要的性能就是其临界电流密度，一根超导导线所能通过的电流不是无限的。一旦电流大于某一临界值，该导线会失去超导性而出现电阻。这一临界值称为该导线的临界电流(Ic)。为了便于比较，用临界电流除以导线中超导材料的横截面积A1得到临界电流密度Jc，即Jc=Ic/A1。若用临界电流密度除以整个导线的横界面积A0则得到工程电流密度（Je），即JeIc/A0。这里可以看出，一 种导线的临界电流密度越高，能通过电流的能力就越大。这样用其制成的超导器件的体积也就越小。超导材料的Jc与温度和磁场强度有关。在77K零外磁场条件下，目前BSCCO 导线实验室短样的Jc为7万安培/平方厘米左右。而工业生产的长于1千米的导线的Jc的最高记录为2万安培/平方厘米左右。超过100m长的BSCCO导线的Je值的最高记录为1.6万安培/平方厘米。新型超导体二硼化镁今年1月，日本科学家宣布发现了新型超导体二硼化镁，临界转变温度达90K。作为继铜氧化物超导体和碳60等传统超导体之后发现的具有较高超导转变温度的超导材料，这一发现迅速在国际上引起强烈反响，各国不少实验室迅速对这种超导体开展跟踪研究。二硼化镁是一种金属间化合物，只有两种元素组合，体系简单，接近于合金，和传统超导体比，易于加工，电导率高，用起来方便，应用前景较好。获悉这一消息后，以中国科学院物理所靳常青研究员为课题组长的小组迅速展开相关研究。科学家利用高温高压的方法，事成出密度较高的二硼化镁超导体，这种专状超导体具有类似金属的光泽和正常状态下的导电率，超导转变温度达到39K甚至高于39K。镁的熔点较低，加热极容易挥发和氧化，这为常规合成带来一定困难。值得一提的是，科学家采用了独特的合成方法，利用高压法将样品密封于高压腔体中，既可防止与空气接触氧化，又可以避免加热反应时镁的挥发，显著提高了样品的密度，同时大大缩短了反应时间。研究出的样品质量很好，纯度很高。由于结晶状态很好，晶粒很均匀，导通性很好，估计室温下电导率类似于典型金属。2001年1月10日，日本青山学院大学教授秋光纯宣布，他的研究小组发现金属间化合物二硼化镁具有超导电性，超导转变温度高达39K。消息传来，全世界凝聚态物理学界为之兴奋。二硼化镁结构简单，易于制作和加工，有着广阔的应用前景。3个月来，世界各国的研究人员使用各种现代化的研究手段，对二硼化镁超导体的物理性质进行了重点研究，研究论文大量涌现，目前已达100多篇。3月12日，在美国西雅图市召开了关于二硼化镁超导电性的国际研讨会，中、美、日等13个国家的数百名科学家出席了研讨会，会上共宣读论文76篇。本文将从3个方面综述近3个月来二硼化镁超导电性研究的主要进展。一、二硼化镁超导体的主要物理性质。二硼化镁（MgB2）的结构属六方晶系，在两个硼原子层之间有一个镁原子层。研究表明，二硼化镁的超导电性源于硼原子层。科学家们采用“掺杂”的方法,在MgB2的基础上寻找具有更高临界温度的超导体。通常有两种掺杂的方法：一种是电子掺杂，MgB2-yXy，X=Be,C,N,O,即用Be,C,N,O等元素部分替代MgB2中的B元素，目前为止尚未发现电子掺杂具有提高临界温度的作用；另一种是空穴掺杂， Mg1-xMxB2，M=Al，Be，Ca，Cu，Li，Na，Zn，即用Al，Be，Ca，Cu，Li，Na，Zn等元素部分替代Mg元素。我国科学家发现掺有20铜元素的二硼化镁（Mg0.8Cu0.2B2）具有超导电性，其超导转变起始温度为49K，零电阻温度为45.6K，是目前二硼化镁新型超导体中临界温度最高的。Mg0.8Cu0.2B2主要是MgB2和Cu2Mg的混合物，其晶体结构仍然是六方晶体系，与MgB2相比六方晶格在a轴和c轴方向都略有缩短。对于传统的合金超导体，非磁性杂质常常具有提高临界温度的作用。我国科学家的发现表明，非磁性杂质Cu2Mg在提高二硼化镁超导体临界温度方面的作用显著。另一方面，美国科学家根据BCS理论估算出二硼化镁新型超导体的临界温度可达70K。热力学参量的测量表明，二硼化镁是典型的第类超导体，其下临界磁场为300 Oe，上临界磁场为12.5×104 Oe。第类超导体内部充满了量子化的磁通，除非以某种方式将磁通钉扎，否则当超导电流流动时会产生能量耗损。不同研究小组的高压实验结果表明，二硼化镁的临界温度随压力的增加而减小。理论计算结果也证明了这一点。各国的研究小组采用各种先进手段，如：扫描隧道光谱，高分辨率光电子谱等，测量了不同温度下的能隙值，结果大致与BCS理论相符。二、二硼化镁超导电性的特征二硼化镁超导体的发现提出了两个问题。一是关于其超导机制的，即二硼化镁是以声子为媒介的BCS超导体，还是更奇特的其他类型的超导体。这个问题在某种意义上讲已经有了答案。硼同位素效应的实验结果表明，二硼化镁是以声子为媒介的BCS超导体，其超导电性源于硼原子的声子谱。能带结构的理论计算证实了这一点。还有许多其他的实验结果也支持这个结论，例如，临界温度随压力增加而减小的实验结果表明，声子贡献起主导作用；用各种不同方法测量了低温下的能隙值，结果基本与BCS理论相一致。二是对实际应用来说至关重要的问题，即当存在外磁场时，二硼化镁是否能承载很大的超导电流。对于氧化物高温超导体，尽管其临界温度很高，但是由于多晶样品中跨晶界弱连接的缘故，限制了其承载超导电流的能力。与此相对照，对多晶二硼化镁超导体详细的实验结果表明，在二硼化镁中超导电流密度较高，晶界对超导电流是“透明的”，即超导电流不受晶界连通性的限制。然而，对二硼化镁超导体，超导电流密度随外磁场的增加迅速减小，这表明随着磁场的增加，磁通钉扎能变弱。因此，从实用观点讲，提高二硼化镁的磁通钉扎能力至关重要。三、发现二硼化镁超导电性的意义迄今为止，二硼化镁的超导转变了温度是简单金属间化合物中最高的。尽管在1960-1970年代，金属间化合物曾是许多“高温”超导材料的源泉，人们对金属硼化物的超导电性也进行了广泛而深入的研究，但是二硼化镁不在其中。因此，直至1986年发现氧化物高温超导体，人们一直不相信存在临界温度高于30K的化合物超导体。直到最近，大多数科学家还相信，在传统的BCS理论中不可能存在临界温度高于30K的稳定化合物。二硼化镁超导体的发现改变了这一状况，它迫使人们重新考虑，在BCS理论的框架内是否存在更高临界温度的超导体。但是，二硼化镁究竟能在多大程度上改变今后超导研究的方向，还取决于它是否代表一类新的高温超导体。目前，氧化物高温超导体的临界温度已达160K左右，是二硼化镁超导体的4倍。那么，是什么使科学家们对发现二硼化镁超导电性感到如此兴奋呢？原因有三： 与氧化物高温超导体不同，二硼化镁是常规超导体，其超导机制可以用BCS理论解释。目前，二硼化镁是这类超导体中临界温度最高的。 构成氧化物高温超导体的化学元素昂贵，合成的超导材料脆性大，难以加工成线材，而硼元素和镁元素的价格低廉，并容易制成线材。美国依阿华大学的研究小组已合成出二硼化镁细线，其特点是高密度，低电阻率。 氧化物高温超导体是由氧元素和两种以上金属元素组成的复杂化合物，自发现以来，人们就放弃了在简单化合物中寻找具有较高临界温度超导体的想法，忽略了对金属间化合物的研究。二硼化镁超导体的发现，使冷落了近30年的简单化合物超导体研究升温。科学家们相信，具有更高临界温度的简单化合物超导体最终将会被发现。四、二硼化镁超导电性研究的现状目前，世界许多国家的实验室都在开展二硼化镁新型超导体的研究工作，各种实验及理论分析结果不断涌现。但是，从整体上看，研究工作尚处于初级阶段，有待解决的问题还很多。根据笔者掌握的情况，目前为止二硼化镁超导研究热有以下几个特点： 美国占有绝对的优势。从3个月来发表的文章看，有一半左右出自美国人，他们的研究范围涉及了从实验、计算到理论的各个方面。这一点是其他任何一个国家这都无法比拟的。 海外华人学者贡献卓越。从3个月来发表的100多篇文章的署名看，有相当一部分是华人学者与所在国家的研究人员共同完成的。 一些小国表现突出。例如，韩国在紧跟前沿方面就很出色，研究的范围也很广，充分展现了它的基础研究实力。超导国家重点实验室近期的主要研究内容为：1. 研究氧化物超导材料，特别是钇系和铋系及其他空穴型、电子型系列氧化物超导材料的晶体结构、平衡相图、相形成的动力学过程。研究材料中的杂质、缺陷和各类非均匀性的特征与形成过程。研究材料的微结构以及它们与材料的超导电性的关系。 2. 研究氧化物超导体的第II类超导电性。侧重研究磁通钉扎、磁通运动、临界电流、交流损耗等的 物理机理，探索进一步提高氧化物超导体的无阻载流能力与实用化成材的途径。 3. 围绕发展高温超导电子器件，研究高温超导薄膜的制膜工艺与微加工工艺，探索可控边界结、SIS结、SNS结、氧化物超导体多层结构等的工艺途径。 4. 开展超导电子器件的应用基础研究。研究高温超导薄膜的结构和物理特性。研究氧化物超导体的弱连接超导物理和隧道现象。 5. 发展制备高质量氧化物超导材料单相样品与单晶样品的技术，开展氧化物超导体正常态与超导态的物理性质的研究。 6. 继续探索新的高温超导材料。研究高温超导材料的结构化学特征。 7. 氧化物超导体的微观机理的研究。 8. 高温超导体和其他钙钛矿结构材料的异质结的研究。 9. 发展和建立适合高温超导研究的超导参数测试装置，并建立统一测试标准。