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IBM百年回顾:高温超导体

  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

  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,并建立全国优异个可再生能源市场中枢。

  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

  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

  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。

  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。”

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