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2017-5-14 05:54 科学网 罗会仟博客 （收藏有删减） 超导“小时代”(19)：二师兄的紧箍咒 二硼化镁(MgB2)并不是什么“新材料”，早在1954年就被化学家合成并测定结构了，然而直到2001年从未有人试图测量过MgB2的低温磁化率或电阻率。 称MgB2是“漏网之鱼”不无道理。超导材料学家们在玩转单质金属和A15结构金属化合物之后，就转战各种轻元素超导体，其中硼化物超导体也发现了一大堆（如Tc=23K的YPd2B2C）。当1986年铜氧化物高温超导材料被发现，给轻元素超导的研究带来了巨大冲击，大家乐此不疲地在铜氧化物中寻找更高Tc的材料，不少人似乎遗忘了轻元素超导体的存在。日本青山学院秋光纯教授却不为所动，坚持在简单金属化合物中寻找超导电性。2001年3月，他的研究组发现MgB2超导（Tc=39K）的论文发表在了《Nature》期刊上。
图1：二硼化镁材料、结构及超导电性 MgB2粉末黑乎乎一团,属于二元化合物，化学结构很简单，具有两层六边形的Mg，夹着一层六边形的B。它的超导转变极其陡峭，即使是粉末样品，也几乎从39K降温就突然出现了零电阻和抗磁性，显示出神秘莫测的魅力(图１)。
MgB2被称为“二师兄”，它的费米面相对有些复杂，包括二维性很强的桶状σ带费米面和三维性的扁平状π带费米面(图2)。测量MgB2的超导能隙分布也能发现两组数值一大一小。也就是说，MgB2的超导电性实际上是由两部分组成，属于“多带(两带)超导体”。
图3：多种形态的二硼化镁电力缆 MgB2的重要性在于它的应用价值。铜氧化物高温超导材料的临界温度虽高，但因其天生脆弱易碎，需要包裹70%左右的银来保证其韧性，加上较贵的稀土元素，其超导电缆或线圈的成本很高。MgB2的价格相对低廉，这意味着规模化市场应用极有可能。相对于Nb3Sn和NiTi，MgB2的临界温度要高不少；相对铜氧化物，MgB2的各向异性度要弱、相干长度要长、晶粒对电流影响小；相对于有机超导材料，MgB2的化学结构更加简单且稳定、制备方法更容易产业化。MgB2的强电应用一般不需要制备高质量的单晶或薄膜，直接使用粉末多晶样品，通过粉末套管技术就可以轻松做出千米量级的MgB2多芯电缆(图3)。
图4：二硼化镁薄膜 MgB2的弱电应用在于高质量薄膜的制备。一般薄膜样品必须在一定基底上生长（称之为薄膜衬底），可以用来做MgB2薄膜的衬底有很多种，如Al2O3，SrTiO3，Si，SiC，MgO，甚至不锈钢都可以，制备薄膜的工艺也多种多样，如镁扩散、共沉积、脉冲激光沉积、磁控溅射等。其中临界温度最高的是Al2O3衬底上的镁扩散法制备的薄膜(图4)。美国天普大学、宾州州立大学、北京大学等多家科研机构在MgB2薄膜方面都有“独门绝技”。
MgB2应用的关键仍然在于如何提高其临界温度Tc、上临界场Hc2、临界电流密度Ic等三个重要参数。提高Ic的常用办法是把材料放在氧气氛中进行合金化处理，或者经过高能粒子(电子、质子、中子等)辐照，人为在材料内部造成缺陷，以提供量子磁通的钉扎点。但这些方法同时也会造成Tc和Hc2的下降。糟糕的话，线材的Hc2仅有2.5T；较好的时候，薄膜的Hc2可以达到30T以上，个别技术甚至可以提升至60T。这些数值指的是在零温极限下，如果在通常20K(制冷机工作温度)环境下，上临界场往往低于10T(图5)。最令人郁闷的是，MgB2的临界温度似乎无法提高，科学家们采用施加高压的办法发现Tc总是随压力增加而下降，采用Zn、Si、Li、Ni、Fe、Al、C、Co、Mn等各种元素替代，结果依然令人失望—掺杂浓度越高，Tc就越低(图5)。换言之，MgB2的Tc似乎无法超越40K，麦克米兰预言像紧箍咒套牢了“二师兄”超导体，至今仍未摘除。 经过科学家们的无数次验证，终于普遍认为MgB2属于常规超导体，其超导机理仍然来自于电子-声子耦合产生的库伯电子对凝聚。问题是：为何MgB2能比其它常规金属或合金的临界温度要高出许多(Tc仅次于MgB2的常规超导体是Cs3C60，Tc=38K，常规超导合金Nb3Sn的Tc只有23.2K)？也许这需要从“二师兄”的“二”里面寻找答案，因为MgB2是两带超导体，两个电子能带之间的相互作用同样对超导电性至关重要。“二师兄”启示人们，寻找新超导材料的另一方向是具有多个能带共同参与超导，这或许对提高Tc有所帮助。 |
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