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标  题: 超导研究的新热点：二硼化镁(1)(转载)
发信站: 哈工大紫丁香 (Sun May 11 14:46:34 2003) , 转信

超导研究的新热点：二硼化镁



张惠群 陈颖健

    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，易于制备和加工，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，对二硼化镁的超导体物理性质进行了重点研究，目前

已发表的研究论文达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

。本文就二硼化镁超导电性研究的主要进展情况作如下介绍。

    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MgB

    2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，M
g
1－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（Mg0．8Cu0．2B

    2）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Cu

    2

    Mg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

    Mg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Ⅱ类超导体，其下临界磁场为300Oe，上

临界磁场为12．5×104Oe。第Ⅱ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，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

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

。

    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～
1
970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，

科学家为什么对发现二硼化镁超导电性感到如此兴奋呢？原因有三：1、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。2、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。3、氧化物高温超导体

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。3、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。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：

    1、美国占有绝对的优势。从3个月来发表的论文看，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都无

法比拟的。

    2、海外华人科学家有突出贡献。从3个月来发表的100多篇论文看，有相当一部分是华

人科学家与所在国家的研究人员共同完成的。

    3、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。

    名词注解：同位素效应和BCS理论

    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，它告诉人们电子—声子的相互作用与超导电性

密切相关。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。



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