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超导体的应用有哪些？
自从荷兰科学家海伊克?凯米林?昂纳斯于1911年首次发现超导现象以来,科学家们对低温超导体和高温超导体的研究已取得了辉煌的成就。超导体主要有两个基本特性,即:①零电阻性或完全导电性;②完全抗磁性。因此,它在科研、生产的各个领域都有着广泛的应用。总体来说可分为两大类:一类是用于强电,用超导体制成大尺度的超导器件,如超导磁铁、电机、电缆等,用于发电、输电、贮能和交通运输等方面。另一类是用于弱电,用超导体制成小尺度的器件,如超导量子干涉器件(简称SQVID)和制成计算机的逻辑元件,用于精密仪器仪表、计算机等方面。
1.超导发电
超导体对人类社会影响最大的将是提供更多的电力,超导用于发电的装置目前有磁流体发电、超导电机发电、热核聚变发电三种。
滋流体发电是一种高效、低污染、单机容量大、直接将热能转变为电能的一种新型的发电方式。普通火力发电需把热能转化为机械能再转化为电能,效率最高只有33一36%。磁流体发电是让煤(石油、天然气)加氧化剂、添加剂燃烧产生的等离子体高速通过磁场,使热能直接转化为电能,磁流体一蒸汽联合循环发电装置最高效率达到55%,而且可自动脱硫,污染小.但这种发电方式目前遇到的困难是当磁感应强度在1.5特以上时,磁流体的铁芯逐渐处于磁饱和,磁场强度很难再提高。于是人们就想到超导体,如果利用超导磁体,那么就很容易在较大体积内产生强度为几十特的磁场,且消耗的励磁功率很小,它具有性能良好,质量小等优点。例如,磁感应强度可达4一5特的超导磁体,质量只有300一500克,而要产生同样磁场强度的磁体质量却有15一20吨。目前,美国、前苏联、日本都建有这种超导磁流体发电机。
超导发电机发电是利用超导体制造发电机磁极绕组,不仅可大大增加发电机的极限输出容量,而且效率高,体积小,质量小,可节约大量电能和金属材料。常规的两极发电机的极限输出在现今条件下只能达到1.5×109瓦,但超导发电机则可达3×1010瓦,甚至更大。一台6×106瓦的电动机,常规质量为370×103千克,采用超导体材料仅重40×103千克;又如目前已建成的一台5×106瓦超导交流发电机,其功耗比普通电机减少三分之二,体积缩小百分之八十以上。因此有人估计,超导体可以把发电成本降低60%,可以把经电缆输电的成本降低10%,这些优点使得它特别适宜于建造高效率的大型发电站、移动电源及做为太空飞船的动力设备。
超导体还可帮助科学家建立核聚变发电系统,这种发电系统是以氢做燃料的,其反应温度与太阳的温度一样高。从理论上讲这种能源是取之不尽的,在实践上,关键问题是如何生成足够强大的磁场来控制剧烈的热核反应,超导材料将能够解决这个问题。
拓扑分类：一维定域磁群下的新型拓扑超导态 | NSR
拓扑超导是一类新的拓扑量子物态,其体态是有能隙的超导态,而边界上则存在无能隙的马约拉纳零能模。零维马约拉纳零能模具有非定域关联和非阿贝尔统计性质,可以对其进行编织操作,进而实现拓扑量子计算。因此近十年来,拓扑超导态的研究逐渐成为凝聚态物理的重要研究方向。
不同的对称群可以保护不同的拓扑物态,因此在各种对称群下对拓扑物态进行分类是发现新型拓扑物态的重要一步。最近
华中 科技 大学
研究团队(邹金雨博士、谢庆博士和徐刚教授)和
普林斯顿大学
宋志达博士在《国家科学评论》( National Science Review ,NSR) 发表研究论文,
提出了通过具有不同手征对称性本征值的马约拉纳零能模的相容性,来进行拓扑分类的新思路,并对一维定域磁群保护的超导量子线进行了系统研究,发现了新奇的拓扑超导态,以及局域在端点的马约拉纳零能模。
受定域磁群保护的一维超导线的拓扑分类
如上表所示,一维磁群独有的不改变格点位置的磁操作包括MxT、C2T、C4T、C6T。结合超导体系固有的粒子-空穴对称性P,可以给出手征对称性S。量子线端点的马约拉纳零能模也是手征对称性的本征态。通过判断零能模之间的相容关系,可以给出拓扑态的类型。
徐刚等发现:
在此基础上,作者构建了满足C4T的最小一维拓扑超导模型,计算其拓扑不变量,并数值和解析分析了其马约拉纳零能模。
(a)C4T不变的超导线。胞内同自旋耦合远大于自旋轨道耦合,因而一个元胞内四个态劈裂为反对称的简并态和对称简并态。为简单计,仅讨论反对称简并态。(b) 拓扑超导相图。(c) 拓扑超导态开边界时能谱,其中有四个马约拉纳零能模。
这类新奇的拓扑超导态拓宽了人们对拓扑超导的认识,为马约拉纳零能模的实现、奇异拓扑约瑟夫森效应等研究提供了新的思路。
该研究结果不仅丰富了一维拓扑超导态,还可通过铺陈、堆叠等方式构造二维及三维奇异拓扑超导体,实现无能隙的马约拉纳边界态或表面态。
最后,作者还讨论了在棋盘状反铁磁铁基超体中实现helical Z拓扑超导的可能性。
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陈根：特殊超导体，有助于量子计算机运行
文/陈根
量子位(qubits)是量子计算机的基本单元,由单个离子(带电原子)实现,
在特殊的半导体电路、超导体或其他系统中,对外部干扰或噪音十分敏感。
另外,用于构建量子计算机的量子位越多,它就越脆弱,越容易出错。这种对外部干扰或噪声的脆弱性往往会消除量子计算机具有的潜在能力。
近日,由肯特大学和STFC卢瑟福-阿普尔顿实验室领导的研究,发现了一种新的稀有拓扑超导体--LaPt3P。这一发现可能对量子计算机的未来运行具有重大意义。
超导体又称为超导材料(superconductor),在特定温度下,其电阻为零,且具有完全的抗磁性。拓扑超导态是物质的一种新状态,有别于传统的超导体,拓扑超导体的表面存在厚度约1纳米的受拓扑保护的无能隙的金属态,内部则是超导体。如果把一个拓扑超导体一分为二,新的表面又自然出现一层厚度约1纳米的受拓扑保护的金属态。
研究发现,拓扑超导材料在磁场下的涡旋中心会产生马约拉纳费米子。由于马约拉纳费米子的反粒子就是它本身,其状态非常稳定,不易被传统的电磁或物理干扰破坏,可以被用于定义量子计算中的量子比特。
而量子比特具有相干性,其电子向右自旋和正电子向左自旋的状态相关联。和传统计算机不同,量子计算机的运算时间由于量子比特间的相干性的存在而有限制,经过一定的时间后,量子比特间一旦遇到外界实体的观测,会失去相干性,量子相干性衰减即为“退相干”,如果退相干时间不够长,就无法完成计算。
为了发挥量子计算的优势,硬件上需要保证量子比特的相干性,拓扑超导材料有助于解决传统量子比特的退相干问题,提高其存活时间
,对于量子计算机领域的重要性不言而喻。
新发现的拓扑超导体LaPt3P,在量子计算领域具有巨大的潜力。发现这样一种罕见的、重要的成分,对于未来量子计算机的建造极具意义。
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