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Wed, January 17th, 2018

2011年2月CMDM电子快讯 » 技术新知
理解超导性能

By: P. Steffens, Institut Laue-Langevin, Grenoble, France

高温超导方面的研究将可能带来更便宜的核磁共振成像扫描仪


核磁共振成像的权衡
超导可以允许某些材料不受任何阻力导电,可使电能传输不受任何损失,这一现象已经被发现100多年以来了。超导对核磁共振成像扫描仪操作是至关重要的,但是尽管经过几十年的研究,维护超导磁体来运行先进的成像设备仍然使医院资源承受巨大压力。

这是因为核磁共振成像扫描仪采用低温超导铌合金制成,以生成强大的1至2T级磁场,将在体内自旋的氢原子排列好。这些都必须在约5K(-2680℃)的“临界温度”保存,这就需要昂贵的液氦冷却。维护这些磁铁使核磁共振成像(MRI)机器的成本高达数百万欧元,限制了它们在那些资金紧张的健康机构使用。

作为回应,制造商们开发出成本更低,低磁场强度(0.2 T和更低)磁共振成像扫描仪。节省的成本大部分来自使用电磁铁,而非超导磁铁。然而,较低的场强造成图像质量较差、扫描时间更长。

1986年,随着高达138 K (-135C)铜氧化物超导体的发现,人们有希望获得更便于使用、更实惠的超导体。这些温度可以通过使用液氮冷却达到。由于氮资源比氦资源丰富,整个过程的成本较低。由于有潜力达到更高的温度,从而为行业带来重大节约,增强了人们对于超导的学术兴趣。

伪差距阶段
尽管在高温超导研究领域虽然已近有相当大的进展,对推动超导机制的理解仍然难以捉摸,这也阻碍了其商业应用。

位于法国格勒诺布尔的劳厄-朗之万研究所 (ILL)是全球著名的中子科学研究中心。由莱昂布里渊(法国)研究所和明尼苏达大学(美国)国际研究小组的成员使用中子光谱仪,在试验中证实,高温下超导转变之前的确存在这种不寻常的磁场激发。

在过渡状态铜氧化物超导体中发现的磁激发现象,被称为伪差距阶段。在此阶段,材料显示出与正常金属的行为相差异的特性。对这种状态的理解被视为理解超导电性的关键。

几个理论模型已经被用于描述伪差距阶段。其中之一,由C. M. Varma (Riverside)教授在1997年提出,超导状态出现从微观自发形成电流回路,从而创造微观磁矩。微差距阶段是由于这些电流回路的出现而造成的。劳厄-朗之万研究所团队首次观察到铜氧化物高温超导特性与这些微小电流回路是一致的。

劳厄-朗之万研究所(ILL)在《自然》杂志上发表的研究结果使我们进一步了解在某些铜氧化物中发现的高临界温度超导性能,以及这种现象最初是如何产生的 。

设计更好的核磁共振成像(MRI)
有了更准确的理论模型,未来的设计工作将更有可能发现理想的超导体—可以具备低生产成本、正确的机械性能并且满足临界温度的要求。放眼未来,我们甚至可以希望拥有在室温环境下用于磁共振设备上的超导磁铁,彻底无需冷却和降低扫描仪的大小和运行成本。

尽管我们还要做出努力,专业和学术领域对这一问题的不断关注意味着我们可以期望在这个领域获得进展。研究人员也努力是高温超导的应用更便捷、成本更低。而第一步就是要更充分地理解这一现象。

从被发现的100年间,来自不同行业的设计人员和技术人员都显示了对超导性能商业应用的兴趣。磁共振扫描仪式迄今为止最成功的应用,在这一领域尚存需要克服的挑战。 劳厄-朗之万研究所进行的世界级研究将帮助克服这些挑战,同时也为全面了解超导体、发掘其真正潜力提供了最佳可能。

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