上游充通大￥ 上游充通大粤 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 纳米技术在超导信息传输领域的 应用 《走进纳米科学》结课报告 9ANGHAILAO TONG 1896 报告人：王宇雷 学院：材料科学与工程 学号：5120519128 签名 2013年05月26日
SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 纳米技术在超导信息传输领域的 应用 《走进纳米科学》结课报告 报告人：王宇雷 学院：材料科学与工程 学号：5120519128 签名_________ 2013 年 05 月 26 日
上游充通大￥ 目录 第一章背景介绍 1.1.超导体简介…3 1.2.超导体发展现状…3 1.3.超导体应用… 1.4.纳米科学简介… ……5 第二章用于信息传输的纳米超导线 2.1.思路概述… ……5 2.2.理想形态 ……6 2.3.优势分析… 第三章可行性分析 3.1.超导体能否实现纳米……8 3.2.纳米超导线能否实现信息大量传输…8 3.3.纳米尺度是否会带来其他影响…8 第四章参考文献 IAO TONG UN 第一章背景介绍
目录 第一章 背景介绍 1.1. 超导体简介………………………………3 1.2. 超导体发展现状…………………………3 1.3. 超导体应用………………………………4 1.4. 纳米科学简介……………………………5 第二章 用于信息传输的纳米超导线 2.1. 思路概述…………………………………5 2.2. 理想形态…………………………………6 2.3. 优势分析…………………………………7 第三章 可行性分析 3.1. 超导体能否实现纳米……………………8 3.2. 纳米超导线能否实现信息大量传输……8 3.3. 纳米尺度是否会带来其他影响…………8 第四章 参考文献 第一章 背景介绍
上游充通大学 1.1. 超导体简介 1.1.1.超导现象简介 超导现象是指材料在低于某一温度时，电阻变为零的现象，而这一温度称为超导转变温 度(T:)。超导现象的特征是零电阻和完全抗磁性。 1911年春，荷兰物理学家海克·卡末林·昂内斯在用液氦将汞的温度降到4.15K时， 发现汞的电阻降为零。他把这种现象称为超导性。后来昂内斯和其他科学家陆续发现其他一 些金属也是超导体。昂内斯因为这项重大发现而获得1913年的诺贝尔物理学奖。 1933年，德国物理学家迈斯纳发现了超导体的完全抗磁性，即当超导体处于超导状态 时，超导体内部磁场为零，对磁场完全排斥，即迈斯纳效应。但当外部磁场大于临界值时， 超导性被破坏。 1952年，科学家发现了合金超导体硅化钒。1986年1月，德国科学家约翰内斯·贝德 诺尔茨和瑞士科学家卡尔·米勒发现陶瓷性金属氧化物可以作为超导体，从而获得了1987 年诺贝尔物理学奖。1987年，美国华裔科学家朱经武与台湾物理学家吴茂昆以及中国内地 科学家赵忠贤相继在钇-钡铜氧系材料上把临界超导温度提高到90水以上，液氮的“温度壁 垒”(77K)也被突破了。1987年底，铊钡-钙-铜-氧系材料又把临界超导温度的记录提高到 125K。从1986年一1987年的短短一年多的时间里，临界超导温度提高了近100K。大约1993 年，铊-汞铜-钡钙-氧系材料又把临界超导温度的记录提高到138K。 2008年二月初，Hideo Hosono教授的团队再度发表铁基层状材料La[o1-xFx]FeAs(x=0.05 ,0.12)在绝对温度26K时存在超导性，从此研究铁基超导体便在世界上形成一股热潮。 1.2.超导体发展现状 目前研究的比较多的几种超导体分别是稀士钡铜氧，铁基超导体，硼化镁以及一些新型 的有机超导体（如富勒烯和碳纳米管）。世界各地的课题组目前的工作集中在两个方面，一 是寻找到更高的临界转变温度，二是解释高温超导的机理，具体地说，做的工作有提升已发 现的超导体的临界转变温度，还有发现新的超导体材料。 此外，超导体的研究也分不同尺度，主要有粉末，块体，线材和薄膜方向。不同尺度的 研究通常是针对不同领域的不同应用。 下面简单介绍几种目前研究的比较多的超导体。根查阅的文献，在准静水压力下，高温 超导体最高的临界转变温度已经达到164K四，离干冰升华点195K仅差31K。如果T:能提升 到干冰升华点，无疑高温超导体的应用将会开阔起来。 Te 材料 种类 195 干冰升华点 164 HgBa2Cam-iCumO2m+2+8(m=1,2,and 3) (Under quasi-hydrostatic pressure) 138 Hg12Tl3Ba3oCa3oCu45O127 REBCO(稀土钡铜氧) 110 BizSr2CazCu3010 92 YBa2Cu3O7 77 液氮沸点 43 SmFeAs(O,F) 铁基超导体 41 CeFeAs(O,F) 40 MgB2 二硼化镁 20 液氢沸点 18 NbSn 金属低温超导体 4.2 Hg 以下几种都是目前研究较多，同时仍然很有科研潜力的超导材料
1.1. 超导体简介 1.1.1. 超导现象简介 超导现象是指材料在低于某一温度时，电阻变为零的现象，而这一温度称为超导转变温 度（Tc）。超导现象的特征是零电阻和完全抗磁性。 1911 年春，荷兰物理学家海克·卡末林·昂内斯在用液氦将汞的温度降到 4.15 K 时， 发现汞的电阻降为零。他把这种现象称为超导性。后来昂内斯和其他科学家陆续发现其他一 些金属也是超导体。昂内斯因为这项重大发现而获得 1913 年的诺贝尔物理学奖。 1933 年，德国物理学家迈斯纳发现了超导体的完全抗磁性，即当超导体处于超导状态 时，超导体内部磁场为零，对磁场完全排斥，即迈斯纳效应。但当外部磁场大于临界值时， 超导性被破坏。 1952 年，科学家发现了合金超导体硅化钒。1986 年 1 月，德国科学家约翰内斯·贝德 诺尔茨和瑞士科学家卡尔·米勒发现陶瓷性金属氧化物可以作为超导体，从而获得了 1987 年诺贝尔物理学奖。1987 年，美国华裔科学家朱经武与台湾物理学家吴茂昆以及中国内地 科学家赵忠贤相继在钇-钡-铜-氧系材料上把临界超导温度提高到 90K 以上，液氮的“温度壁 垒”（77K）也被突破了。1987 年底，铊-钡-钙-铜-氧系材料又把临界超导温度的记录提高到 125K。从 1986 年－1987 年的短短一年多的时间里，临界超导温度提高了近 100K。大约 1993 年，铊-汞-铜-钡-钙-氧系材料又把临界超导温度的记录提高到 138K。 2008 年二月初，Hideo Hosono 教授的团队再度发表铁基层状材料 La[O1-xFx]FeAs (x= 0.05 –0.12)在绝对温度 26K 时存在超导性，从此研究铁基超导体便在世界上形成一股热潮。 1.2. 超导体发展现状 目前研究的比较多的几种超导体分别是稀土钡铜氧，铁基超导体，硼化镁以及一些新型 的有机超导体（如富勒烯和碳纳米管）。世界各地的课题组目前的工作集中在两个方面，一 是寻找到更高的临界转变温度，二是解释高温超导的机理，具体地说，做的工作有提升已发 现的超导体的临界转变温度，还有发现新的超导体材料。 此外，超导体的研究也分不同尺度，主要有粉末，块体，线材和薄膜方向。不同尺度的 研究通常是针对不同领域的不同应用。 下面简单介绍几种目前研究的比较多的超导体。根查阅的文献，在准静水压力下，高温 超导体最高的临界转变温度已经达到 164K [1]，离干冰升华点 195K 仅差 31K。如果 Tc 能提升 到干冰升华点，无疑高温超导体的应用将会开阔起来。 Tc 材料 种类 195 干冰升华点 164 HgBa2Cam-1CumO2m+2+δ(m=1, 2, and 3) (Under quasi-hydrostatic pressure) 138 Hg12Tl3Ba30Ca30Cu45O127 REBCO(稀土钡铜氧) 110 Bi2Sr2Ca2Cu3O10 92 YBa2Cu3O7 77 液氮沸点 43 SmFeAs(O,F) 铁基超导体 41 CeFeAs(O,F) 40 MgB2 二硼化镁 20 液氢沸点 18 NbSn 金属低温超导体 4.2 Hg 以下几种都是目前研究较多，同时仍然很有科研潜力的超导材料
游充通大学 Sro CuO: Ca Sro Cu2+,Cu3 02 8i0 Sro Ba2+ Ca Fig.2 Structure of Iron-based CuO: Sro Bio iO. Superconductor Fig.1 Structure of YBCO :Mg ●B Fig.3 Structure of MgB2 Fig.4 Structure of Carbon nanotube 1.3.超导体应用 TS(高温超导材料)材料的应用通常分为两大类：强电应用和弱电应用。超导强电应 用主要是基于超导体的零电阻特性和完全抗磁性，以及非理想第二类超导体所特有的高临 界电流密度和高临界磁场。超导弱电应用主要是基于磁通量子化，能隙、隧道和约瑟夫森 效应等。带材和块材主要在电力系统等强电领域中获得应用。而薄膜主要用于研制SQUD 器件、微波器件等，在弱电领域具有极大的应用范围。具体的应用在后图中有清晰的直观 的反映。总体来说，超导体在电力能源、交通运输、生物医学、高能物理、军事、计算 机领域等有广泛应用前景
Fig.2 Structure of Iron-based Superconductor Fig.1 Structure of YBCO Fig.3 Structure of MgB2 Fig.4 Structure of Carbon nanotube 1.3. 超导体应用 HTS(高温超导材料)材料的应用通常分为两大类：强电应用和弱电应用。超导强电应 用主要是基于超导体的零电阻特性和完全抗磁性，以及非理想第二类超导体所特有的高临 界电流密度和高临界磁场。超导弱电应用主要是基于磁通量子化，能隙、隧道和约瑟夫森 效应等。带材和块材主要在电力系统等强电领域中获得应用。而薄膜主要用于研制 SQUID 器件、微波器件等，在弱电领域具有极大的应用范围。具体的应用在后图中有清晰的直观 的反映。[2]总体来说，超导体在电力能源、交通运输、生物医学、高能物理、军事、计算 机领域等有广泛应用前景
上游充通大学 琴电 限流器、电流引 阻 线、输电电缆 磁能 磁储能、脉冲电源 强磁 高能物理、磁分离、电憾推进船、磁 超导材料 场的 交流磁场 浮列车、直流电机、磁流体发电、托 产生 卡巴克 精密磁场 电子显微镜、核磁共振装置 弱磁 快速信号处理器、电压标准、超导 场 天线、红外探测器、SQUD器件 Fig.5 Application of High TSuperconductor 1.4.纳米科学简介 纳米科学是一门应用科学，其目的在于研究于纳米尺度时，物质和设备的设计方法、组 成、特性以及应用。纳米科学的应用主要由于其四大效应会对材料的性能带来深刻影响：表 面效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应和量子尺寸效应 第二章用于信息传输的纳米超导线 2.1.思路概述 纳米科学更多的是一种新的观念，在日后在各种不用领域里将有更为广泛更为深刻的应 用。出于对高温超导的兴趣，我试图挖掘纳米技术在超导领域的新的应用。根据超导体研究 的不同尺度，纳米技术应用在不同的方面。根据上图可以看出，高温超导体的应用范围基本 上都是直接对其零电阻性、完全抗磁性或者宏观量子效应的直接应用，比较局限。 自超导现象发现之初，人们便想利用其零电阻的特性进行电能输送，实现零损耗。我国 第一套在实际电网中运行的超导电缆系统，30m/35kW/2kA高温超导电缆己于2004年5月在 云南省普吉变电站并网运行。但事实上，超导线绝不仅仅可以用来输送电能，电流作为一 种信号，完全可以进行信息传输。 实现超导之后，电流在导线中可以达到无损耗的进行传输，也就是在传输过程中，电信 号是不会衰减的，输送端和接收端的电流强度是相等的。那么，如果我在一段通以高频变化 的电流，不同的代表不同的数据信息，就可以实现数据的传输。同时，跟传统的导线相比， 由于超导，超导线可以做的更细，做到纳米级别，许多股超导线之间通过在外表面加绝缘表 层实现相互绝缘组成一束，就可以实现信息的大量传输。 当然做到纳米级别的好处也不仅仅是更细而已。超导线对缺陷的控制有非常严格的要求。 比如少量铁的掺杂会使YBC0体系结构以及性能发生重要变化4，F掺杂对钐钡铜氧的超导 性能也有很大影响例，同时不同的稀土元素的掺杂则是影响超导材料临界转变温度的重要因 素。这就意味着超导线的尺度越大，对制备工艺的要求就越高。而在小尺度范围内，这种精 密的控制更容易实现，这也是做到将超导线做到纳米级别的主要优势之一
Fig.5 Application of High Tc Superconductor 1.4. 纳米科学简介 纳米科学是一门应用科学，其目的在于研究于纳米尺度时，物质和设备的设计方法、组 成、特性以及应用。纳米科学的应用主要由于其四大效应会对材料的性能带来深刻影响：表 面效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应和量子尺寸效应。 第二章 用于信息传输的纳米超导线 2.1. 思路概述 纳米科学更多的是一种新的观念，在日后在各种不用领域里将有更为广泛更为深刻的应 用。出于对高温超导的兴趣，我试图挖掘纳米技术在超导领域的新的应用。根据超导体研究 的不同尺度，纳米技术应用在不同的方面。根据上图可以看出，高温超导体的应用范围基本 上都是直接对其零电阻性、完全抗磁性或者宏观量子效应的直接应用，比较局限。 自超导现象发现之初，人们便想利用其零电阻的特性进行电能输送，实现零损耗。我国 第一套在实际电网中运行的超导电缆系统，30m/35kV/2kA 高温超导电缆已于 2004 年 5 月在 云南省普吉变电站并网运行[3]。但事实上，超导线绝不仅仅可以用来输送电能，电流作为一 种信号，完全可以进行信息传输。 实现超导之后，电流在导线中可以达到无损耗的进行传输，也就是在传输过程中，电信 号是不会衰减的，输送端和接收端的电流强度是相等的。那么，如果我在一段通以高频变化 的电流，不同的代表不同的数据信息，就可以实现数据的传输。同时，跟传统的导线相比， 由于超导，超导线可以做的更细，做到纳米级别，许多股超导线之间通过在外表面加绝缘表 层实现相互绝缘组成一束，就可以实现信息的大量传输。 当然做到纳米级别的好处也不仅仅是更细而已。超导线对缺陷的控制有非常严格的要求。 比如少量铁的掺杂会使 YBCO 体系结构以及性能发生重要变化[4]，F 掺杂对钐钡铜氧的超导 性能也有很大影响[5]，同时不同的稀土元素的掺杂则是影响超导材料临界转变温度的重要因 素。这就意味着超导线的尺度越大，对制备工艺的要求就越高。而在小尺度范围内，这种精 密的控制更容易实现，这也是做到将超导线做到纳米级别的主要优势之一
上游充通大学 根据具体实现方式不同，我将纳米超导线分为两种，一种是上面提到的直径在 10nm-l00nm尺度的超导线。另一种则是尺度更小的超导线。当导线的尺度进一步减小到小 于10nm时，量子效应显著，情况就会很不一样。 在尺度不太小的时候，导线中的电流还是以电场的形式向前传播，这个速度理论上接近 光速。这时候用高频变化的电流进行信息的传输是可行的。但在尺度小于10m时，量子效 应十分显著。在这种情况下无法通过高频电流进行信息传输。 这里不得不提一提BCS理论。在温度较低时，根据BCS理论，电子在晶格中移动时会 吸引邻近格点上的正电荷，导致格点的局部畸变，形成一个局域的高正电荷区。这个局域的 高正电荷区会吸引自旋相反的电子，和原来的电子以一定的5结合能相结合配对。在很低的 温度下，这个结合能可能高于晶格原子振动的能量，这样，电子对将不会和晶格发生能量交 换，也就没有电阻，形成所谓“超导”。形成的电子配对称为Cooper电对。 有迹象表明，在温度逐渐升高时这时候，实际上还是存在电子形成的Cooper电对（也 有研究说在温度较高情况下，Cooper电对的形态并不是以单独的电子对的形式而是以更复 杂的方式实现超导，具体的机理还有待探究)，在进行传输而不是以电场的形式。 所以我想到了第二种信息传递的实现形式，不是以电流的形式，而是实现对电子各种状 态的控制，实现单位时间更大数据量的传输。电子的状态非常丰富，而且同一个（或者一组） Cooper电对则能实现更高位数的信息储量。 2.2.理想形态 下图是我设想的超导线的形态。 低温层 纳米超导线 纳米超导线单元 绝缘层 电磁屏蔽层 Fig.6 The ideal form 这个图是我在最初设想的一个结构，比较简明的表示了纳米超导线的基本组成。主体 是纳米超导线，然后在每股纳米超导线外面用绝缘层包裹，很多股超导线组成一束，绝缘 层可以有效的防止内部导线的窜流。同时，在导线的外部加一层电磁屏蔽层有效地防止外 界电磁信号的干扰同时有效防止窃听。鉴于超导还没有在接近常温的条件下实现，故需要 一层低温层在超导线的最外层。 这是一个大体的设想。后来我仔细一想，具体的超导线结构可以参照如今研究较多的 超导电缆，虽然超导电缆主要用于电能的输送，但用来传递电信号也是没有问题的，而且 在设计的过程中也需要考虑相似的一些问题
根据具体实现方式不同，我将纳米超导线分为两种，一种是上面提到的直径在 10nm-100nm 尺度的超导线。另一种则是尺度更小的超导线。当导线的尺度进一步减小到小 于 10nm 时，量子效应显著，情况就会很不一样。 在尺度不太小的时候，导线中的电流还是以电场的形式向前传播，这个速度理论上接近 光速。这时候用高频变化的电流进行信息的传输是可行的。但在尺度小于 10nm 时，量子效 应十分显著。在这种情况下无法通过高频电流进行信息传输。 这里不得不提一提 BCS 理论。在温度较低时，根据 BCS 理论，电子在晶格中移动时会 吸引邻近格点上的正电荷，导致格点的局部畸变，形成一个局域的高正电荷区。这个局域的 高正电荷区会吸引自旋相反的电子，和原来的电子以一定的 5 结合能相结合配对。在很低的 温度下，这个结合能可能高于晶格原子振动的能量，这样，电子对将不会和晶格发生能量交 换，也就没有电阻，形成所谓“超导”。[6]形成的电子配对称为 Cooper 电对。 有迹象表明，在温度逐渐升高时这时候，实际上还是存在电子形成的 Cooper 电对（也 有研究说在温度较高情况下，Cooper 电对的形态并不是以单独的电子对的形式而是以更复 杂的方式实现超导，具体的机理还有待探究[6]），在进行传输而不是以电场的形式。 所以我想到了第二种信息传递的实现形式，不是以电流的形式，而是实现对电子各种状 态的控制，实现单位时间更大数据量的传输。电子的状态非常丰富，而且同一个（或者一组） Cooper 电对则能实现更高位数的信息储量。 2.2. 理想形态 下图是我设想的超导线的形态。 Fig. 6 The ideal form 这个图是我在最初设想的一个结构，比较简明的表示了纳米超导线的基本组成。主体 是纳米超导线，然后在每股纳米超导线外面用绝缘层包裹，很多股超导线组成一束，绝缘 层可以有效的防止内部导线的窜流。同时，在导线的外部加一层电磁屏蔽层有效地防止外 界电磁信号的干扰同时有效防止窃听。鉴于超导还没有在接近常温的条件下实现，故需要 一层低温层在超导线的最外层。 这是一个大体的设想。后来我仔细一想，具体的超导线结构可以参照如今研究较多的 超导电缆，虽然超导电缆主要用于电能的输送，但用来传递电信号也是没有问题的，而且 在设计的过程中也需要考虑相似的一些问题
上游充通大学 外套铜屏 蔽层 低温保持 主绝缘 器内管 高温超导 支撑管 带材 绝缘材料 电缆骨架 液氨进 液氮出 低温保持器外管多层绝热 Fig.7 Double-channel warm dielectric high temperature superconducting cable 上图是实际应用中的超导电缆，用来输送电能，用以输送电信号传输信息的超导线同样 可以类似的结构。) (1)支撑管：是罩有密致金属网的金属波纹管，作为超导带材排绕的基准支撑物，同 时用于液氮冷却流通管道。 (2)电缆导体：由铋系高温超导带材绕制而成，共四层，层间缠绕绝缘膜。该电缆导 体首次采用组合式绕制方法，降低了超导线材在绕制电缆过程中所受的机械损伤，显著提高 了超导电缆的制造质量。 (3)低温保持器：由同轴双层金属波纹管套制而成，两层波纹管间抽真空并嵌有多层 防辐射金属箔，其功能是使电缆超导导体与外部环境实现热绝缘，保证超导导体具有安全运 行的低温环境。 (4)电绝缘层：采用交联聚乙烯(XLPE)绝缘材料，置于热绝缘层外面，由于处于环 境温度下，习惯上被称为热绝缘超导电缆（或常温绝缘超导电缆）。热绝缘超导电缆的电绝 缘层由常规电缆绝缘材料制作。 (5)电缆屏蔽层和护层：其功能与常规电力电缆类似，包括电磁屏蔽、短路保护及物 理、化学、环境防护等。热绝缘超导电缆的屏蔽层和护层的材料与常规电缆相同。 显然纳米超导线完全可以参照这个结构。 2.3.优势分析 1.抗断。目前在信息传递方面用的最多的材料是光纤。光纤的的主体材料是S02,是原 子晶体，非常容易断折。一旦发生断折，就不得不将整段电缆挖出进行替换，进行小范围的 更换是很难实现的。从上文对超导材料的介绍可以看到，碳纳米管（或者石墨烯）等有机超 导体也有很大的发展潜力，这些材料组成的纳米超导线在这一方面可以做的更好。 2.差错率：光纤在传播数据时是通过光的全反射。事实上人们对光线的控制能力远远低 于对电路的控制能力。使用光纤传递数据时会有较高的差错率。而用纳米超导线传递电信号 则能有效的降低差错率，保证信息传递的质量。 3.可分流：光纤传播数据若要分流，则需建立一个基站，在基站中解码信号，再由基站 重新忘、往各个输入端口重新输出。若能实现纳米超导线对信息的传递，对电信号的分流只 需要用一个简单的接口就能实现（当然前提是通过这个接口之后电流大小保持不变），简单 便捷。 4防窃听：电信号进行传输时容易被窃听，这是由电信号本身的性质所决定的。在设计 纳米超导线时，在最外层设置了电磁屏蔽层。在保证不被窃听的同时，也能有效防止外界电 磁信号对电流的干扰。不同强度的电流信号代表什么信息需要进行编码，及时电流信号被窃 听，没有解码的措施也是无法窃取信息的
Fig. 7 Double-channel warm dielectric high temperature superconducting cable 上图是实际应用中的超导电缆，用来输送电能，用以输送电信号传输信息的超导线同样 可以类似的结构。[3] （1）支撑管：是罩有密致金属网的金属波纹管，作为超导带材排绕的基准支撑物，同 时用于液氮冷却流通管道。 （2）电缆导体：由铋系高温超导带材绕制而成，共四层，层间缠绕绝缘膜。该电缆导 体首次采用组合式绕制方法，降低了超导线材在绕制电缆过程中所受的机械损伤，显著提高 了超导电缆的制造质量。 （3）低温保持器：由同轴双层金属波纹管套制而成，两层波纹管间抽真空并嵌有多层 防辐射金属箔，其功能是使电缆超导导体与外部环境实现热绝缘，保证超导导体具有安全运 行的低温环境。 （4）电绝缘层：采用交联聚乙烯（XLPE）绝缘材料，置于热绝缘层外面，由于处于环 境温度下，习惯上被称为热绝缘超导电缆（或常温绝缘超导电缆）。热绝缘超导电缆的电绝 缘层由常规电缆绝缘材料制作。 （5）电缆屏蔽层和护层：其功能与常规电力电缆类似，包括电磁屏蔽、短路保护及物 理、化学、环境防护等。热绝缘超导电缆的屏蔽层和护层的材料与常规电缆相同。 显然纳米超导线完全可以参照这个结构。 2.3. 优势分析 1.抗断。目前在信息传递方面用的最多的材料是光纤。光纤的的主体材料是 SiO2，是原 子晶体，非常容易断折。一旦发生断折，就不得不将整段电缆挖出进行替换，进行小范围的 更换是很难实现的。从上文对超导材料的介绍可以看到，碳纳米管（或者石墨烯）等有机超 导体也有很大的发展潜力，这些材料组成的纳米超导线在这一方面可以做的更好。 2.差错率：光纤在传播数据时是通过光的全反射。事实上人们对光线的控制能力远远低 于对电路的控制能力。使用光纤传递数据时会有较高的差错率。而用纳米超导线传递电信号 则能有效的降低差错率，保证信息传递的质量。 3.可分流：光纤传播数据若要分流，则需建立一个基站，在基站中解码信号，再由基站 重新忘、往各个输入端口重新输出。若能实现纳米超导线对信息的传递，对电信号的分流只 需要用一个简单的接口就能实现（当然前提是通过这个接口之后电流大小保持不变），简单 便捷。 4.防窃听：电信号进行传输时容易被窃听，这是由电信号本身的性质所决定的。在设计 纳米超导线时，在最外层设置了电磁屏蔽层。在保证不被窃听的同时，也能有效防止外界电 磁信号对电流的干扰。不同强度的电流信号代表什么信息需要进行编码，及时电流信号被窃 听，没有解码的措施也是无法窃取信息的
上降充通大学 5.信息量大：由于超导，导线可以做到纳米级别。做到纳米级别的好处在于，电流通过 电流依然无衰减，单位截面积可以容下大量的纳米超导线。同时，尺度小于10m纳米级别 的超导线由于量子效应显著可以实现以电子状态作为信息编码依据进行信息传输，这个信息 量是非常大的。 第三章可行性分析 3.1.超导体能否实现纳米 Copper Ribbons Fe As Ba La,Sm,Ce 0 Copper Planes Copper Planes Fig.9 Structure of Iron-based Superconductor Ba 先看传统的YBCO超导体。YBCO为钙钛矿缺陷 Copper 型层状结构，含有CuO-CuO2-CuO2-Cu0交替的层， Oxygen CuO2层可以有变形和皱褶。钇原子存在于CuO2和 CuO2层中，Ba0层则在Cu0与CuO2两层之间。 有证 据显示，当其它原子取代Cu和Ba时，超Fig.8 Structure of YBCO 导性发生 在Cu(2)0层，Cu(1)o(1)链只用作储存电荷。简单地说，CuO2形成骨架，而钇原子提供电 子实现超导。整个超导的实现是在一个层状的结构上。 铁基超导体的结构与高温超导的铜氧平面类似，超导性发生在铁基平面上，同样是二维 超导的材料。另外，目前较有潜力的有机超导材料石墨烯的超导显然也依靠也是发生在层状 结构。 这也就意味着，虽然高温超导并没有能被很好的解释，但根据己有的研究，超导性大都 可以在平面上实现，只要能保持其结构，即便做到将导线做到纳米级别，其超导性就仍能保 持。超导在纳米级别是可以实现的。 3.2.纳米超导线能否实现信息大量传输 TONG 目前，采用PIT制备、长1.0-2.0km的Ag(或Ag-Alloy)基Bi系多芯复合超导带的技术已 比较成熟。工程电流密度达到100/mm2(77K,自场)。9纳米超导线的面积定为100nm2的情 况下，最大电流是10。电流很小，主要是由于导线横截面积很小造成。若想进行更准确 的输出和测量，则需要在信号发射端和接收端设置一个变流器，将电信号进行放大，就能有 效解决这个问题。 33.纳米尺度是否会带来其他影响 事实上这个问题确实存在，似乎也没有人去做过类似的实验，将超导体做到纳米尺度进 行表征和性能测试。影响是一定存在的。小尺寸效应会导致超导线表面晶格周期性被破坏。 这会对超导性能有一定影响。但理论上来说，就表面的一层晶格破坏还是很难影响到整体的 超导性能的。 在尺寸达到纳米级别是，可能还会有另外的效应出现，有待于进一步的研究
Fig.8 Structure of YBCO 5.信息量大：由于超导，导线可以做到纳米级别。做到纳米级别的好处在于，电流通过 电流依然无衰减，单位截面积可以容下大量的纳米超导线。同时，尺度小于 10nm 纳米级别 的超导线由于量子效应显著可以实现以电子状态作为信息编码依据进行信息传输，这个信息 量是非常大的。 第三章 可行性分析 3.1. 超导体能否实现纳米 Fig.9 Structure of Iron-based Superconductor 先看传统的 YBCO 超导体。YBCO 为钙钛矿缺陷 型层状结构，含有 CuO-CuO2-CuO2-CuO 交替的层， CuO2 层可以有变形和皱褶。钇原子存在于 CuO2 和 CuO2层中，BaO 层则在 CuO 与 CuO2两层之间。 有 证 据显示，当其它原子取代 Cu 和 Ba 时，超 导 性 发 生 在 Cu(2)O 层，Cu(1)O(1)链只用作储存电荷。[8]简单地说，CuO2 形成骨架，而钇原子提供电 子实现超导。整个超导的实现是在一个层状的结构上。 铁基超导体的结构与高温超导的铜氧平面类似，超导性发生在铁基平面上，同样是二维 超导的材料。另外，目前较有潜力的有机超导材料石墨烯的超导显然也依靠也是发生在层状 结构。 这也就意味着，虽然高温超导并没有能被很好的解释，但根据已有的研究，超导性大都 可以在平面上实现，只要能保持其结构，即便做到将导线做到纳米级别，其超导性就仍能保 持。超导在纳米级别是可以实现的。 3.2. 纳米超导线能否实现信息大量传输 目前，采用 PIT 制备、长 1.0-2.0km 的 Ag(或 Ag-Alloy)基 Bi 系多芯复合超导带的技术已 比较成熟。工程电流密度达到 100A/mm2 (77K,自场)。[9]纳米超导线的面积定为 100nm2的情 况下，最大电流是 10 -8A。电流很小，主要是由于导线横截面积很小造成。若想进行更准确 的输出和测量，则需要在信号发射端和接收端设置一个变流器，将电信号进行放大，就能有 效解决这个问题。 3.3. 纳米尺度是否会带来其他影响 事实上这个问题确实存在，似乎也没有人去做过类似的实验，将超导体做到纳米尺度进 行表征和性能测试。影响是一定存在的。小尺寸效应会导致超导线表面晶格周期性被破坏。 这会对超导性能有一定影响。但理论上来说，就表面的一层晶格破坏还是很难影响到整体的 超导性能的。 在尺寸达到纳米级别是，可能还会有另外的效应出现，有待于进一步的研究
上游充通大学 第四章参考文献 [1]Gao L,Xue YY,Chen F,et al.Superconductivity up to 164 K in HgBa2Cam-ICumO2m+2+8(m=1, 2,and 3)under quasihydrostatic pressures[J].Physical Review B,1994,50(6):4260. [2]金建勋，郑陆海.高温超导材料与技术的发展及应用).电子科技大学学报，2006,35(4) 612-627 [3]杨军，张哲，尹项根，等.我国首套高温超导电缆并网运行情况).电网技术，2005,29(4)： 4-7. [4]刘丽华，董成，邓冬梅，等.F®掺杂YBCO体系结构变化与团簇效应的正电子实验研究 [J.物理学报，2001,50(4)：769-774. [5]Zhiyong L,Hongli S,Lin M,et al.Effect of F Doping on Fabrication and Superconductivity of SmO1-xFSFeAs Compound[J].Rare Metal Materials and Engineering,2012,41(7):1144-1148. [6]Bardeen J,Cooper L N,Schrieffer J R.Theory of superconductivity[J].Physical Review,1957, 108(5):1175 [)邱祥冈，郑东宁，何豫生，等.高温超导材料，物理，应用和实验方法研究进展).物理， 2008,37(06):377. [8]Oka,et al.Physica C,v 300,n3-4,10 May 1998,200-6. [9]侯炳林，朱学武。高温超导储能应用研究的新进展U.低温与超导，2005,33(3)：46-50. HANCHAL HIAO TONG UNIVE 1日5
第四章 参考文献 [1]Gao L, Xue Y Y, Chen F, et al. Superconductivity up to 164 K in HgBa2Cam-1CumO2m+ 2+ δ(m= 1, 2, and 3) under quasihydrostatic pressures[J]. Physical Review B, 1994, 50(6): 4260. [2]金建勋, 郑陆海. 高温超导材料与技术的发展及应用[J]. 电子科技大学学报, 2006, 35(4): 612-627. [3]杨军, 张哲, 尹项根, 等. 我国首套高温超导电缆并网运行情况[J]. 电网技术, 2005, 29(4): 4-7. [4]刘丽华, 董成, 邓冬梅, 等. Fe 掺杂 YBCO 体系结构变化与团簇效应的正电子实验研究 [J]. 物理学报, 2001, 50(4): 769-774. [5]Zhiyong L, Hongli S, Lin M, et al. Effect of F Doping on Fabrication and Superconductivity of SmO1-xFδFeAs Compound[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2012, 41(7): 1144-1148. [6] Bardeen J, Cooper L N, Schrieffer J R. Theory of superconductivity[J]. Physical Review, 1957, 108(5): 1175. [7]邱祥冈, 郑东宁, 何豫生, 等. 高温超导材料, 物理, 应用和实验方法研究进展[J]. 物理, 2008, 37(06): 377. [8] Oka, et al. Physica C, v 300, n 3-4, 10 May 1998, 200-6. [9] 侯炳林, 朱学武. 高温超导储能应用研究的新进展[J]. 低温与超导, 2005, 33(3): 46-50
