从低于室温到高于室温的铁电超导体

1.本发明涉及包含铁电体的超导体，其在从低于室温到高于室温的温度下具有极高的介电常数，其中所述铁电体的偶极子的自发动态排列，在界面处诱发超导性。
2.使用该创新性超导体以及应用具有随后捕集所产生电流的现象，该铁电体可被施加于两个相同导体或半导体、两个相异导体或半导体之间，或作为导体的绝缘体芯或仅与绝缘体(例如空气)接触。
3.本发明因此可用于在以下领域中使得能够在无损耗的情况下实现电力传输的应用：能量、捕集、存储、晶体管、传感器、计算机的部件、光伏电池或面板、风力涡轮机、squid、mri、质谱仪、粒子加速器、智能电网、电力传输、变压器、电力存储设备和/或电动机。


背景技术：

4.超导体是能够展示零电阻的材料；因此，它是具有与电子相关的性质。超导体还能够在没有外加电压的情况下维持电流，在超导电磁体中利用的性质，诸如在mri机器中发现的那些。实验已证明，超导线圈中的电流可以持续数年而没有任何降低。已经报道了若干材料在低温(《50k)下显示超导性(如be、ti、zr、zn、sn)，以及高温(≤135k)铜酸盐超导体(如hgba2ca2cu3o
x
)或铁基的fese。最高温度(150k)超导体是h2s，但是它还需要高的压力。
5.因此，超导体能够在没有任何损耗的情况下传输电力，并且不表现出热耗散(没有焦耳效应)。用于捕集和随后存储能量的新架构的开发向人类带来重要的益处。
6.铁电材料是展示出自发电极化的材料，可通过施加外部电场使所述自发电极化反转。所有铁电体都是热电体，它们的自然电极化是可逆的。
7.可在金属与铁电材料之间的界面处产生超导性。这是由于在金属/绝缘体真空界面处发生突然的相变(例如电容率突然从105改变到1)，这自发地破坏对称性并诱发超导性。这在拓扑数学中被称为突变现象，如1977物理诺贝尔奖获得者philip anderson所确定的，他还预测铁电材料在室温下可能成为超导体。这里，首次显示了存在这样的具有超导能力的铁电材料，并且它在室温下甚至高于室温时它是表面超导体。
8.因此，超导性可以主要沿着金属/铁电材料的界面发生，正如在下文提出的配置为非常规超导体的器件中。
9.具有极高介电常数的铁电玻璃如li3_
2ymy
clo(m＝be、ca、mg、sr和ba)、li
3-3yay
clo(m＝b，al)、na
3-2ymy
clo(m＝be、ca、mg、sr和ba)、na
3-3yay
clo(m＝b，al)或反钙钛矿(结晶材料)如li
3-2y-zmyhz
clo(m＝be、ca、mg、sr和ba)、li
3-3y-zayhz
clo(m＝b，al)、其混合物或其与li2s、na2s或h2s的混合物，或者甚至涉及混合有聚合物材料的这些玻璃或结晶材料的复合材料(如本发明中所述)，能够在与具有显著不同介电常数的材料的界面处变成超导体；该材料甚至可以是空气，其在不存在“器件”的情况下将使铁电材料成为超导体。
10.发明概述
11.本发明涉及可从低于室温到高于室温执行的铁电诱发超导体。
12.本发明涉及一种铁电诱发超导体室温超导体，其包含介于具有非常不同介电常数
的两种以上材料(例如金属及铁电材料)之间的界面。当块体金属内部的电场为零时，金属的电容率(permittivity)被认为是无限的。实际上，铁电材料在与金属的界面处更可能与真空接触，真空的相对电容率为1。
13.本发明的一个特征是提供在界面处接触的材料的性质突变而实现的铁电性诱发的超导性。
14.本发明的一个特征是提供铁电性诱发的超导性，其使得能够在几年期间在没有损耗的情况下传输电力。当器件由其它材料和界面构成时，铁电性诱发的超导性不会使整个器件的电阻降低到零。虽然如此，尽管有一些器件损耗，但器件可运行几年。
15.本发明公开了一种超导体，其包括铁电体以及与至少一种其它材料的界面，在界面处和-40℃至170℃的温度下具有高于103的介电常数εr，其中铁电体的偶极子呈现自发动态排列。
16.此外，本发明揭示了其中所述铁电材料是以下材料的超导体：li
3-2ymy
clo(m＝be、ca、mg、sr和ba)且0≤y≤1，li
3-3yay
clo(m＝b、al)，na
3-2ymy
clo(m＝be、ca、mg、sr和ba)且0≤y≤1，na
3-3yay
clo(m＝b，al)且0≤y≤0.5，或者反钙钛矿(结晶材料)li
3-2y-zmyhz
clo(m＝be、ca、mg、sr和ba)且0≤y≤0.5以及0≤z≤2，li
3-3y-zayhz
clo(m＝b、al)且0≤y≤0.5以及0≤z≤2，它们的混合物或者它们与li2s、na2s、si2o、li2o、na2o或h2s的混合物或它们与聚合物的复合混合物。
17.另外，所述超导体可呈现铁电体与绝缘体(例如空气或真空)接触。
18.此外，本发明的超导体具有其中铁电体与类似导体或相异导体的两个界面接触的可能性。
19.本发明还公开了一种超导体，其中铁电体是na基的na
2.99
ba
0.005
clo，并且所述导体是cu。
20.所述超导体可呈现一种构造，其中铁电体是na基的na
2.99
ba
0.005
clo，并且所述导体是zn和cu。
21.所述超导体可呈现另外的构造，其中铁电体是na基的na
2.99
ba
0.005
clo，并且所述导体是zn和c泡沫、海绵、线、纳米管、石墨烯、石墨、炭黑或任何其它同素异形体或碳结构，具有或不具有杂质。
22.所述超导体可呈现另外的构造，其中铁电体是li基的(1-x)li
2.99
ba
0.005
clo xli
3-2y-zmyhz
clo且0≤x≤1，一个导体是li，另一个是mno2与炭黑和/或粘结剂的混合物。
23.所述超导体可呈现另外的构造，其中铁电体是na基的(1-x)na
2.99
ba
0.005
clo xna
3-2y-zmyhz
clo且0≤x≤1，一个导体是na，另一个是na
3v2
(po4)3与炭黑和/或粘结剂的混合物。
24.所述超导体可呈现另外的构造，其中铁电体与相似或相异的半导体或导体和半导体的两个界面接触。
25.所述超导体可呈现另外的构造，其中铁电体是li基的li
2.99
ba
0.005
clo li2s，导体是al且半导体是si。
26.所述超导体可呈现另外的构造，其中铁电体是li基的li
2.99
ba
0.005
clo li
3-2y-zmyhz
clo，导体是li且半导体是mno2或硫与碳的混合物。
27.所述超导体可呈现另外的构造，其中铁电体与两个界面接触，一个是半导体或导
体之一，另一个是具有导体触点或电子收集体的绝缘体。
28.所述超导体可呈现另外的构造，其中铁电体是na基的或li基的并且导体是zn或cu、li、na、li合金或复合物，na合金或复合物，并且铁电体表面区域与绝缘体(例如空气、真空、聚合物、增塑剂、绝缘带、胶粘剂或粘结剂)接触。
29.所述超导体可呈现另外的构造，其中铁电体是li基的li
2.99
ba
0.005
clo或li
2.99
ba
0.005
clo li
3-2y-zmyhz
clo混合物或复合物，且导体为li或li合金(例如limg)或(li)的固溶体，并且铁电体表面区域与绝缘体(例如空气、真空、聚合物、增塑剂、绝缘带、胶粘剂或粘结剂)接触。
30.所述超导体可呈现另外的构造，其包含填充有铁电体的线导体。
31.所述超导体可呈现另外的构造，其中包括在铁电体和绝缘体之间的至少一个界面。
32.所述超导体可呈现另外的构造，其中绝缘体是si2o、聚合物、增塑剂如丁二腈和/或空气。
33.所述超导体可呈现另外的构造，其中绝缘体具有与两个铁电材料的界面。
34.所述超导体可呈现另外的构造，其中包含介于铁电-超导体与超导体之间的至少一个界面。
35.所述超导体可呈现另外的构造，其中铁电体为li基的或na基的，并且超导体为al或ti或sn、li与al、或li与ti或sn。
36.所述超导体可呈现另外的构造，其中铁电体是li基的或na基的，并且超导体是hgba2ca2cu3o
x
、fese或h2s。
37.所述超导体可呈现另外的构造，其中铁电体为具有聚合物的复合混合物，例如铁电体-胶粘剂混合物。
38.所述超导体可呈现另外的构造，其中铁电体为cacutio3，或如上文所呈现的铁电材料的复合物或混合物。
39.如以上在前述构造任一个中所述的超导体，其中在界面处并且在-40℃至170℃、-35℃至170℃、0℃至100℃、0℃至75℃或室温的温度下，介电常数εr高于104、高于105、高于106、高于107、高于108或高于109。
40.使用所定义的超导体具有若干应用，例如：能量捕集器，能量存储装置，传感器的部件，晶体管的部件，计算机的部件，光伏电池或面板的部件，风力涡轮机的部件，squid的部件，mri，质谱仪或粒子加速器，智能电网的部件，电力传输，变压器，电力存储装置和/或电动机等。
附图说明
41.参考以下描述和所附权利要求书以及附图将更好地理解本发明的这些和其它特征、方面和优点。
42.图1a是具有极高介电常数的li基的铁电体的实施方案。该图示出了在10hz下相对电容率随温度的变化。
43.其中：
44.ε’表示实相对电容率或介电常数
45.ε”表示虚相对电容率
46.ε
*
表示相对电容率的模量
47.图1b是na基的铁电体和具有极高介电常数的基于导体1＝zn/na的铁电体/导体2＝c cu的实施方案。该图示出了相对电容率随温度的变化，在(对于ac为0.1hz)并且通过dc测量获得；
48.图1c是基于导体1＝zn/na的铁电体/导体2＝c cu的实施方案，示出了在铁电体的表面处的表面超导性，其中在-30℃和0℃之间单元的电阻突然降低。
49.图2是具有导体/铁电体/导体界面的铁电诱发超导体的实施方案；
50.图3是具有导体/铁电体/半导体界面的铁电诱发超导体的另一实施方案；
51.图4是具有导体/铁电体/导体界面的铁电诱发超导体的另一实施方案，其中大多数铁电体暴露于空气/绝缘体；
52.图5是具有用铁电体填充的线的铁电诱发超导体的另一实施方案；
53.图6是具有铁电体/绝缘体/铁电体界面的铁电诱发超导体的另一实施方案；
54.图7是具有超导体/铁电体/超导体界面的铁电诱发超导体的另一实施方案。
55.发明描述
56.通过以下和图1-7中的实例说明本发明的优选实施方案。如图1所示，铁电-超导体必须具有极高的介电常数；优选在从低温(233-273k)到室温(273-282k)或高温(t≤500k)的温度范围内。如图2所示，铁电诱发超导体10包括相似或相异的两个导体100及110及铁电材料200。如图3所示，铁电诱发超导体20包括导体100、铁电材料200以及半导体300。如图4所示，铁电诱发超导体30包括相似或相异的两个导体100和110、铁电材料200以及可相似或相异的两个绝缘体400和410。导体110是电子收集体。如图5所示，铁电诱发超导体40包括具有铁电材料200的线导体120。铁电体200可填充浅的线。铁电体200可被导体120涂覆。如图6所示，铁电诱发超导体50包括两个铁电-超导体200和210以及绝缘体400。如图7所示，铁电诱发超导体60包括两个超导体500和510以及铁电-绝缘体200。装置10至60允许诱发超导性。
57.在本发明的描述中，将以实验室环境讨论本发明；然而，本发明可用于需要装置10至60的任何类型的应用。
58.文献us 2019/0058105a1公开了压电诱发的室温超导体，其中装置需要脉冲电流通过具有绝缘体芯和金属涂层的导线，并且当导线振动时，诱发室温超导性。然而本发明完全不同，它们都是由于非线性现象和对称性破坏。在本发明中，不需要或不使用外部电流或振动，所有过程都是自发的；铁电排列是自发的，并且当高介电常数铁电材料与例如金属形成结(junction)时，在金属/绝缘体界面处发生突然相变，这自发地破坏对称性并诱发超导性。此外，上述文献公开了压电材料是强制性的，并且本发明是基于完全不同类型的材料，即铁电材料。
59.铁电性诱发的超导性的实现不涉及铁电结构，因为铁电材料可以是无定形材料、玻璃或晶体材料，但是偶极子的大量动态聚结和排列使得能够实现超导性。当材料处在该过程中时，其远离平衡(热力学中的非平衡)。
60.有三个参数将影响超导性。所述参数包括温度、电流密度和外部施加的磁场强度。这些参数具有一个共同性，即电子的协同运动。经由构成铁电材料的偶极子的聚结和排列，
对该运动的控制可导致室温超导性的实现，特别是如果带电物质是不均匀的。目前，相信可以通过双极化子或库珀(cooper)配对来诱发超导性的机制。
61.双极化子(bipolaron)可以被定义为但不限于由两个极化子组成的准粒子。
62.极化子(polaron)是在凝聚态物理学中用于理解固体材料中的电子和原子之间的相互作用的费米子准粒子。
63.极化子概念首先是由朗道(landau)引入用以描述在电介质晶体中移动的电子，其中原子从它们的平衡位置移动以有效地屏蔽电子的电荷，称为声子云。这降低电子迁移率并且增加电子的有效质量。
64.库珀对或bcs对是在低温下结合在一起的一对电子(或其它费米子)。金属中的电子之间的任意小的吸引能够使电子的成对状态具有比费米能量更低的能量，这意味着该对被约束。在常规(bcs)超导体中，这种吸引是由于电子-声子相互作用。重要的理解是：不依赖于物理机制，观察到的超导性的关键是强的电子-晶格(声子)耦合。强的电子-晶格相互作用可以从电容率的突变获得，因为它可以发生在有机太阳能电池的表面处；由此，为铁电诱发的超导性实现提供了合理解释(justification)。
65.假设超导电荷载流子(质量为ms，其中μ0是自由空间的磁导率)是电子(
ē
，电子电荷)，其中超导电荷载流子(ns)的数密度为约10
20
/cm3，例如在ii型超导体中，伦敦(london)穿透深度λ
l
由下式给出：
[0066][0067]
穿透深度由超流体密度决定，所述超流体密度是在高温超导体中确定tc的数量。
[0068]
迈斯纳(meissner)效应(完全抗磁性)的条件在室温下变得可能。值得注意的是:
[0069]n*2
＝εrμrꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(等式2)
[0070]
其中n
*
＝n ik是复折射率，n是折射率的实部，k是消光系数，或者质量衰减系数，ε
′r是相对实电容率，ε
″r是相对虚电容率，μr是相对磁导率。对于非磁性材料μr＝1。
[0071]
抗磁性是发生在所有材料中的量子力学效应；当它是对磁性的唯一贡献时，该材料被称为抗磁的。
[0072]
一些材料如水、水基材料和cu、c(热解和石墨)、bi、hg是抗磁性的，具有小于或等于1的相对磁导率。这意味着它们是抗磁性的并且它们被磁场排斥。超导体可被认为是完全抗磁体，因为它们由于迈斯纳效应而排斥所有的磁场。
[0073]
铁电体200内的磁感应为零，因此db/dt(b的时间变化率)也为零(用于从麦克斯韦方程导出描述超导状态的伦敦方程的两个条件)。根据法拉第定律，我们获得电场在(db/dt＝0)条件下的旋度为零。将该结果与欧姆定律的形式结合，所述欧姆定律将电场强度与电流密度和电阻率的乘积(与时间无关)相联系，表明只有在零电阻率条件下电场才必须为零(因为我们有电流)，因此是理想的导电性。因此，本发明满足上述超导性的第二个要求。
[0074]
对于超导性的第三个要求，即宏观量子相干性的实现由常规bcs(bardeen，cooper和schrieffer)理论最佳地描述。当电流例如沿着导体100流动时，在铁电体200的界面处排列的正离子或偶极子将在电子(具有相反的自旋和相反的动量)之间产生吸引力，所述电子通常由于库仑排斥而彼此排斥。因此，将形成名为库珀对的电子对，其随后将凝聚成由独特波函数表示的单一量子力学状态。这等效于宏观量子相干，并且可以通过在约瑟夫森结(如
50或60)的
‘
间隙’材料中产生
‘
超电流’来进一步例示。在本发明中，在室温或更高的温度条件下，热扰动(涨落)引起的晶格振动将与聚结的偶极子耦合，偶极子或离子振动允许偶极子甚至进一步排列，从而减小对于离子和/或偶极子移动的内阻并且增加介电常数从而在导体100和铁电体200的界面处产生涨落的虚拟
‘
汤’(soup)，一种高度非线性的远离平衡的环境。
[0075]
物理系统与其周围环境(环境)之间的复杂相互作用扰乱系统的量子力学性质并使其在普通观察下是经典的。该过程被称为去相干。然而，有人主张，我们可以通过在快速加速瞬变下的带电物质的加速自旋和/或加速振动来延缓(延迟)去相干(并且可能甚至对其抑制—即，使物理系统与环境去耦)。这可能正是实现宏观量子相干状态的条件，思路是我们绝不让系统实现热力学平衡，这通过不断地延迟弛豫开始到平衡(因此延迟最大熵的产生)。该系统可以通过生成“异常”的突发现象(诸如室温超导性)而“剧烈地”反应。如果例如优选实施方案之一(例如10)连接到led或二极管，则热力学平衡被延迟，因为小电流在外部电路中连续流通。在-20℃下，在铁电诱发的超导体10、20或30中观察到带电物质的振动；并且在室温下，可在铁电诱发的超导体10、20或30中诱发超电流持续至少三年。
[0076]
int.j.space science and engineering发布的论文“the high energy electromagnetic field generator”(第3卷,第4期，2015，第312-317页)中讨论了prigogine效应(iiya prigogine，1977年诺贝尔化学奖)，该效应解释了在三种条件下，混沌系统(前述的涨落“汤”)可自组织成有序状态，相当于宏观量子相干的状态。这些条件是存在以下：高度非线性介质(在这种情况下是铁电材料)、突然远离热力学平衡、以及能量通量(由偶极子的自发排列和离子传导引起，这是因为需要将导体100和/或110的费米能级与铁电体200排列，在开路下或通过关闭外部电路)，以维持自组织的过程(从混乱到有序)。这表明，本发明具有宏观量子相干性，从而满足针对超导性的最终要求。如上所述，本发明满足了关于超导性的所有三个要求，因此，本文建立并实现低温到较高温度的超导性。
[0077]
超导性的关键可能是局部宏观量子相干的实现，即，宏观物体的行为具有量子力学性质的能力，即表现出诸如叠加、纠缠、隧穿等现象。总之，人们可以辩称，至少在优选的实施方案中，三种物理机制(即迈斯纳效应、库珀效应(或双极化子形成)和prigogine效应)的合成直接导致室温至高温超导性的可能性。因此，可以沿着导体100、半导体300、绝缘体400、超导体500和铁电体200之间的界面(边界)产生超电流。
[0078]
当导体100的费米能级高于铁电体200的费米能级时，铁电诱发的超导体能够在超导体10、20或30中的导体100和铁电体200的界面处显示出负电容现象，从而导致电双层电容器(edlc)的形成，以使费米能级(由导体的电子和铁电体阳离子或正偶极端形成)与界面处的edlc串联的反转电双层电容器(edl-c’)排列；所述反转电容器可以由铁电体阳离子和负极化子或库珀对形成，其将被偶极子的负端排斥回到表面，或者通过在edlc处排列的阳离子和在相反层上的偶极子的正端的作用在第二层中流通。
[0079]
表1—显示由铁电材料诱发的2d(表面)超导性的装置之间的比较。
[0080][0081]
注意：装置的电阻率不限于表1中的值，因为其取决于装置中的除铁电材料之外的其它材料和界面。