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超导材料已有的应用 超导现象产生的原因是随着温度的下降，晶格的振动频率与幅度减小，同时金属原子之间的距离变小，原子的最外层参与导电的电子之间的最外层轨道重合，这样电子在两个原子之间迁移的能量损失为零。下面是有关于超导材料已有的应用的内容，欢迎阅读。 1911年的一天，在荷兰莱顿大学的物理实验室里，昂尼斯教授正在专心致志地研究水银的低温性能。他先将水银冷却到-40，液体水银便凝固成一条水银线;然后，再在水银线中通以电流，并一步一步地降低水银的温度，当温度降低到-269.03，也就是绝对温度4.12K时，奇迹出现了：水银的电阻突然消失了，这意味着，电流在零电阻的导线中可以畅通无阻，不再消耗能量，如果电路是闭合的，电流就可以永无休止地流动下去。有人做过这样的实验：将一个铅环冷却到绝对温度7.25K以下，用磁铁在铅环中感应生成几百安培的电流。从1954年3月16日开始，在和外界隔绝的情况下，一直到1956年9月5日，铅环中的电流不仅仍在不停地循环流动且数值没有变化。 人们把这种零电阻现象称为超导现象。凡具有超导性的物质称为超导体或超导材料。无论哪一种超导体，只有当温度降到一定数值时，才会发生超导现象。这个从正常电阻转变为零电阻的温度称为超导临界温度。由于昂尼斯在超导方面的卓越贡献，他获得了1913年的诺贝尔物理学奖，在诺贝尔领奖演说中他指出：低温下金属电阻的消失“不是逐渐的，而是突然的”。 此后，人们陆续发现近30种单质和几千种合金及化合物都具有超导现象，而且超导临界温度的纪录不断地被打破。例如，1975年，有人发现铌三锗的超导临界温度为23.2K.1986年，缪勒和柏诺兹发现钡镧铜氧化物的超导临界温度为35K，这个现象引起了科学家对氧化物高温超导陶瓷的高度重视。1986年12月，中国科学院的赵忠贤、陈立泉研究组获得了起始转变温度为48.6K的锶镧氧化物。1987年2月，美籍华裔科学家、美国休斯敦大学的朱经武教授获得了起始转变温度为90K的高温超导陶瓷。1988年，中国科学院发现了超导临界温度为120K的钛钡钙铜氧化物。这些成就显示了我国高温超导材料的研究已经名列世界前茅。 超导现象的最直接、最诱人的应用是用超导体制造输电电缆，因为超导体的主要特性是零电阻。因而允许在较小截面的电缆上输送较大的电流，而且基本上不发热和不损耗能量。据估计，我国目前约有15%的电能损耗在输电线路上，每年损失的电能达到900多亿度。如果改用超导体输电，就能大大节约电能，缓解日益严重的能源紧张。 将超导体做成线圈，由于它的零电阻特性，故可在截面较小的线圈导线中，通以大电流，形成很强的磁场，这就是超导磁体，超导磁体的磁感应强度可达15-20万高斯，质量却不超过数十千克，而用普通导线绕制成的电磁体要产生10万高斯的磁场已经非常困难。磁感应强度为5万高斯的常规电磁体重达20吨，而达到同样的磁感应强度，超导磁体的质量还不到1千克。超导磁体的另一个优点就是不产生热量。不消耗电能，只要通入一次电流就可以经久不息地流动下去，不需要再补充电能。超导磁体唯一需要的就是把环境温度维持在超导临界温度以下的能量。 超导材料还可以用于制造威力无比的快速激光炮、具有人工智能的电子计算机、能明察秋毫的电子显微镜、先进医疗器械核磁共振诊断摄象机等等。也许，上述应用还远非超导材料的最重要应用。人们正开拓思路，扩大视野，不断学习和研究，促使超导技术继续向前发展。 【摘要】超导现象的的基本理论目前还处于不完备的状态，现有理论尚不能彻底的解释超导现象的产生原因。一般认为材料的温度达到临界温度以下时，由于材料晶格点阵的热振动对载流子传导的干扰效应在低温下被削弱，电流的传导过程中的能量损失小到几乎可以忽略不计，此时超导现象产生。 【关键词】超导;热膨胀;电子轨道;能量损失 1.背景介绍 超导现象的发现是二十世纪科学界的最伟大的发现之一。当材料的温度降到临界温度Tc以下时，它的电阻会变为零。零电阻现象的产生具有很大的实用意义，当材料达到超导态之后，它所传导的电流的能量损失变为零，如果远距离输电采用超导材料作为导线的话，可以采用较低的输电电压以避免高压输电所带来的安全隐患1。 目前超导材料的转变温度已经从金属汞的4.2K提高到了钇钡铜氧超导材料的液氮温度附近，但是对于实际应用来说，这个温度还是很低。对于超导现象的机理来说，目前被认可最多的是1957年由Bardeen，Cooper和Schrieffrer等提出的BCS理论2，该理论在一定程度上揭示了超导现象的产生机理，但是该理论也有较大的局限性，目前尚有许多关于超导材料的问题不能利用BCS理论来解释。 2.理论分析 与温度相关的材料的物理参数除了电阻之外，热膨胀系数也是一个常见的参数，当温度升高时，材料晶格内的点阵振动幅度增大，材料的体积增大。同时，由于点阵振动幅度的增大，载流子在电场的驱动下的运动受到更大程度的影响，所以材料的电阻增大。 按照以上理论推断，当温度达到0K时，晶格中点阵的振动完全停止，此时晶格振动对载流子传递的影响减弱为零，此时电阻的大小变为零。但是这与超导材料临界温度存在的现象并不一致，因为按照晶格振动影响载流子传递所产生电阻的理论，电阻应该会随着温度的下降而下降，直到温度降为0K时才降为0。但是材料的超导态是在温度降到低于临界温度之后突然达到的，所以说，材料超导的临界温度的达到并不能完全利用晶格振动对材料中电子传播的阻碍作用来解释。 3.结果与讨论 对于普通的金属材料来说，它内部的载流子是金属电子层外部自由电子所形成的电子气。相对来说，金属原子的最外层电子受到原子核的束缚最小，在电场存在的条件下容易被电场驱动。大量的外层电子在电场的驱动作用下附加了一个平行于电场的漂移运动，这样体现在宏观上是金属外层自由电子所形成的电子气整体上附加了一个漂移运动，这样电流产生3。我们对金属外层的单个自由电子进行分析可以发现，当电子在电场的作用下进行漂移运动时，总会出现电子在不同金属原子之间的传递。金属原子的最外层电子是金属核外电子中具有最高能量的，当单个电子在彻底离开一个金属原子核的束缚进入另外一个金属原子核的束缚范围内，需要吸收能量来脱离上一个金属原子，这些能量电场能4。当这个电子进入到下一个金属原子核的束缚范围之内后，落入下一个金属原子的最外层电子轨道。此时这个电子所吸收的多余能量会释放出去，释放的能量会变为热能传递给晶格。这样消耗电场能转变为热能的过程是电阻的产生机理。如果按照晶格振动干扰电子传播的的理论，随着温度的升高，晶格之中点阵之间的距离减小，在电场的作用下，外层自由电子与晶格之中的点阵碰撞的几率会大大的减小，温度升高，电阻应该下降，但是这与实际情况相反。如果按照金属外层电子脱离外层轨道在原子间迁移的理论来解释温度与电阻的关系可以避免这一理论与事实不符的现象。 当温度足够低时，相邻的两个金属原子之间的距离减小，两个金属原子之间的外层轨道可能会无限接近以致重叠，此时在电场的作用下，最外层电子在两个金属原子之间迁移不存在电子吸收能量再释放能量的过程，没有能量损失，体现在宏观上是电阻为零。 一般来说，化合物比单质金属具有更高的临界温度，而对于具有较高的临界温度的高温超导体来说，它们一般是具有类似钙钛矿的化合物结构5。相对于金属离子来说，氧离子要小很多，并且在高温超导材料中，至少含有两种金属元素，这些金属元素可能存在于正八面体晶格的顶点或者正八面体晶格的中心，而氧离子处于晶面上6。这样的话，各原子的外层轨道得失电子的情况比较复杂，最外层电子的分布排列已经完全变化。氧离子的存在，填充了金属离子之间的间隙，这样的话，各离子最外层电子之间的能量差距变小，电子从一个金属原子到另外一个金属原子所需要的能量会减小。这样体现在宏观上，体系电阻变小。当温度足够低，各离子的最外层轨道相重合的时候，电子在离子之间迁移消耗的能量减为零，此时体现在宏观上电阻为零。 总结上文所述的理论，超导现象产生的原因是随着温度的下降，晶格的振动频率与幅度减小，同时金属原子之间的距离变小，原子的最外层参与导电的电子之间的最外层轨道重合，这样电子在两个原子之间迁移的能量损失为零。如图1所示，在临界温度以上时，在电场的作用下，A原子的最外层电子a从A原子迁移向B原子，电子a首先吸收电场能脱离原子A的束缚，而当电子a到达原子B时，由于电子a所具有的能量要大于B原子的最外层电子所具有的能量，电子a进入原子B的束缚范围，首先要释放出多余的能量，这些多余的能量会以热能的形式传递给点阵，这就是电阻的的产生。当温度下降到临界温度以下后，两个相邻的原子之间的距离下降，原子的最外层电子之间的间隙变为零，此时在电场的作用下，电子在两个原子之间的迁移不存在能量的吸收与释放，此时电场能的损失为零，体现在宏观上为零电阻态。 按照以上的理论，导体内的相邻的原子参与导电的外层电子之间的距离越小，则该导体的电阻越小。这一理论可以利用某些元素的在常压下难以获得超导态，而在高压的状态下可以获得超导态来解释7。当施加在材料上的压力足够大，相邻的原子之间的距离被压缩，这样的话，某些即使降低到很低的温度下依然不能得到超导态的材料才能够转变为超导态。一般来说单质导体的临界转换温度不会太高，具有较高临界温度的超导体一定是化合物。这些化合物需要有如下的性质，在一定的温度下，参与导电的两个原子的最外层导电电子的轨道应该是重合的。已知氢负离子由于其核外电子数是核电荷数的两倍，具有比较大的半径8，如果有合适的化合物中具有氢正离子，氢离子可能成为两个相邻的参与导电的原子的外层电子之间的“桥梁”，使得两个相邻的外层电子轨道之间没有间隙，电子能够在不消耗能量的条件下从一个原子迁移向另外一个原子，这样就能够得到较高的临界温度。 超导材料的应用在集成电路方面的应用潜力是巨大的。随着集成电路产业的不断发展，单一的微电子器件的线宽已经变得越来越小。目前集成电路器件之间的互联一般采用金属铝或者金属铜，由于器件做的越来越小，单位面积内的器件密度也变得越来越大，金属互联的密度也变得越来越大，这样密集的金属互联具有极大的电阻，会产生大量的热量，限制器件的工作频率。如果采用超导材料的话，它的工作性能将大大的提高，线宽可以进一步的减小。 摘要：设计含超导一维光子晶体量子阱(CD)m(AB)n(CD)m，利用超导材料的温控折射率的动态可调性，并考虑虑材料的热光效应和热膨胀效应，采用传输矩阵法计算了透射谱，分析了温度对隧穿模的调控特性。结果表明，随着温度的升高，隧穿模发生红移，并且品质因数降低。这些特性对多通道光滤波器的设计具有一定的指导意义。 关键词：含超导光子晶体量子阱;传输矩阵法;透射谱;品质因素 Abstract：Thecrystalsquantumwell，containingsuperconductingmaterial，wasdesigned，usingofsuperconductingmaterialdynamicadjustabletemperaturecontrolindexofrefraction，andconsideringabouttheheatphotosyntheticefficiencywiththermalexpansioneffect，usingthetransfermatrixmethod，thetransmissionspectrumwascalculated，andthetemperaturecontrollingcharacteristicsoftunnelingmodesisanalyzed.Theresultsshowthatthetunnelingmodesarered-shiftedwiththetemperatureincreasing，andthequalityfactorislowered.Theresultshaveacertainreferencevaluefordesignofmulti-channelphotonicfilter. Keywords：containingsuperconductingphotoncrystalquantumwell;transfermatrixmethod;transmissionspectrum;qualityfactor 1概述 光子晶体的带隙结构和滤波特性受光子晶体结构参数调控，其结构参数包括基元介质的折射率、介质的光学厚度及基本单元的周期数等。有类特殊介质叫超导，其特殊在于超导材料的折射率受温度、外磁场和光波频率调控。如果把超导材料引入到光子晶体中，作为光子晶体的基元介质，则光子晶体的结构参数就可以通过温度和外磁场调控，进一步调控光子晶体的带隙结构和滤波特性，表现出特殊的调控特性，因此受到人们的关注1-4。 光滤波是光子晶体的重要应用之一，光滤波通道可以通过一维光子晶体量子阱来实现5-8，其窄带的品质因数可以通过介质的折射率5、结构周期数6及双势垒结构7来调整。笔者把超导材料引入到一维光子晶体量子阱中，作为其中的基元介质，用传输矩阵法9研究了温度对通道频率和通道滤波特性的调控特性，进一步分析了该类光量子阱的应用前景，这对温敏传感器及光滤波器的设计有一定的指导意义。 2理论模型和计算方法 选择超导材料A和正常材料B，折射率和几何厚度分别用nA、nB和lA、lB表示。不考虑外加磁场，超导材料的折射率用二流体模型1-5描述。把周期性结构(AB)n插入到另一个周期性结构(CD)m(CD)m中，得到一维光子晶体(CD)m(AB)n(CD)m，其中A和C是同一种超导材料，但几何厚度不相同，而B和D也是同一种正常折射率介质，但几何厚度也不相同。介质C和D的折射率和几何厚度分别用nC、nD和lC、lD表示，m和n表示排列周期数，可以取任意正整数。当考虑材料的热光效应和热膨胀效应后，温度变化T时，介质层的折射率变化量n和几何厚度变化量d分别如下3 n=nT(1) d=dT(2) 式中、n和d分别是介质层的热光系数、热膨胀系数、折射率和几何厚度。适当取值使光子晶体(AB)n的通带处于光子晶体(CD)m的禁带，则一维光子晶体(CD)m(AB)n(CD)m就构成光子晶体量子阱。 采用传输矩阵法12计算透射率，进一步分析温度透射谱的调控特性。 3结果与分析 不考虑色散和吸收，假设所有材料都是非铁磁性材料。计算中材料和参数的选取参照文献3，即超导材料选YBa2Cu3O7(Tc=92K，0=140nm)，A=13.410-6/K;介质B选TiO2，B=-2.3110-5/K，B=810-6/K，温度为25oC时，折射率nB=2.2。令温度T=77K时，lA=105nm，lB=140nm，取lC=0.65lA，lD=0.65lB。令光波垂直入射，数值计算一维光子晶体(AB)8和(CD)16在T=10K时的透射谱如图1所示。笔者对图1中超导特有的低频带隙不感兴趣，而是对第一、二带隙比较感兴趣，由图1可见，448666THz频率范围内，光子晶体(AB)8的通带完全处于光子晶体(CD)16的第一个禁带内，把光子晶体(AB)8插入到光子晶体(CD)8(CD)8，便构成光子晶体量子阱(CD)8(AB)8(CD)8。3.1温度对含超导材料光量子阱信道频率的调控 其它参数保持不变，温度分别取T=10K、30K、50K和70K，图2给出了不同温度下，含超导光子晶体量子阱(CD)8(AB)8(CD)8的透射谱。由图可见，不同温度下，与势阱的通带对应的光量子阱(CD)8(AB)8(CD)8的禁带内都有9个透射峰，这说明含超导材料的光量子阱与正常折射率介质的光量子阱一样，同样能产生共振隧穿模，同样能起窄带滤波的作用。但所不同的是，超导材料的折射率受温度和光波频率调控，当考虑材料的热光效应和热膨胀效应后，随着温度T的变化，光量子阱的折射率和结构参数将随之改变。光量子阱的共振隧穿模数由势阱周期数调控6，而隧穿模的位置由具体的结构参数(包括折射率、介质层厚度和周期数)调控，因此温度变化必将导致隧穿模的漂移，这在图2中明显表现出来。由图2可知，随着温度的升高，隧穿模向低频方向漂移，并且温度越高，隧穿模漂移现象越明显;由图2还可知，在温度变化量相同的情况下，频率越低，隧穿模漂移现象越明显。