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对超导体的基本认识一.超导现象的发现超导是某些金属或合金在低温条件下出现的一种奇妙的现象。19世纪末，低温技术获得了显著的进展，曾一向被视为“永久气体”的空气被液化了。1877年氧气被首先液化，液化点也就是我们所说的常压下沸点是-183（90K）。随后人们又液化了液化温度是-196的氮气。1898年杜瓦（J.Dewar）第一次把氢气变成了液体氢，液化温度为-253，他并发明了盛放液化气的容器杜瓦瓶。最先发现这种现象的是荷兰物理学家卡麦林昂纳斯。1908年卡麦林昂纳斯液化氦（-259）成功，从而达到一个新的低温区（4.2K以下），他在这样的低温区内测量各种纯金属的电阻率。1911年夏天，当昂纳斯的两个研究生在做低温实验时，偶然发现某些金属在极低温环境中，金属的电阻突然消失了。昂纳斯接着用水银做实验，发现水银在4.1K时（约相当于-269），出现了这种超导现象；不但纯汞，而且加入杂质后,甚至汞和锡的合金也具有这种性质。他把这种性质称为超导电性。他又用铅环做实验，九百安培的电流在铅环中流动不止，两年半以后仍旧毫无衰减。1932年霍尔姆和卡茂林昂尼斯都在实验中发现，隔着极薄一层氧化物的两块处于超导状态的金属，没有外加电压时也有电流流过。1933年荷兰的迈斯纳和奥森菲尔德共同发现了超导体的一个极为重要的性质。二.超导体的基本性质1、零电阻效应在超导条件下，电阻等于零是超导体的最显著的特性。如果将一金属环放在磁场中,突然撤去磁场,在环内就会出现感生电流。金属环具有电阻R和电感L。由于焦耳热损耗,感生电流会逐渐衰减到零，衰减速度与L和R的比值有关,L/R的值越大，衰减越慢。如果圆环是超导体，则电阻为零而电感不为零；因此电流会毫不衰减地维持下去。这种“持续电流”已在多次实验中观察到。测量超导环中持续电流变化的实验给出，样品铅的电阻率小于3.610-2欧姆厘米，它比铜在室温下的电阻率1.610-6欧姆厘米还要小4.41016倍。这个实验结果表明超导体的电阻率确实是零。临界温度Tc 超导体由正常态转变为超导态的温度。临界磁场BC对于超导体，只有当外加磁场小于某一量值时，才能保持超导电性，否则超导态即被破坏，而转变为正常态。这一磁场值称为临界磁场BC（临界磁感应强度），有时用HC（临界磁场强度）表示。临界磁场与温度的关系为HCHo1-(T/Tc)2 式中Ho为0K时的临界磁场。同样，超导体也存在一临界电流IC。2、迈斯纳效应（理想抗磁性）这是超导体的另一个特征。1933年德国物理学家迈斯纳（W.Meissner）和奥森菲尔德（R.Ochsebfekd）对锡单晶球超导体做磁场分布测量时发现，在小磁场中把金属冷却进入超导态时，体内的磁力线一下被排出，磁力线不能穿过它的体内，也就是说超导体处于超导态时,体内的磁场恒等于零。这说超导体不是电阻无限小的理想导体。因为对于电阻率无限小的理想导体，根据J，当为时，必须为才能使保持有限。这就是说对理想导体在没有电场的条件下仍可以维持稳恒的电流密度。另一方面，磁感应强度不随时间变化，或者说，在理想导体中磁感应通量不可能改变。但迈斯纳效应与其不一致。 二、 超导体的微观机制1956年，L.N.库珀从理论上证明了费密面附近的两个电子，只要存在净的吸引作用，不管多么微弱，都可以形成束缚态库珀对。第二年，J.巴丁、库珀和J.R.施里弗建立了完整的超导微观理论（BCS理论）。BCS理论是以电子-声子相互作用为基础解释超导电性的经典理论，它能很好地解释金属元素及金属间化合物的超导电性。BCS理论是以近自由电子模型为基础,是在电子声子作用很弱的前提下建立起来的理论。对于某些超导体，例如汞和铅,有一些现象不能用它来解释。在BCS理论的基础上发展起来的超导强耦合理论，对这些现象能很好地解释（见强耦合超导体）。两个基本概念。第一,超导电性的起因是费密面附近的电子之间存在通过交换声子而发生的吸引作用。第二，由于这种吸引作用，费密面附近的电子两两结合成对，叫做库珀对。关于通过交换声子而发生的吸收作用，一个电子状态发生变化，能量和动量从1、p1变为1、p1。这个状态的改变引起了固体中整个电子气电荷分布的扰动。这种扰动必然牵动点阵振动，即发射声子。点阵振动反过来也可以影响电子气。影响的结果可以使电子气复原，能量和动量为1、p1的电子恢复到原来的状态1、p1,其效果就是电子在运动过程因牵动点阵而增加了惯性，或有效质量。影响的结果也可以是使另一个电子发生状态的变化，从2、p2变为2、p2，这就是声子被另一个电子吸收。后一种情形的结果是一对电子之间发生了能量和动量的交换，也就是发生了以声子为媒介的电子间的间接的相互作用。计算表明，当每一个电子前后状态的能量差小于声子的能量时（按测不准关系，不要求中间过渡的声子服从能量守恒），这种相互作用是吸引的。考虑到费米面以下几乎都是被占据了的状态，以及量子力学的泡利不相容原理，可知只有在费密面附近的电子之间才存在吸引作用。这一部分恰恰也就是呈现超导电性的电子。吸引作用的强弱，取决于一对电子(1、p1)、(2、p2)可能转变过去的状态（1、p1）（2、p2）的多寡。据此可知，在费密面附近动量相反、自旋也相反的一对电子（p1=p，p2=p12F，）之间,存在比其他情形都要强得多的吸引作用。假如这种吸引作用超过了两个电子之间的静电斥力，就会使一对（p，-p）的电子结合成库珀对，因为这会使电子气的能量下降到低于正常费密分布时的能量。费密面附近的电子两两结合成对，改变了这些电子的能谱。使得在连续的能带态以下,出现一个单独的能级，即结合成对的状态。单独能级与连续能级之间的间隔为，叫做超导体的能隙。把一个电子对拆成不相关的两个单独电子,至少要给予一定的能量,这个能量就叫结合能，其值为2,即至少要给予每个电子以能量。因为拆开之后,两个电子不成为库珀对,每个电子都处在连续能级的状态上。计算表明,能谱的连续部分的结构也发生了变化,能量值不是正常金属情形的。另外，各种大小能量的状态数目也和正常情形下不同。因吸引作用而结合起来的库珀对，类似于一个电子和一个质子组成的氢原子这样的体系，但又有很大的差异。用测不准关系可以估计出一个库珀对中电子间的距离大约是10米，即大约是点阵常数的104倍。所以库珀对是一个很松弛的体系。事实上,它的结合能 2也极小，一般只有10-3eV的数量级。因此,库珀对其实不过是运动发生密切关联的一对电子，不像氢原子可以整体地当作一个粒子。必须强调，吸引作用、库珀对和能隙，都是电子气的集体效应。如上所述，一对电子（p，-p）间吸引作用的强弱, 取决于允许它们转变过去的状态（p，-p）的多寡。假如在费密面附近存在一些未成对的电子（p1，-p2）等等, 由于泡利不相容原理禁止电子对（p，-p）转变到状态（p1，-p1）、（p2，-p2）等等去,因而就会减弱电子对（p，-p）间的吸引。这样,一个电子对内部的吸引强弱,电子对结合能或能隙的大小取决于费密面附近全部电子的状态分布。当费密面附近电子全都两两结合成对时，最大。拆散一些库珀对，则剩下的每个库珀对的结合也变得更加松弛。因此，全体库珀对组成一个凝聚体，它构成二流体模型的超流成分（超导电性）。凝聚体的各个库珀对协同地或相干地处在有序化状态。能隙便是有序化程度的量度。所以的更基本的意义是序参量。这种有序化造成规范对称性的自发破缺，结果，所有的库珀对，可以是每个对的总动量一致为零（无电流态），也可以是每个对的总动量一致地等于某个非零数值（无电阻地传输电流，即超流动态）。在绝对零度，费密面附近的电子全都两两地结合成库珀对，这时序参量为最大。当温度高于绝对零度时，由于热激发,一些库珀对被拆散成单个电子,能隙或序参量也减小。当到某个温度Tc时,库珀对全被拆散，变为零，超导态消失而转入正常态。Tc就是超导体的临界温度。因此，超导-正常相变是二级的。三、 约瑟夫森效应电子能通过两块超导体之间薄绝缘层的量子隧道效应。1962年由B.D约瑟夫森首先在理论上预言，在不到一年的时间内，P.W.安德森和J.M.罗厄耳等人从实验上证实了约瑟夫森的预言。约瑟夫森效应的物理内容很快得到充实和完善，应用也快速发展，逐渐形成一门新兴学科超导电子学。两块超导体通过一绝缘薄层(厚度为10埃左右)连接起来，绝缘层对电子来说是一势垒，一块超导体中的电子可穿过势垒进入另一超导体中，这是特有的量子力学的隧道效应。当绝缘层太厚时，隧道效应不明显，太薄时，两块超导体实际上连成一块，这两种情形都不会发生约瑟夫森效应。绝缘层不太厚也不太薄时称为弱连接超导体。两块超导体夹一层薄绝缘材料的组合称S-I-S超导隧道结或约瑟夫森结。约瑟夫森效应主要表现为： 1.直流约瑟夫森效应结两端的电压V0时，结中可存在超导电流，它是由超导体中的库珀对的隧道效应引起的。只要该超导电流小于某一临界电流Ic，就始终保持此零电压现象，Ic称为约瑟夫森临界电流。Ic对外磁场十分敏感，甚至地磁场可明显地影响Ic。沿结平面加恒定外磁场时，结中的隧道电流密度在结平面的法线方向上产生不均匀的空间分布。改变外磁场时，通过结的超导电流Is随外磁场的增加而周期性地变化，描出与光学中的夫琅和费单缝衍射分布曲线相似的曲线，称为超导隧结的量子衍射现象。 2.交流约瑟夫森效应结两端的直流电压V0时，通过结的电流是一个交变的振荡超导电流，振荡频率（称约瑟夫森频率）f与电压V成正比，即fV e为电子电量，h为普朗克常数，这使超导隧道结具有辐射或吸收电磁波的能力。以微波辐照隧道结时可产生共振现象。连续改变所加的直流电压以改变交流振荡频率。 当约瑟夫森频率f等于微波频率的整数倍时，就发生共振，此时有直流成分的超导电流流过隧道结，在I-V特性曲线上可观察到一系列离散的阶梯式的恒定电流。测定约瑟夫森频率f，可由电压V测定常量2eh，或从已知常量e和h精确测定V。交流约瑟夫森效应已被用来作为电压标准。 约瑟夫森效应的应用约瑟夫森效应不仅生动地显示了宏观量子力学效应，具有重要的理论意义，而且有广泛的实际应用。利用它可制作超导量子干涉器件，其中最典型的是直流超导量子干涉器件，它是由两个完全相同的约瑟夫森结a和b用超导体并联而成的双结超导环。在环面垂直的方向上加外磁场B，外磁场变化时，流过每个结的超导电流也随B而变，两个超导电流耦合而发生干涉，总的超导电流Is随B而变的曲线如图2下方所示，它相当于光学中的双缝干涉结果。若以直流电流作为双结的偏置电流，结电压将随外磁场的改变作周期性变化，于是利用直流超导量子干涉器件可将磁场信号转变为电压信号。用射频电流偏置单结超导环（超导环中包含一个约瑟夫森结），就构成了射频量子干涉器的核心部分。超导量子干涉器常用来组成超导磁强计、磁梯度计、磁化率计、高灵敏度的检流计和电压计、噪声温度计等。约瑟夫森器件还可用来作为微波和远红外线的探测器和这一波段的混频器。约瑟夫森器件具有开关速度快、功耗低等特点，可组成性能优良的计算机元件。约瑟夫森效应在电子学领域获得了重要应用，形成了超导电子学这门新的分支学科。 四、 超导体的特性与应用超导是某些金属或合金在低温条件下出现的一种奇妙现象，是由荷兰的物理学家卡麦林昂纳斯最先发现的。1908年，昂纳斯（18531926年）成功地液化了地球上最后一个“永久气体”氦气，得到了接近绝对零度（0K-273.15）的低温：4.25K1.15K。之后，他把目标转向了“极低温下金属电阻随温度变化规律的研究”。昂纳斯先是用铂丝，接着用纯度更高的水银做实验，他吃惊的发现水银在温度降至氦的沸点即4.2K时（相当于-269），电阻竟意外地消失了。起初昂纳斯还以为是线路出现了故障，几经测定，最后他确信，水银在4.2K下会产生一种新的导电特性“零电阻性或“超导电性”。1911年4月28日，昂纳斯公布了这一发现，并在随后几篇论文中明确指出，某些材料在一定温度下能进入一种电阻为零的新物态。他将这种新物态命名为“超导态”，同时把具有从正常态（电阻不为零）转变为超导态能力的材料称作“超导体”，把能使超导体从正常导电状态变为超导电状态时的转变温度称为“临界温度”。他进一步用铅环做实验，当铅变为超导态时，九百安培的电流在铅环中流动不止，两年半以后毫无衰减。昂纳斯的这一发现轰动了全世界的科学家，大家纷纷实验，并且想要揭开超导的奥秘，因为只有了解了超导现象的微观机理，才能使超导为人类作出更大的贡献。现在，科学家已发现有上千种元素和化合物在低温下可以转化为超导态。对所谓“零电阻性”也已有共识：超导体即使有电阻，它的电阻率必然小于10-26“欧米，而且只对直流电适用，若给超导体通入交流电，它仍会出现类似于常规电阻的“交流损耗”。从这个意义上讲，超导体似乎可以说是一种直流理想导体。1. 超导态的完全抗磁性“迈斯纳效应”然而，随着时间的推移，人们发现超导体所呈现的特性扑朔迷离，远非当初所想象的那样简单。1933年荷兰瓦尔特弗瑞兹迈斯纳（18821974年）和奥森菲尔德两人通过一个超导锡球实验观察到，无论是将锡球先降温后加磁场，还是先加磁场后降温，只要锡球进入超导态，就一定具有完全抗磁性。通常将这一现象称作“迈斯纳效应”。这种效应常可以用一个磁悬浮实验来演示。将一只铅碗浸入液氦，使它进入超导态，就可以产生完全抗磁性，排斥放在碗上方的小磁体，从而使它悬浮。1987年，中国科学院物理所低温物理实验室的科学家，用处于液态氮温度下的钇钡铜氧化物超导材料，使钕硼铁永磁体悬浮起来（如图）。完全抗磁性是不是与零电阻性有关系呢？答案是否定的。科学家指出，完全抗磁性和零电阻性是超导体的两个相互独立的性质，因此从更严格意义上讲，超导电性应该包括这两种特性，而超导体也绝非通常所说的理想导体。2. 超导体的临界温度、临界电流密度和临界磁场强度 进一步的实验还发现，除了提高温度外，加入足够强的外磁场或电流，也可以破坏超导电性，使超导体变为正常导体。而要使物体从正常态向超导态转变必须提供相应的温度、电流密度和磁场强度的临界条件，这三个条件分别称作“临界温度”、“临界电流密度”和“临界磁场强度”。对于不同超导体，这三个临界参数是不同的。例如，在不同的磁场条件下，实现超导电性的临界温度互有差异。五、超导的应用前景 超导技术的突破性进展和广泛应用，将引起一场新的技术革命，并对科技、经济、军事乃至社会发展产生不可估量的影响。超导技术的应用范围十分广阔，在输电、电机、交通运输、航天、微电子、电子计算机、通信、核物理、新能源、生物工程、医疗以及军事装备等领域，都已展现出灿烂夺目的前景。 超导材料的应用，将会在电力工业中引起一场革命。利用超导材料制成很细的导线，在无需变电所和变压器等配电设备下输电，免去由于常规输电造成的10%以上电力损失(送电、变电、配电等每一步都存在电阻，使一部分电能转化成热量而白白浪费)，电费开支节省15%以上。据估计，光是实现超导输电，美国每年就可减少100亿美元的电力损失。超导发电机、电动机和其他大型电机与现有同类产品比，不仅体积小、重量轻十分之九、造价低一半，而且可以大大提高电流效率。一台100万千瓦大型超导发电机，设计寿命为40年，光节约能量就相当于400万桶石油。 人们预计，高温超导将在能源工业上大有作为，超导储能可以调节电网的负荷。电力输入超导线圈中，电流可在里面长期流动而几乎不损耗电能，因此，可设计大容量的超导储能装置于地下岩石中，储存大量电能供电网调峰之用。超导体约束的等离子体可以引起核聚变以实现受控热核反应，为解决能源危机发挥重大作用。 超导体在电子学领域里大有用武之地。用超导芯片(约瑟夫森器件)代替普通芯片制成超导计算机，可以大大提高运算速度，减小计算机体积。美国研制的一台运算速度为800万次/秒的超导计算机，只有一部电话机那么大，运算速度提高了101000倍，而且元件不发热、功耗非常小、无故障、高效率运行时间要长得多。 超导技术可用于通信。一根超导线路传递数据的速率高达每秒1亿次，可供1500万部电话机同时通话，比现有光纤通信的通信速率还快100倍。 用超导器件制成的极其精密的超导量子干涉仪，可测出极其微弱的电磁波，被广泛用到电子工业中。超导量子干涉仪不但能探测出埋在地下的矿物，也能探测出人脑的高级神经活动，揭开人类大脑思维活动的奥秘。利用超导原理制造的新型红外探测器、超导磁强针、超导重力仪、超导滤波器及各种微波器件，将广泛应用于航空航天事业、地震预报、地质勘探及天文学领域。利用超导体的完全抗磁性可制造新型回旋加速器，把人们的视觉和感观延伸到微观世界深处，揭开物质起源、生命起源的奥秘。 给超导线圈通电可获得超导磁体，产生极强的磁场。日本用铌三锡(Nb3Sn)和钒三镓(V3Ga)超导材料制成一个产生17.5万高斯强磁场的超导磁体，只消耗15千瓦电力，而用普通铜线绕制，就得消耗电力7000千瓦，而且产生的热量还要用大量的冷却水带走。超导磁体在磁流体发电、电子显微镜、高能加速器、电磁轨道炮、受控热核聚变反应装置等中，都可大显神威。强超导磁体应用在核磁共振计算机断层诊断装置上，可以使分辨率大大提高，能诊断出更早期的癌细胞。若用超导技术制成家用电器，可做到体积小、重量轻、耗电少、精度高，而且经久耐用、价格便宜。 超导磁悬浮列车是会“飞”的火车，由于磁悬浮列车与铁轨之间的磁力作用，使列车悬浮在铁轨上方，消除了铁轨与车轮之间的摩擦力，时速可达500千米，而且行车平稳、噪声小、安全舒适、所需牵引力小、不污染环境。将来的轮船、汽车也可以用超导电动机开动。如果用超导电动汽车来代替燃油汽车，那么全世界一年可节省汽油10亿吨。 2000年11月北京有色金属研究院研制的百米长铋系高温超导带材问世。这种带材长116米，宽3.6毫米，厚0.8纳米，以螺旋管方式缠绕，用四引线法全长度测量。77开(即-196)液氮温度下临界电流达12.7安。它