超导材料的约瑟夫森和超导应用

1、第四章第四章 超导材料超导材料 第三节第三节 约瑟夫森效应约瑟夫森效应 超导量子隧穿效应超导量子隧穿效应n第二节内容复习：第二节内容复习：二流体模型二流体模型伦敦方程伦敦方程金兹堡金兹堡-朗道理论朗道理论 同位素效应同位素效应超导能隙超导能隙库柏电子对库柏电子对 相干长度相干长度 BCS理论理论伦敦第一方程伦敦第一方程式中，式中，m是是，Js为为，ns是是EmenJtss2伦敦第二方程：伦敦第二方程：结合麦克斯韦方程，可以说明超导体结合麦克斯韦方程，可以说明超导体表面的磁感应强度表面的磁感应强度B以指数衰减为零以指数衰减为零 称为磁场称为磁场穿透深度。穿透深度。BJenss2/m )/(x/0

2、YeBJxs）（微观机制。对。对实验数据处理后得到原于质量实验数据处理后得到原于质量M和临界温度和临界温度Tc的简单关系：的简单关系： Tc= 1/M 其中，其中， =0.50 0.03 把把联系起来了联系起来了n同位素效应表明电子与晶格振动的相互同位素效应表明电子与晶格振动的相互作用可能是主要的相互作用。作用可能是主要的相互作用。n同位素效应表明晶格振动对超导体，在同位素效应表明晶格振动对超导体，在室温下是出现电阻的原因，室温下是出现电阻的原因，n同时在低温下，又可能是超导体处于超同时在低温下，又可能是超导体处于超导态出现零电阻的原因。导态出现零电阻的原因。v 库柏认为，只要两个电子之间有库

3、柏认为，只要两个电子之间有，不管这种作，不管这种作用力多么微弱，它们都用力多么微弱，它们都。v 这种这种有可能超过电子之间的有可能超过电子之间的，而表现，而表现为为，这样的两个电子被称为库柏电子对，这样的两个电子被称为库柏电子对v 从能量上看，组成从能量上看，组成的两个电子由于相互作用将导致势的两个电子由于相互作用将导致势能降低。能降低。是现代超导理论的基础。是现代超导理论的基础。一般非超导金属状态电子碰撞造成电阻自由电子正电区域带正电原子电子通过造成带正电晶格偏离在超导状态下，由于晶格振动，自由电子通过时造成原子的偏离而产生另一电子的吸引作用晶格偏离区两个电子相互吸引形成库伯电子对n自由电子

4、经由间接的吸引力结合成库伯电子对，自由电子经由间接的吸引力结合成库伯电子对，库伯电子对相互也随着晶格振动产生的正负电库伯电子对相互也随着晶格振动产生的正负电荷区间依序移动，彼此不在碰撞，也就没有电荷区间依序移动，彼此不在碰撞，也就没有电阻的产生阻的产生 皮帕德皮帕德(A.B. Pippard)证明，当一个电子证明，当一个电子从金属的从金属的移动到移动到时，其波函数时，其波函数不能从它的不能从它的突然转变为突然转变为，这种转变只能这种转变只能上，上， 被称为被称为。简单的说库伯电子对间的距离就是相干长度。简单的说库伯电子对间的距离就是相干长度。一般非超导金属状态电子碰撞造成电阻自由电子正电区域带

5、正电原子电子通过造成带正电晶格偏离在超导状态下，由于晶格振动，自由电子通过时造成原子的偏离而产生另一电子的吸引作用晶格偏离区两个电子形成库伯电子对可见，实际的可见，实际的并非局限并非局限在非常小的空间在非常小的空间里，里，而是扩展在而是扩展在的空间宽度上，这里的空间宽度上，这里 就称为就称为，它描述了，它描述了。 和和 一样，也是超导体的一样，也是超导体的特征特征参量参量。下表列举了一些有代表性的超导体的相干长度。下表列举了一些有代表性的超导体的相干长度。几种物质在几种物质在0K下的超导相干长度下的超导相干长度 n库伯对的尺寸是相当大的，相干长度实库伯对的尺寸是相当大的，相干长度实际上就是凝聚

6、成对的电子互相作用距离，际上就是凝聚成对的电子互相作用距离，也叫也叫BCSBCS相干长度，随超导体而异，一般相干长度，随超导体而异，一般在在10103 3nmnm的两级。的两级。美国的美国的巴丁巴丁(JBardeen)、库柏、库柏(L NCooper)和施和施瑞弗瑞弗(JRSchrieffer)在在1957年提出了年提出了超导电性量超导电性量子理论子理论，被称为，被称为。它可以解释。它可以解释的各种实验事实，从而获得的各种实验事实，从而获得1972年诺贝年诺贝尔物理奖。尔物理奖。 (1)电子间的相互吸引作用形成的电子间的相互吸引作用形成的会会。超导体超导体临界场临界场、热学性质热学性质及大多数

7、及大多数电磁性质电磁性质都是都是这种这种的结果。的结果。n简单的说，在低温（绝对零度）时的正常自由简单的说，在低温（绝对零度）时的正常自由电子，使费米球内的大部分被占据，球外的态电子，使费米球内的大部分被占据，球外的态全是空着的。如果电声子相互吸引作用，使费全是空着的。如果电声子相互吸引作用，使费米面上一对电子形成库伯电子对并降低总能量，米面上一对电子形成库伯电子对并降低总能量，那么将有更多的费米面一下的电子到费米面上那么将有更多的费米面一下的电子到费米面上去形成库伯对，以降低总能量，这个过程直到去形成库伯对，以降低总能量，这个过程直到平衡为止，绝对零度时，费米面附近电子全部平衡为止，绝对零度

8、时，费米面附近电子全部凝聚成库伯对。大量库伯对电子对出现就是超凝聚成库伯对。大量库伯对电子对出现就是超导态的形成。超导态中电子凝聚成库伯对就使导态的形成。超导态中电子凝聚成库伯对就使他比正常态更有序。他比正常态更有序。n当温度不是绝对零度时，一部分库伯对就要被当温度不是绝对零度时，一部分库伯对就要被拆散，即出现一部分正常电子。温度升高后，拆散，即出现一部分正常电子。温度升高后，更多的库伯对被拆散，凝聚的电子减少，到临更多的库伯对被拆散，凝聚的电子减少，到临界温度时不再有库伯对，全部电子被激发，样界温度时不再有库伯对，全部电子被激发，样品变为正常态。品变为正常态。)(/ 1exp14. 1FDC

9、EUNT(2)元素或合金的元素或合金的与费米面附近与费米面附近N(EF)和和有有关，它们可以从关，它们可以从来估计，当来估计，当UN(EF)1时，时，BCS理论预测临界温度为：理论预测临界温度为：式中，式中， D为德拜温度。有关为德拜温度。有关Tc的理论结果在定的理论结果在定性上满足实验数据。性上满足实验数据。另外，从上式中得到这样一个有趣的结论：另外，从上式中得到这样一个有趣的结论：一种金属如果一种金属如果在室温下在室温下具有具有(因为室温电阻率是电子因为室温电阻率是电子-声子相互作用的量度声子相互作用的量度)，冷却时冷却时就有更大可能成为就有更大可能成为。1.14exp 1/U ()CDF

10、TN EBCS理论可以得到磁通量子化的结论，即，理论可以得到磁通量子化的结论，即，有效单位是有效单位是2e而不是而不是e。由于由于BCS基态涉及的是基态涉及的是，所，所以以磁通量子化磁通量子化中的中的2e是是BCS理论理论的一个推论。的一个推论。 BCS理论是第一个成功地解释了超导现象的微理论是第一个成功地解释了超导现象的微观理论，也是目前惟一成功的超导微观理论。观理论，也是目前惟一成功的超导微观理论。后来，虽然又有了一些后来，虽然又有了一些，但但则没有更大的改变。则没有更大的改变。第三节：约瑟夫森效应超第三节：约瑟夫森效应超导量子隧穿效应导量子隧穿效应1973年诺贝尔物理学奖一半授予美国纽约

11、州的：约克城高地(Yorktown Heights) IBM瓦森研究中心的江崎玲於奈 ( L e o E s a k i ) ， 美 国 纽 约 州 斯 琴 奈 克 塔 迪(Schenectady)通用电器公司的贾埃弗(Ivar Giaever)，以表彰他们分别在有关半导体和超导体中的隧道现象的实验发现；另一半授予英国剑桥大学的约瑟夫森(Brian Josephson，1940-)，以表彰他对穿过隧道壁垒的超导电流所作的理论预言，特别是关于普遍称为约瑟夫森效应的那些现象。 第三节：约瑟夫森效应超第三节：约瑟夫森效应超导量子隧穿效应导量子隧穿效应n约瑟夫森效应约瑟夫森效应：在两片超导体中间夹入一

12、：在两片超导体中间夹入一片薄薄的绝缘体，在没有片薄薄的绝缘体，在没有外加电压外加电压的情况下，仍的情况下，仍会有会有直流电流通直流电流通过绝缘体，这纯然是古典物理所过绝缘体，这纯然是古典物理所不容许的量子效应。不容许的量子效应。n如果在超导体两端施上一如果在超导体两端施上一固定电压，则居然会出固定电压，则居然会出现交流电流现交流电流；我们可以从交流电的频率得到非常；我们可以从交流电的频率得到非常准确的物理常数。准确的物理常数。 宏观量子效应宏观量子效应在在中，若两个中，若两个空间区域空间区域被一个被一个分隔开，则只有分隔开，则只有粒子具有足够的能量越粒子具有足够的能量越过势垒过势垒时，它才会从

13、一个空间进入另一个空时，它才会从一个空间进入另一个空间区域中去。间区域中去。在在中，情况却并非如此，中，情况却并非如此，粒子要具有足够的能量不再是一个必要粒子要具有足够的能量不再是一个必要条件。一个能量不大的粒子也可能会条件。一个能量不大的粒子也可能会“穿过穿过”势垒（势垒（即当微观粒即当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒能穿越这一势垒），这就是所谓的），这就是所谓的。 考虑被考虑被绝缘体绝缘体I 隔开的两个隔开的两个金属金属，如下图所，如下图所示。示。绝缘体绝缘体通常通常阻挡阻挡从一种金属流向另一种金属的从一种金属流向另一种金属的传导电子

14、传导电子。如果阻挡层足够薄，则由于隧道效应，。如果阻挡层足够薄，则由于隧道效应，电子具有相当大的几率电子具有相当大的几率穿越绝缘层。穿越绝缘层。电子的波函数并不突然下降为零。在势垒电子的波函数并不突然下降为零。在势垒中，波函数按指数衰减如果势垒的厚度中，波函数按指数衰减如果势垒的厚度d不大，则还没有等到波函数衰减到零就不大，则还没有等到波函数衰减到零就碰到了势垒的右边缘，这时在势垒右方，碰到了势垒的右边缘，这时在势垒右方，电于波函数将有一定幅度，因而电子将有电于波函数将有一定幅度，因而电子将有一定的几率通过势垒利用薛定一定的几率通过势垒利用薛定谔谔方程，方程，可以算出穿透几率。可以算出穿透几率

15、。当两个金属都处于当两个金属都处于，夹层结构，夹层结构(或隧道结或隧道结)的电流的电流-电压曲线电压曲线是欧姆型的，即电流正是欧姆型的，即电流正比于电压，如图所示：比于电压，如图所示：贾埃弗贾埃弗(I. Giaever)发现，如果发现，如果金属中的一个变金属中的一个变为超导体为超导体时，电流时，电流-电压的特性曲线会变化如下：电压的特性曲线会变化如下： 上面所述的上面所述的NIS结和结和SIS结，其结，其都都是是。正常电子导电正常电子导电，通过，通过绝缘介质层绝缘介质层的的隧道隧道电流电流是是有电阻有电阻的。这种情况的的。这种情况的绝缘介质厚绝缘介质厚约约到到。如果如果SIS隧道结的隧道结的只

16、有只有1nm左左右，那么理论和实验都证实了将会出现一种右，那么理论和实验都证实了将会出现一种，即，即，电子对穿过位垒电子对穿过位垒后仍后仍状态。状态。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。在研究在研究通过通过超导金属间的绝超导金属间的绝缘层时缘层时指出，当两块超导体之间的绝缘层薄至接指出，当两块超导体之间的绝缘层薄至接近原子尺寸近原子尺寸(10-20 )时，时，可以可以穿过

17、绝缘层穿过绝缘层，即超导体，即超导体-绝缘体绝缘体-超导体这样的超导体这样的 (约瑟夫逊结或约瑟夫逊结或SIS结结) 。n两块超导体通过一绝缘薄层两块超导体通过一绝缘薄层(厚度为厚度为1nm左右左右)连接起来，绝缘层对电子来说是一势垒，一块连接起来，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，超导体中的电子可穿过势垒进入另一超导体中，这是特有的这是特有的量子力学量子力学的的隧道效应隧道效应。当绝缘层太。当绝缘层太厚时，隧道效应不明显，太薄时，两块超导体厚时，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实际上连成一块，这两种情形都不会发生

18、约瑟夫森效应。绝缘层不太厚也不太薄时称为弱连夫森效应。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接超导体。两块超导体夹一层薄绝缘材料的组合称合称S-I-S超导隧道结或约瑟夫森结。超导隧道结或约瑟夫森结。约瑟夫森结约瑟夫森结n直流约瑟夫森效应直流约瑟夫森效应 结两端的电压结两端的电压V0时，结中可存在超导电流，它是由超导时，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。体中的库珀对的隧道效应引起的。n 交流约瑟夫森效应交流约瑟夫森效应 ：n 结两端的直流电压结两端的直流电压V0时，通过结的电流是时，通过结的电流是一个交变的振荡超导电流，振荡频率（称约瑟一

19、个交变的振荡超导电流，振荡频率（称约瑟夫森频率）夫森频率）f与电压与电压V成正比，成正比，n这使超导隧道结具有辐射或吸收电磁波的能力。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变所加的直流电压以改变交流振荡频率n交流约瑟夫森效应 n物理解释：由物理解释：由BCSBCS理论，库珀对是长程有序的，因理论，库珀对是长程有序的，因此在一块超导体中所有的库珀对具有相同的位相。此在一块超导体中所有的库珀对具有相同的位相。如果如果S SI-SI-S结的约瑟夫森电流和磁场的关系所示结的约瑟夫森电流

20、和磁场的关系所示的两块超导体中间的绝缘层较厚的两块超导体中间的绝缘层较厚, ,则两块超导体中则两块超导体中电子无关联电子无关联, , 各自具有独立的位相各自具有独立的位相11和和22。当。当绝缘层减小到某一厚度后，两块超导体中的超导绝缘层减小到某一厚度后，两块超导体中的超导电子就以位相差电子就以位相差 1-21-2联系起来。这时的联系起来。这时的绝缘层就成为一个绝缘层就成为一个 弱弱 超导体。库珀对可通过这超导体。库珀对可通过这个个 弱弱 超导体而出现超流隧道或电子对隧道效应。超导体而出现超流隧道或电子对隧道效应。课后思考题：n怎样用超导能隙解释约瑟夫森效应？n约瑟夫森元件可以应用于一些精密测

21、量。 n表1约瑟夫森元件用于精密测量时的分辨能力n约瑟夫森元件可以作用电压标准、磁强约瑟夫森元件可以作用电压标准、磁强计、伏特计、安培计、低温温度计、计计、伏特计、安培计、低温温度计、计算机元件算机元件, ,以及毫米波、亚毫米波的发射以及毫米波、亚毫米波的发射源、混频器和探测器等，且有灵敏度高、源、混频器和探测器等，且有灵敏度高、噪声低、功耗小和响应速度快等一系列噪声低、功耗小和响应速度快等一系列优点。现今已发展起以建立极灵敏的电优点。现今已发展起以建立极灵敏的电子测量装置为目标的子测量装置为目标的“超导结电子学超导结电子学”，与超导磁体一起成为超导电性的两项重与超导磁体一起成为超导电性的两项

22、重大应用。大应用。 利用交流约瑟夫森效应来利用交流约瑟夫森效应来监视电压单位的基准器，监视电压单位的基准器，已在美国、日本、英国已在美国、日本、英国和加拿大立为法定的保和加拿大立为法定的保持电压基准器的方法。持电压基准器的方法。右图是国际计量局所设右图是国际计量局所设的约瑟夫森基准室正在的约瑟夫森基准室正在工作的情况。工作的情况。 （一）：按使用温度分：n低温超导n高温超导一、低温超导体n具有低临界转变温度（Tc30K），在液氦温度条件下工作的超导材料。分为金属、合金和化合物。n昂纳斯昂纳斯 在发现超导现象后，利用在发现超导现象后，利用Pb制造超制造超导磁体，但未获成功。导磁体，但未获成功。n

23、50年代，用冷加工的纯铌线，绕制了磁场年代，用冷加工的纯铌线，绕制了磁场强度为强度为0.6T的超导磁体。的超导磁体。n在超导材料的探索过程中，不能不提及的超在超导材料的探索过程中，不能不提及的超导材料是导材料是NbTi 和和Nb3Sn。Nb3Sn化合物超导化合物超导材料于材料于1954年由马赛厄斯等人发现，而年由马赛厄斯等人发现，而NbTi合金具有超导电性则于合金具有超导电性则于1961年由孔茨勒发现。年由孔茨勒发现。它们是目前应用最为广泛的两种超导材料。它们是目前应用最为广泛的两种超导材料。至今，用至今，用NbTi合金线材绕制一个合金线材绕制一个8T的超导的超导磁体，用磁体，用Nb3Sn化合

24、物线材绕制一个化合物线材绕制一个15T的的超导磁体已经不存在任何的技术问题。超导磁体已经不存在任何的技术问题。 n目前实用的低温合金超导材料主要是目前实用的低温合金超导材料主要是NbTi材料，材料，NbTi材料绕制的超导磁体用于材料绕制的超导磁体用于“核核磁共振成像医疗诊断仪磁共振成像医疗诊断仪”，这种仪器目前已，这种仪器目前已经广泛使用。经广泛使用。二、高温超导体二、高温超导体n寻找高性能的超导材料是世界上最富吸寻找高性能的超导材料是世界上最富吸引力的课题之一。引力的课题之一。BCS理论n一、电子声子机制n二、是否存在新的机制？)(/ 1exp14. 1FDCEUNT)(/1exp14. 1

25、FDCEUNT 是德拜温度 N(EF) 是费米面的电子态密度 U 是电声子耦合强度（库柏对强度）Dn19861986年高温超导的发现为现代物理学数年高温超导的发现为现代物理学数十年来最令人兴奋的里程牌。十年来最令人兴奋的里程牌。2020多年来多年来人们陆续地发现几百余种非金属间以铜人们陆续地发现几百余种非金属间以铜氧化合物为基础的高温超导材料，它们氧化合物为基础的高温超导材料，它们的物理、化学性质大大超出了人们的预的物理、化学性质大大超出了人们的预料。这些材料的超导转变温度都高于料。这些材料的超导转变温度都高于19861986年发现的年发现的23K23K。了解高温超导现象及。了解高温超导现象及

26、此类固体的各种性质已成为固体科学领此类固体的各种性质已成为固体科学领域中重要的一部分。域中重要的一部分。高温超导体n（一）高温超导氧化物的特点（一）高温超导氧化物的特点n1、高、高Tcn1、晶体缺陷浓度很高，高温超导体是不、晶体缺陷浓度很高，高温超导体是不稳定或亚稳定的。稳定或亚稳定的。n3、正常态性质不正常：霍尔系数随温度、正常态性质不正常：霍尔系数随温度降低单调降低，电阻率随温度的降低而降低单调降低，电阻率随温度的降低而线性降低线性降低n4、临界温度对杂质含量很敏感、临界温度对杂质含量很敏感高温超导的晶体结构n214结构：nLa2CuO4LaCuOLa2CuO41n特点：每个晶胞含有两个C

27、uO2平面，并由两层金属氧离子平面分开。形成：nCuO2LaOLaO这样的周期堆积。123结构YBa2Cu3O7nY123是超导转变温度最高的。n其基本特征是两个CuO2平面中央有一层Y原子面，居于晶胞中央，两侧是BaO原子面。上下底是含Cu-O链的Cu-O平面。n发现Y123 （YBa2Cu3O7）后，进行了大量的元素取代研究，对B位Cu的替代可以得到正交结构，也可以得到四方结构，但是少量的替代都是超导的，可Tc却因为少量的替代而迅速下降。n各种稀土元素用来代替A位置的Y，并且是完全的替代，仍形成123结构，除Pr外对Tc影响很小。n很少超导体具有铜氧化物这么复杂的结构，这很少超导体具有铜氧

28、化物这么复杂的结构，这些结构是由各种金属氧组成的原子面堆积而些结构是由各种金属氧组成的原子面堆积而成的。这类复杂堆积本身很有趣，但更重要的成的。这类复杂堆积本身很有趣，但更重要的是人们目前对氧化物高是人们目前对氧化物高TcTc的超导性质的理解，的超导性质的理解，在很大程度上依赖与它的结构认识。在很大程度上依赖与它的结构认识。124结构和247结构n124结构YBa2Cu4O8n如果把123结构看成是由两个CuO2层夹一层Y和两个BaO层夹一层CuO构成，则在两个BaO层中加一层CuO1x就形成了YBa2Cu4O8结构。n将123和124两种基元混合周期性地沿c轴堆积，则形成新的Y2Ba4Cu7

29、O15（二）今后的发展动向 n1、基础物理方面、基础物理方面n高温超导体的不寻常性质显然不仅仅是它高的高温超导体的不寻常性质显然不仅仅是它高的Tc值，值，其它性质及各向异性的结构都可追溯到电子与自旋、其它性质及各向异性的结构都可追溯到电子与自旋、电于与电子、电子与品、晶格之间强烈的相互作用。电于与电子、电子与品、晶格之间强烈的相互作用。其超导性能与正常态不寻常的性能息息相关。要了其超导性能与正常态不寻常的性能息息相关。要了解高温超导体就必须把这些相互作用以严格完善的解高温超导体就必须把这些相互作用以严格完善的理论表达出来。理论表达出来。n虽然多年来的研究带给我们许多系统而精确的实验虽然多年来的

30、研究带给我们许多系统而精确的实验数据和规律，并让我们能相当准确地预测不同体系数据和规律，并让我们能相当准确地预测不同体系的铜氧化合物的超导性质，但目前我们尚未有一个的铜氧化合物的超导性质，但目前我们尚未有一个完整的高温超导机理的解释。完整的高温超导机理的解释。n为什么会存在这些不寻常的规律为什么会存在这些不寻常的规律? ?n如何把不同寻常的正常态和不符合费米液体规律的如何把不同寻常的正常态和不符合费米液体规律的性质与高温超导性质联系起来性质与高温超导性质联系起来? ?n我们的科学知识还很不完整，要提高高温超导树料我们的科学知识还很不完整，要提高高温超导树料的的TcTc值和优化输运性质，或在铜氧

31、化合物之外找到值和优化输运性质，或在铜氧化合物之外找到新的超导材料就迫切地需要找出这些问题的答案。新的超导材料就迫切地需要找出这些问题的答案。n高温超导材料和低温超导材料另高温超导材料和低温超导材料另个重要区个重要区别是，高温超导材料的磁通相图极为复杂，别是，高温超导材料的磁通相图极为复杂，并含有丰富的物理现象。磁通的存在以不同并含有丰富的物理现象。磁通的存在以不同的形态出现，包括固态晶格、玻璃态和液态。的形态出现，包括固态晶格、玻璃态和液态。而在强的外电磁力影响下，这些态又能做出而在强的外电磁力影响下，这些态又能做出不问的动态反应，使超导体失去零电阻的特不问的动态反应，使超导体失去零电阻的特

32、性。性。n这些现象提出了许多新的物理问题，对它们这些现象提出了许多新的物理问题，对它们的彻底认识和控制是提高高温超导材料实用的彻底认识和控制是提高高温超导材料实用价值的一个重要条件。价值的一个重要条件。n2、 新材料和化学方面n新材料研究是高温超导领域里化学工作新材料研究是高温超导领域里化学工作的核心。合成新材的目标是：提高的核心。合成新材的目标是：提高Tc值，值，增加材料的稳定性，减少毒性材料的采增加材料的稳定性，减少毒性材料的采用和提高各种物理性能，如临界电流密用和提高各种物理性能，如临界电流密度、钉扎能量和超导凝聚能等。度、钉扎能量和超导凝聚能等。n3、材料科学和应用方面n高温超导体与低

33、温超导还存在三个重要区别：n一、前者的输运性质完全依赖与晶格或近似晶格形态的存在。而后者的存在形态确是合金。n二、高温超导体不容易作成超导衔接，导致不能保持电流的持久性。破坏了超导线圈应有的稳定性。n3、由于高温超导的极短的相干长度，加上其原子尺度的缺陷特别多，就产生了电流传导不均匀现象，大大削弱了线材的实际临界电流。C60具有极高的稳定性，当具有极高的稳定性，当C60中中时，时，人们发现人们发现在一些特定成分上在一些特定成分上可以形成富勒烯结构。可以形成富勒烯结构。通过与各种碱金属原子的结合，通过与各种碱金属原子的结合，AxC60的的已 经 提 高 到已 经 提 高 到以 上 ， 超 导 温

34、 度 最 高以 上 ， 超 导 温 度 最 高RbCs2C60的临界转变温度为的临界转变温度为33K。第一个被发现的第一个被发现的是是(TMTSF)2PF6，尽，尽管这种有机盐的管这种有机盐的只有只有，但是，它，但是，它的发现预示了一个的发现预示了一个的出现。的出现。具有具有、和和，已引起了众多科学家的，已引起了众多科学家的注意。注意。非晶态超导体的研究主要包括非晶态超导体的研究主要包括及其及其和和及其及其。它们具有它们具有、等优点。等优点。非晶态结构的非晶态结构的对其对其的影的影响很大，能使有些物质的超导转变温度响很大，能使有些物质的超导转变温度Tc提高，提高，这是由于这是由于非晶态超导体与

35、晶态超导体的不同非晶态超导体与晶态超导体的不同所引所引起的。起的。的性质比的性质比更更为复杂。为复杂。 重费米子超导体是重费米子超导体是20世纪世纪70年代末年代末期发现的，它的期发现的，它的只有只有。由于这类超导体的由于这类超导体的非常大，非常大，是普通金属的几百甚至几千倍。因此，推断出这是普通金属的几百甚至几千倍。因此，推断出这类超导体的类超导体的比比重几百甚至几千倍，因此称重几百甚至几千倍，因此称。的研究对于的研究对于研究研究有重大意义。有重大意义。20世纪世纪70年代，人们发现年代，人们发现具有超导电性。这类超导体具有超导电性。这类超导体表现出表现出的复杂现象，因此的复杂现象，因此又称

36、为又称为。在金属间化合物在金属间化合物(RTB)超导体中，超导体中，以以的的超导转变温度最高超导转变温度最高。后来人们又制备出后来人们又制备出YNi4B超导体和超导体和YNi2B2C超导体等等，四元素超导体等等，四元素的超导的超导转变温度达到转变温度达到。 复合超导材料复合超导材料许多许多与与可以进行可以进行，进而，进而形成形成。可以可以、和和等。等。有有超导电缆超导电缆、复合线复合线、复合带复合带、超超导细线导细线复合线等等，其主要由复合线等等，其主要由以及以及、以及高强度以及高强度和和六六部分组成。部分组成。n自超导性被发现以后的几十年间，超导转变温自超导性被发现以后的几十年间，超导转变温

37、度始终没有冲出液氦区，这给工业上的应用蒙度始终没有冲出液氦区，这给工业上的应用蒙上了一层阴影。高温超导材料的出现给超导性上了一层阴影。高温超导材料的出现给超导性的应用带来了新的希望，人们对高温超导体在的应用带来了新的希望，人们对高温超导体在工业和科学上的应用寄予了厚望，并普遍认为工业和科学上的应用寄予了厚望，并普遍认为不久的将来高温超导体就会成为新的技术革命不久的将来高温超导体就会成为新的技术革命的主角，为推动社会经济生产的发展作出重大的主角，为推动社会经济生产的发展作出重大的贡献。虽然超导材料的应用目前还要克服许的贡献。虽然超导材料的应用目前还要克服许多困难，但科学家们仍然相信它在工业上的大

38、多困难，但科学家们仍然相信它在工业上的大规模应用已经为期不远了。持乐观态度的人们规模应用已经为期不远了。持乐观态度的人们预计，超导产业将会创造预计，超导产业将会创造8000亿美元的巨大亿美元的巨大市场，市场， 高温超导材料的用途，大致可分为以下三类：高温超导材料的用途，大致可分为以下三类： （1 1）应用（强电应用）；应用（强电应用）； （2 2）应用（弱电应用）；应用（弱电应用）； （3 3）应用应用 电性应用电性应用其中，其中，主要是指主要是指用于用于、和和等三方面。等三方面。包括包括、等；等；主要应用于主要应用于和和等。等。超导材料最诱人的应用是超导材料最诱人的应用是、和和。n超导材料的

39、应用将会在电力工业中引起一场革命。 n1 1）输电：）输电：n常在电力输送过程中，送电、变电、配电等每一常在电力输送过程中，送电、变电、配电等每一步骤都不可避免地存在着电阻，当电流通过导线步骤都不可避免地存在着电阻，当电流通过导线时相当一部分电能转化成了热量而白白浪费掉了。时相当一部分电能转化成了热量而白白浪费掉了。为了减少能量损失，人们不得不在远距离电力输为了减少能量损失，人们不得不在远距离电力输送过程中一再提高电压。一座座高压输电铁塔威送过程中一再提高电压。一座座高压输电铁塔威武挺拔地耸立在江河平原、崇山峻岭，确实也给武挺拔地耸立在江河平原、崇山峻岭，确实也给人间平添了几分壮丽的景色，但人

40、类却为此付出人间平添了几分壮丽的景色，但人类却为此付出了极为昂贵的代价，耗费了难以估计的人力和物了极为昂贵的代价，耗费了难以估计的人力和物力。力。 据统计，目前的据统计，目前的导线输电，约有导线输电，约有15%的电能损耗在的电能损耗在上，光是在中国，每年上，光是在中国，每年的电力损失即达的电力损失即达1000多亿度。若改为超导输电，多亿度。若改为超导输电，节省的电能相当于新建数十个大型发电厂。节省的电能相当于新建数十个大型发电厂。 n于是大功率无电阻送电就成为人们神话于是大功率无电阻送电就成为人们神话般的梦想，而超导体的出现无疑使这种般的梦想，而超导体的出现无疑使这种梦想有可能变为现实。可以利

41、用超导材梦想有可能变为现实。可以利用超导材料制成很细的导线，在无需变电所和变料制成很细的导线，在无需变电所和变压器等配电设备的情况下，将电直接送压器等配电设备的情况下，将电直接送到千家万户，真是既安全又省钱，还大到千家万户，真是既安全又省钱，还大大提高了能量的利用率。大提高了能量的利用率。 n三个临界参数限制了超导体的应用，直到非理想第二类超导体的发现。n但是超导体运行非常不稳定，容易发生“失超”现象：1、外因2、内因2) 发电n由于超导材料由于超导材料在超导状态下在超导状态下具有具有和和，因此只需，因此只需，就可以，就可以获得获得10万高斯以上的万高斯以上的。而用而用做磁体，要产生这么大的磁

42、场做磁体，要产生这么大的磁场，需要消耗，需要消耗3.5兆瓦的兆瓦的及及，投，投资巨大。资巨大。可用于制作可用于制作、等。等。在电力领域，利用在电力领域，利用可以将可以将发发电机的磁场强度电机的磁场强度提高到提高到5万万6万高斯，并且几万高斯，并且几乎乎，这种发电机便是，这种发电机便是。超导发电机超导发电机的的比比常规发电机常规发电机提高提高510倍，达倍，达1万兆瓦，而万兆瓦，而却减少却减少1/2，整机整机减轻减轻1/3，提高提高50。 同样离不开同样离不开的帮助。的帮助。磁流体发电发电，是利用磁流体发电发电，是利用（等离（等离子体）作子体）作，并，并磁场强度为磁场强度为5万万6万万高斯的高斯

43、的而发电。而发电。磁流体发电机的磁流体发电机的非常非常，用于磁流体，用于磁流体发电的发电的还可还可。 超导磁体的优点：n1、电流密度比常规磁体高。n2、没有焦耳热损耗、n3、可以在更大的空间上获得更高的磁场超导材料超导材料在在时，不会损耗电时，不会损耗电力，故用它可把作力，故用它可把作可以可以做得很小做得很小。例如一台普通大型发电机需用例如一台普通大型发电机需用1520吨铜丝绕吨铜丝绕成线圈，如果用成线圈，如果用超导材料超导材料作线圈，只要几百克就够作线圈，只要几百克就够了，而发出的电力却一样。因此，了，而发出的电力却一样。因此，是一种是一种极好的极好的和和。1987年，美国国防部为适应年，美

44、国国防部为适应“星球大战星球大战”的的需要，决定建立一个需要，决定建立一个。在和平时期可向居民供电，在有导弹袭来时，可在和平时期可向居民供电，在有导弹袭来时，可，用激光摧毁导弹。，用激光摧毁导弹。 因为因为没有电阻，它的没有电阻，它的，可，可以回收以回收98的多余电力，而且的多余电力，而且。一旦需。一旦需要电力，在要电力，在0.3秒秒内就可从内就可从中把电流引中把电流引出来送到任何电网。这对星球大战时出来送到任何电网。这对星球大战时所需电力所需电力是非是非常重要的。常重要的。美国已设计并着手建造一个可以储存美国已设计并着手建造一个可以储存500万千万千瓦小时的瓦小时的。它的直径有。它的直径有1

45、568米，储存的电米，储存的电力足以供几十万人口的城市照明用电。力足以供几十万人口的城市照明用电。超导材料之所以能超导材料之所以能是因为是因为，只要，只要，。n超导体在电子学领域里更是大有用武之地。超导体在电子学领域里更是大有用武之地。高温超导体的出现使早已搁浅的超导计算高温超导体的出现使早已搁浅的超导计算机的研究重新起动；强超导磁体在核磁共机的研究重新起动；强超导磁体在核磁共振计算机断层诊断装置上的应用，可以使振计算机断层诊断装置上的应用，可以使它的分辨率大大提高，能诊断出更早期的它的分辨率大大提高，能诊断出更早期的癌细胞，以造福于子孙万代；癌细胞，以造福于子孙万代；n超导量子器件不但能探测

46、出埋在地下的矿超导量子器件不但能探测出埋在地下的矿物，也能探查人脑的高级神经活动，揭开物，也能探查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、超导磁强计、超制造的新型红外探测器、超导磁强计、超导重力仪、超导滤波器及各种微波器件，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、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，揭开的视觉和感

47、观延伸到微观世界深处，揭开物质起源、生命世界的奥秘。物质起源、生命世界的奥秘。 高速计算机要求高速计算机要求集成电路集成电路和和密集排列，但密集排列，但在工作时在工作时会会，而，而是超大规模集成电路是超大规模集成电路面临的难题。面临的难题。超导计算机中的超大规模超导计算机中的超大规模，其，其用用和和来制作，不存在散热问题，同时计算机的来制作，不存在散热问题，同时计算机的大大提高。大大提高。2)医学：医学：超导材料超导材料，可以用来制造一种能测量，可以用来制造一种能测量的电子元件，叫做的电子元件，叫做。它可以测量小到。它可以测量小到100亿亿分之一伏特的亿亿分之一伏特的和和100亿亿分之一安培的

48、亿亿分之一安培的(每秒仅通过几个电于每秒仅通过几个电于)，也可以测量小于也可以测量小于100万亿分之一特斯拉的万亿分之一特斯拉的(仅相仅相自于地磁场的自于地磁场的100亿分之一亿分之一)。由于由于有有病变时病变时会改变会改变信号，因此可用信号，因此可用诊断心脏诊断心脏和脑部的疾病。和脑部的疾病。就是利用就是利用的这一性能，它可以检测出稍大于的这一性能，它可以检测出稍大于10万亿分之一特万亿分之一特拉斯的拉斯的，并能确定几毫米范围内的神经信，并能确定几毫米范围内的神经信号源。因此，超导材料在医学上被称作号源。因此，超导材料在医学上被称作在交通运输业中，如何提高列车运行的速度一在交通运输业中，如何提高列车运行的速度一直是世界各国密切关注的重要问题。特别是随着社直是世界各国密切关注的重要问题。特别是随着社会的发展和交往的日益频繁，如何解决交通堵塞的会的发展和交往的日益频繁，如何解决交通堵塞的问题就变得更迫切和重要。由于车