超导材料的特征、发展及其应用

超导材料的特性、发展及其应用超导材料简介1.1超导材料的三个基本参量超导材料是指在一定的低温条件下会呈现出电阻等于零以及排斥磁力线的性质的材料，其材料具有三个基本临界参量，分别是：1＞临界温度Tc：破坏超导所需的最低温度。Tc是物质常数，同一种材料在相同条件下有确定的值。Tc值因材料而异，已测得超导材料Tc值最低的是钨，为0.012K。当温度在Tc以上时，超导材料具有有限的电阻值，我们称其处于正常态；当温度在Tc以下时，超导体进入零电阻状态，即超导态。2＞临界电流Ic和临界电流密度Jc：临界电流即破坏超导所需的最小电流，Ic一般随温度和外磁场的增加而减少。单位截面积上所承载的Ic称为临界电流密度，用Jc来表示。3＞临界磁场Hc：即破坏超导状态所需的最小磁场。HHeHHe图1-1位于球内的部分为超导状态超导材料的这些参量限定了应用材料的条件，因而寻找高参量的新型超导材料成了人们研究的重要课题。以Tc为例，从1911年荷兰物理学家昂纳斯发现超导电性(Hg，Tc=4.2K)起，直到1986年以前，人们发现的最高的Tc才达到23.2K(Nb3Ge，1973)。1986年瑞士物理学家K.A.米勒和联邦德国物理学家J.G.贝德诺尔茨发现了氧化物陶瓷材料的超导电性，从而将Tc提高到35K；之后仅一年时间，新材料的Tc已提高到了100K左右。如今，超导材料的Tc最高已超过了150K［1］。1.2超导体的分类第I类超导体：第I类超导体主要包括一些在常温下具有良好导电性的纯金属，如铝、锌、镓、镉、锡、铟等，该类超导体的溶点较低、质地较软，亦被称作“软超导体”。其特征是由正常态过渡到超导态时没有中间态，并且具有完全抗磁性。第I类超导体由于其临界电流密度和临界磁场较低，因而没有很好的实用价值2］。第II类超导体：除金属元素帆、锝和铌外，第II类超导体主要包括金属化合物及其合金。第II类超导体和第I类超导体的区别主要在于：第II类超导体由正常态转变为超导态时有一个中间态(混合态)；第II类超导体的混合态中有磁通线存在，而第I类超导体没有；第II类超导体比第I类超导体有更高的临界磁场、更大的临界电流密度和更高的临界温度。第II类超导体根据其是否具有磁通钉扎中心而分为理想第II类超导体和非理想第II类超导体。理想第II类超导体的晶体结构比较完整，不存在磁通钉扎中心，并且当磁通线均匀排列时，在磁通线周围的涡旋电流将彼此抵消，其体内无电流通过，从而不具有高临界电流密度。非理想第II类超导体的晶体结构存在缺陷，并且存在磁通钉扎中心，其体内的磁通线排列不均匀，体内各处的涡旋电流不能完全抵消，出现体内电流，从而具有高临界电流密度。在实际上，真正适合于实际应用的超导材料是非理想第II类超导体。图1-2第I和第II类超导体的几种状态超导材料的特性2.1零电阻效应超导材料处于超导态时电阻为零，能够无损耗地传输电能。如果用磁场在超导环中引发感生电流，这一电流可以毫不衰减地维持下去。1910年，昂纳斯开始和他的学生研究低温条件下的物态变化。1911年，他们在研究极低温下水银电阻与温度变化的关系时发现了超导现象，当时他们发现Hg的电阻在4.2K左右陡然下降。后来经实验证明，测量电流越小，电阻变化越尖锐；当电流足够小时，可以使得电阻的下降集中发生在0.01K的窄小范围内。在这个转变温度下，电阻完全消失。图2-1是Tc附近温度与电阻之间的关系。图2-1Tc附近温度与电阻之间的关系2.2迈斯纳效应(完全抗磁性)当一个磁体和一个处于超导态的超导体相互靠近时，磁体的磁场会使超导体表面中出现超导电流。此超导电流形成的磁场，在超导体内部，恰好和磁体的磁场大小相等，方向相反。这两个磁滞抵消，使超导体内部的磁感应强度为零，B=0，即超导体排斥体内的磁场。这就是迈斯纳效应。1933年，迈斯纳和奥克森费尔德发现超导体具有完全抗磁性。即超导体处于超导态时，只要周围的外加磁场没有强到可以破坏超导性的程度，超导体就会把穿透到体内的磁力线完全排出体外，在其内部永远保持磁感应强度为零。这与是将它先加磁场再降温至超导态，还是先进入超导态再加磁场的过程无关。迈斯纳效应的发生使人们意识到超导体的行为并不是不可逆的。迈斯纳效应和零电阻现象是实验上判定一个材料是否为超导体的两大要素。迈斯纳效应指明了超导态是一个热力学平衡状态，与如何进入超导态的途径无关，超导态的零电阻现象和迈斯纳效应是超导态的两个相互独立，又相互联系的基本属性。单纯的零电阻并不能保证迈斯纳效应的存在，但是零电阻效应又是迈斯纳效应的必要条件。因此，衡量一种材料是否是超导体，必须看是否同时具备零电阻和迈斯纳效应6］。2.3同位素效应同位素效应是指由于质量或自旋等核性质的不同而造成同一元素的同位素原子(或分子)之间物理和化学性质有差异的现象。同位素效应是同位素分析和同位素分离的基础。它在化学结构基本不变的情况下引起物理、化学常数的改变，因此能更深入地揭示物质微观结构与性质之间的关系。1950年美国科学家E.M.麦克斯韦和C.A.雷诺兹分别独立发现汞的几种同位素临界温度各不相同，它与原子量平方根成反比。同位素的原子量越小，Tc越高，后来发现其他超导元素也有类似现象，.就是超导的同位素效应［3］。见公式(1)..、而T=Ccost (1)式中M为元素的原子质量，Tc为超导材料的临界温度，C0和t均为常数。2.4超导的热力学性质(熵和比热)通过对磁场中超导转变的研究，可以帮助我们分析超导态的热力学性质，根据完全抗磁性，可以推导出在磁场中超导态的吉布斯函数：UG(T,H)=G(T)+-0H2由式(2)可知超导态的吉布斯函数是随磁场增加的。当T<Tc时，超导态的吉布斯函数比正常态时低，因此超导态是稳定的。但是，存在磁场时，随着磁场强度的加强，超导态的吉布斯函数不断增大，在达到一定临界磁场强度Hc时，超导态的吉布斯函数与正常态的吉布斯自由函数相等：-u—G(T)+-0H=G(T)磁场再加强，超导态的吉布斯函数将超过正常态，所以在临界场下，将发生由超导态到正常态的转变。在此基础上可以求出：S(T)-S(T)=--H也>0ns 0cdT对上式再求温度的微商，可以得到比热之差：dHC-C=-T(一c)2ns0cdTTc熵和比热对了解超导态的本质提供了一定的线索，在Tc以下超导态的熵更低，表明超导态的电子处于一种更有序的状态。这说明超导态是由于电子以某种方式组织和结合起来，使它们可以不受散射。在T<Tc时超导态具有比正常态更高的比热，说明这种超导电子的有组织状态随温度增加，是在不断瓦解着。3.超导的相关理论3.1伦敦方程伦敦方程是第一个对超导体的电动力学作统一描述的理论。该理论不仅说明了超导体的各种电磁性质，而且也解释了前述的迈斯纳效应。该理论指出:在超导态，处于外磁场中的超导体内并不是完全没有磁场，实际上外磁场可以穿透到超导体表面附近很薄的一层中，其穿透深度约为十万分之一厘米。3.2超导的BCS理论BCS理论是以近自由电子模型为基础，是在电子一声子作用很弱的前提下建立起来的理论。它是一个解释常规超导体的超导电性的微观理论，是以其发明者J.Bardeen，L.V.Cooper，J.R.Schrieffer的名字来命名的。从超导现象被发现开始，直到0BCS理论被提出后，其微观机理才得到一个令人满意的解释。BCS理论把超导现象看作一种宏观量子效应。它提出，金属中自旋和动量相反的电子可以配对形成所谓“库珀对”，库珀对在晶格当中可以无损耗的运动，形成超导电流。电子间的直接相互作用是相互排斥的库伦力。如果仅仅存在库伦直接作用的话，电子不能形成配对。但电子间还存在以晶格振动(声子)为媒介的间接相互作用。电子间的这种相互作用是相互吸引的，正是这种吸引作用导致子'库珀对”的产生。大致上，其机理如下：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”。BCS理论的影响远远超出了超导理论本身，Bardeen等人为解决超导问题采用的研究方法及数学技巧，在与超导不同的方向，如核物理、基本粒子等领域也得到了广泛应用°BCS理论不仅从微观上解释了超导电性，而且还开拓出许多新的研究领域。因此，它被认为是自量子理论发展以来对理论物理最重要的贡献之一。3.3约瑟夫森效应英国物理学家约瑟夫森在研究超导电性的量子特性时提出了量子隧道效应理论，也就是今天人们所说的约瑟夫森效应。该理论认为：电子对能够以隧道效应穿过绝缘层，在势垒两边电压为零的情况下，将产生直流超导电流，而在势垒两边有一定电压时，还会产生特定频率的交流超导电流。该理论也是超导电子学产生的基础。约瑟夫森效应分为直流约瑟夫森效应和交流约瑟夫森效应。利用直流约瑟夫森效应可以测量较弱的磁场强度，而且精度很高，利用该理论制成的磁强计，灵敏度可达10-12高斯。而利用交流约瑟夫森效应我们可以来精确测定电压值，并制成精度很高的测压装置，也可以制成保持和比较电动势的装置。此外，人们还利用交流约瑟夫森效应作辐射源，因为超导电流是大量库珀对激发的，这些库珀对构成了一个热力学系统。当交流约瑟夫森效应发生时，电子对是从化学势高的一方运动到化学势低的一方，该过程不消耗能量。这样，每一库珀对通过隧道结时，就会多出2ev的能量，该能量将会变出光子放出，所以隧道结可以作为辐射源，可以用此来产生和检测波长极短的电磁波。约瑟夫森效应的应用还远不止这些，该效应已成为当代电子技术极为注意的课题之一。迄今为止，它已经在国防、医学、科学研究和工业等各方面都得到了应用，在电压标准、磁场探测等方面的发展则更加迅速。现在，在计算机领域，该效应已经被作为逻辑及记忆元件使用。随着人们研究的不断深入，这种应用将会更加成熟和广泛。超导技术的发展1911年昂纳斯在4.2K的低温下首次取得了超导材料，到20世纪50年代科学家发现了二硼化镁。随着约瑟夫提出了一套完整的理论，1973年美国科学家发现Nb3Ge的临界温度为23K1986年1月瑞士美国国际商用机器公司设在瑞士苏黎世实验室科学家柏诺兹和缪勒首先发现钡镧铜氧化物是高温超导体，将超导温度提高到30K；紧接着，日本东京大学工学部又将超导温度提高到37K；年底，美籍华裔科学家朱经武又将超导温度提高到40.2K，液氢的“温度壁垒”被跨越。1987年2月，美国华裔科学家朱经武和中国科学家赵忠贤相继在Y-Ba-Cu-O系材料［12］上把临界超导温度提高到90K以上，液氮的禁区(77K)也奇迹般地被突破了。1987年底，Ta-Ba-Ca-Cu-O系材料又把临界超导温度提高到125K。自从高温超导材料发现以后，一阵超导热席卷了全球。科学家还发现铊系化合物超导材料的临界温度可达125K，汞系化合物超导材料的临界温度则可达135K。如果将汞置于高压条件下，其临界温度将能达到难以置信的164K。1997年，研究人员发现金铟合金在接近绝对零度时既是超导体同时也是磁体。1999年科学家发现钉铜化合物在45K时具有超导电性。由于该化合物独特的晶体结构，它在计算机数据存贮中的应用潜力将非常巨大。超导材料的应用5.1电子学应用自1962年超导量子隧道效应发现以后，超导技术在电子学中的应用揭开了新的篇章，经过多年的发展，至今已有许多新型的超导电子器件研制成功，这些超导电子器件包括：超导量子干涉器、超导混频器、超导粒子探测器等10］。超导量子干涉器是一种磁通一电压转换器件，如果用一个简单的输入变压器，就转变成电流一电压放大器。这种放大器灵敏度极高，噪声极小。SQUID磁强计能够测量非常微弱的磁场，其分辨率可达到10-11高斯左右，可以用来测量人体的微弱磁场，描绘出心磁力和脑磁图。超导混频器利用约瑟夫森结的变频作用，将高频信号转换成中频信号，主要应用于无线电技术中。超导粒子探测器具有很高的灵敏度和纳秒级的速度，可以用来检测从亚毫米波段到远红外波段的电磁信号。5.2科学实验应用科学工程和实验室是超导技术应用的一个重要方面，它包括高能加速器、核聚变装置等。高能加速器用来加速粒子产生人工核反应以研究物质内部结构。核聚变装置是长期以来人们解决能源问题的一个重要方向，其途径是将氘和氤加热后，使原子和弥散的电子成为一种等离子状态，在将这种高温等离子体约束在适当空间内的条件下，原子核就能够越过电子的排斥而互相碰撞产生核聚变反应。在这些应用中，超导磁体是高能加速器和核聚变装置不可缺少的关键部件。5.3交通和电力应用由于超导体的抗磁性，超导体可被磁场托起，或磁体托起超导体，这便是超导磁悬浮。正是基于这一原理，人们制造出磁悬浮列车。在列车下部装上超导线圈，当通有电流而列车启动后，就可以悬浮在铁轨上，由于其没有摩擦，故可大大提高列车的行驶速度，而且在高速行驶过程中（超过200km/h），超导磁悬浮列车比普通列车更安全［15］。而超导材料应用于电力领域，也使一些过去无法实现的电力装备而得到解决，包括超导电缆、超导限流器、超导储能装置和超导电机等［18］。其中高温超导电缆是采用无阻的、能传输高电流密度的超导材料作为导电体并能传输大电流的一种电力设施，具有截流能力大、损耗低、体积小和重量轻等优点，是解决大容量、低损耗输电的一个重要途径。此外，超导限流器是利用超导体的超导/正常态转变特性，有效限制电力系统故障短路电流，能够快速和有效地达到限流作用的一种电力设备。超导限流器集检测、触发和限流于一体，反应速度快，正常运行时的损耗很低，能自动复位，克服了常规熔断器只能使用一次的缺点。结束语：从先进的信息技术到医学科学，从电力应用到环境保护，从基础科学到交通运输，各种超导装置和器件都将发挥其优势作用［16］。如其他领域一样，超导领域要取得更大进展仍有许多技术上、制造上和市场上的问题有待解决。低温制冷技术是超导体应用的支撑技术，是超导工业未来的关键。参考文献A.C.罗斯-英尼斯，E.H.罗德里克(著)，章立源，毕金献(译).超导电性导论[M].北京：人民教育出版社，1981.14.⑵章立源，张金龙，崔广霁.超导物理学[M].北京：电子工业出版社，1995.219.张裕恒.超导物理[M].合肥：中国科学技术大学，1997.8.冯端，等.金属物理学(第四卷)•超导电性和磁性[M].北京：科学出版社，1998.246.陈在锋，崔景华，邢怀民.电趋肤效应与电子能态关系研究[J].河南师范大学学报(自然科学版)，2005，33(3)：158-159.黄昆.固体物理学[M].北京：高等教育出版社，1988.10.Bard