超導(dǎo)現(xiàn)象及其研究進(jìn)展畢業(yè)論文

1、摘 要超導(dǎo)材料作為一種新型的材料以其優(yōu)異的特性向人類展示著其巨大的應(yīng)用前景。超導(dǎo)技術(shù)作為一種新型的技術(shù)也越來(lái)越廣泛地被人類應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。本文介紹了超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)及發(fā)展歷史、超導(dǎo)的形成機(jī)理（bcs理論以及高溫超導(dǎo)理論的幾種猜想）、高溫超導(dǎo)材料的探究發(fā)現(xiàn)以及超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用。超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用有著巨大的潛力和發(fā)展前景。隨著人類對(duì)超導(dǎo)認(rèn)識(shí)的增加人類也越來(lái)越重視超導(dǎo)材料的開(kāi)發(fā)和超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用以及對(duì)高溫超導(dǎo)理論的研究。在新型超導(dǎo)材料探索方面主要有：有機(jī)聚合物 ,二硼化鎂，碳60 ，碳70等。在超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用方面主要有：超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)變壓器、超導(dǎo)限流器、超導(dǎo)sis混頻接收器以及超導(dǎo)磁懸浮列車等。關(guān)鍵詞: 超導(dǎo)電性

2、；bcs理論；超導(dǎo)材料；超導(dǎo)應(yīng)用abstractsuperconducting materials as a new type of material shows a great application prospect for its excellent characteristics .and,superconducting technology as a new type of technology is also used more and more widely in various fields . the aticle mainly introduces: the first i

3、s the history of developments of superconducting and its discovery,the second is the formation mechanism of the superconducting (the theory of bcs and several guesses to the theory of high temperature superconducting), the third is the exploration and discovery of the high temperature superconductin

4、g materials and the application of the superconducting technology. the application of the superconducting technology owns huge potential and the development of the prospect. along with the knowledge of superconducting increasing,we should pay more and more attention to the development of the superco

5、nducting materials and the application of the superconducting technology and the theory of high temperature superconducting. in the aspect of superconductor exploration mainly contains organic polymer, two mgb2, carbon 60, carbon 70 and etc. in the aspect of the application of superconducting techno

6、logy is mainly contains superconducting cables,superconducting transformer, superconducting fault current limiter,superconducting sis frequency mixing receiver and superconducting maglev train, and etc.key words: superconductivity; the theory of bcs; superconducting material; the application of supe

7、rconducting technology 目 錄摘 要iabstractii目 錄iii第一章 前 言1第二章 超導(dǎo)發(fā)展歷程32.1 超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)32.1.1 超導(dǎo)物理之父 ?？丝┝职簝?nèi)斯32.1.2 液化氦氣成功為超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)32.1.3 首次發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)42.1.4 零電阻效應(yīng)的證實(shí)42.2 超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展歷程52.2.1 bcs理論的發(fā)現(xiàn)與證實(shí)52.2.2 高溫超導(dǎo)材料的發(fā)展6第三章 超導(dǎo)微觀機(jī)制73.1 超導(dǎo)特性73.1.1 零電阻效應(yīng)73.1.2 邁斯納效應(yīng)73.1.3 約瑟夫森效應(yīng)83.2 超導(dǎo)的三個(gè)臨界參量93.2.1 超導(dǎo)材料的臨界溫度93.2.2 超導(dǎo)材料的臨界磁場(chǎng)11

8、3.2.3 超導(dǎo)材料的臨界電流113.3 低溫超導(dǎo)的微觀機(jī)制123.3.1 二流體模型123.3.2 同位素效應(yīng)123.3.3 庫(kù)珀對(duì)133.3.4 bcs理論143.3.5 倫敦方程163.4 高溫超導(dǎo)體163.4.1 高溫超導(dǎo)體材料特性163.4.2 高溫超導(dǎo)機(jī)制17第四章 超導(dǎo)材料簡(jiǎn)介194.1 超導(dǎo)體的分類194.1.1 超導(dǎo)界面能分類194.1.2 超導(dǎo)的化學(xué)成分分類204.1.3 超導(dǎo)臨界溫度分類214.2 高溫超導(dǎo)材料的制備工藝214.2.1 薄膜224.2.2 厚膜224.2.3 線材、帶材224.2.4 塊材234.3 部分超導(dǎo)材料簡(jiǎn)介234.3.1 碳60（）234.3.2

9、 二硼化鎂()23第五章 超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用245.1 超導(dǎo)技術(shù)在強(qiáng)電中的應(yīng)用245.1.1 超導(dǎo)在電力傳輸中的應(yīng)用245.1.2 超導(dǎo)發(fā)電機(jī)255.1.3 超導(dǎo)變壓器265.1.4 超導(dǎo)限流器275.2 超導(dǎo)材料在弱電中的應(yīng)用275.2.1 無(wú)損檢測(cè)275.2.2 超導(dǎo)微波器件在移動(dòng)通信中的應(yīng)用285.2.3 超導(dǎo)探測(cè)器285.2.4 超導(dǎo)計(jì)算機(jī)285.3 超導(dǎo)技術(shù)在交通運(yùn)輸中的應(yīng)用285.3.1 超導(dǎo)磁懸浮列車295.3.2 超導(dǎo)軸承295.4 超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)29第六章 結(jié) 論32參考文獻(xiàn)34文獻(xiàn)綜述36第1章 前 言自從1911年卡末林昂內(nèi)斯發(fā)現(xiàn)了低溫超導(dǎo)體（汞溫度4.2k以下電阻突然消失）以

10、來(lái)，100年已經(jīng)過(guò)去。人類對(duì)超導(dǎo)理論（或微觀機(jī)理）以及超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用的研究始終保持著高度熱情。高溫超導(dǎo)問(wèn)題，一直以來(lái)既是物理上令人感興趣的問(wèn)題之一，也是從超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用來(lái)講潛在的極其重要的難題之一。著名科學(xué)家馬梯阿斯曾經(jīng)斷言：“如果在常溫下能夠?qū)崿F(xiàn)超導(dǎo)，那么現(xiàn)代文明的一切技術(shù)都將發(fā)生變化?！背瑢?dǎo)技術(shù)的發(fā)展史大致可以分為三個(gè)階段。第一階段：1911年低溫超導(dǎo)現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)到1957年低溫超導(dǎo)微觀理論被發(fā)現(xiàn)。這一階段是人類對(duì)超導(dǎo)電性的基本認(rèn)知階段。1957年由巴丁、庫(kù)珀、施里弗共同發(fā)現(xiàn)的低溫超導(dǎo)理論（也可稱為常規(guī)超導(dǎo)理論），該理論的核心是提出了庫(kù)珀電子對(duì)概念。1972年巴丁、庫(kù)珀、施里弗三人因此獲得諾貝爾

11、物理學(xué)獎(jiǎng)。這是人類對(duì)超導(dǎo)電性的基礎(chǔ)認(rèn)識(shí)階段。第二階段：從1958年到1985年，在這一階段人類進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了低溫超導(dǎo)材料的眾多特性為超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用做好了充分的準(zhǔn)備。1961年賈埃瓦通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了bcs理論，并測(cè)量到零電壓超導(dǎo)電流。1962年約瑟夫遜在著名科學(xué)家安德森的指導(dǎo)下發(fā)現(xiàn)了約瑟夫遜效應(yīng)（隧道效應(yīng)）。這一階段的發(fā)現(xiàn)拓展了超導(dǎo)的應(yīng)用范圍。第三階段：1986年發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)變溫度高于30k的超導(dǎo)材料（鋇鑭銅氧化物）后，人們逐步轉(zhuǎn)入高溫超導(dǎo)技術(shù)開(kāi)發(fā)時(shí)代。在這一階段人類對(duì)高溫超導(dǎo)機(jī)制的認(rèn)識(shí)及理論上的進(jìn)步也相伴而生。到目前為止，高溫超導(dǎo)材料已經(jīng)發(fā)展了三十多年，但對(duì)高溫超導(dǎo)問(wèn)題仍眾說(shuō)紛紜，高溫超導(dǎo)理論仍還在探

12、討。改革開(kāi)放以來(lái)我國(guó)社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)體制逐步建立，綜合國(guó)力日益增強(qiáng)，人民生活水平大大提高，然而在這快速發(fā)展的同時(shí)一些深層次的矛盾與問(wèn)題日益積累和加深，致使我國(guó)的可持續(xù)發(fā)展面臨著諸多困境。一、一次能源資源面臨枯竭，相關(guān)要素資源嚴(yán)重短缺。目前我國(guó)探明可開(kāi)采的石油儲(chǔ)量約21億噸預(yù)計(jì)還可開(kāi)采11.3年，煤炭1145億噸預(yù)計(jì)還可開(kāi)采45年，天然氣1.88萬(wàn)億立方米預(yù)計(jì)還可開(kāi)采27.2年（數(shù)據(jù)來(lái)源：bp世界能源統(tǒng)計(jì)2008）。二、資源消耗過(guò)大，環(huán)境嚴(yán)重惡化，面臨巨大的溫室氣體減排壓力?？茖W(xué)觀測(cè)表明，地球大氣中二氧化碳的濃度已從工業(yè)革命前的280ppm（280 毫升/ 立方米） 上升到了2008 年的386

13、ppm1。以上的數(shù)據(jù)表明我國(guó)（乃至全球）要實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展必須走低能高效之路，一方面最大限度地提高能源特別是不可再生能源的終端利用效率，另一方面大力開(kāi)發(fā)利用新能源，尋找滿足我國(guó)能源需求的終極解決途徑。中國(guó)南方電力公司副總經(jīng)理肖鵬曾在中國(guó)電力工業(yè)變革與發(fā)展的戰(zhàn)略選擇中強(qiáng)調(diào)要高度重視并加快高溫超導(dǎo)技術(shù)的研發(fā)利用。他指出：高溫超導(dǎo)技術(shù)是21 世紀(jì)有可能為電力工業(yè)帶來(lái)革命性變化的唯一高科技儲(chǔ)備，也是未來(lái)新能源變革的重要技術(shù)支撐。高溫超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用前景十分廣闊，其大致可分為三大類：強(qiáng)電應(yīng)用（主要用于超導(dǎo)發(fā)電機(jī)發(fā)電、超導(dǎo)電纜輸電、超導(dǎo)電機(jī)和超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)等）；弱電應(yīng)用（主要用于超導(dǎo)天線、超導(dǎo)計(jì)算機(jī)、超導(dǎo)微波器

14、件等）；完全抗磁性的應(yīng)用（主要用于磁懸浮列車和熱核聚變反應(yīng)堆等）。在目前各類應(yīng)用中，高溫超導(dǎo)輸電與電網(wǎng)企業(yè)最為相關(guān)。從超導(dǎo)材料被發(fā)現(xiàn)之日起，人類就看到了其優(yōu)異特性的良好應(yīng)用前景。但要實(shí)際應(yīng)用超導(dǎo)材料的這些特性又受到諸多因素的制約，首先是它的特性受臨界參量限制，其次還受超導(dǎo)材料制作的工藝等一系列問(wèn)題的制約。超導(dǎo)從1911年問(wèn)世以來(lái)經(jīng)過(guò)這100年的發(fā)展已經(jīng)從出生的嬰兒步入了少年時(shí)代，在這蓬勃發(fā)展的階段更需要世界的關(guān)注。讓我們一同努力讓這個(gè)“新生命”更早更好地為更好地服務(wù)。第2章 超導(dǎo)發(fā)展歷程2.1 超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)2.1.1 超導(dǎo)物理之父 ?？丝┝职簝?nèi)斯1853年9月21日?？丝┝职簝?nèi)斯2（heik

15、e kamerlingh onnes）出生于荷蘭的格羅寧根。1882年，昂內(nèi)斯擔(dān)任萊頓大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)教授，并創(chuàng)建了聞名世界的低溫研究中心萊頓實(shí)驗(yàn)室（后更名為卡末林昂內(nèi)斯實(shí)驗(yàn)室）。1911年，昂內(nèi)斯利用液氦將金和鉑冷卻到4.3k以下，發(fā)現(xiàn)鉑的電阻為一常數(shù)。隨后他又將汞卻到4.2k以下，測(cè)量到其電阻幾乎降為零，這就是物體的超導(dǎo)性。1913年，昂內(nèi)斯又發(fā)現(xiàn)錫和鉛也和汞一樣具有超導(dǎo)性。1913年，由于對(duì)物質(zhì)在低溫狀態(tài)下性質(zhì)的研究以及液化氦氣，昂尼斯被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 在昂尼斯的領(lǐng)導(dǎo)下，萊頓大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室成為世界低溫物理學(xué)的研究中心。 1926年2月21日逝世。為紀(jì)念他，萊頓大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室1932年

16、更名為“卡末林昂尼斯實(shí)驗(yàn)室”。2.1.2 液化氦氣成功為超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)1873年荷蘭物理學(xué)家范德瓦爾斯成功的提出了描述實(shí)際氣體的范德瓦爾斯氣體理論并用單一方程（范德瓦爾斯氣體方程）描述出實(shí)際氣體的分子行為。范德瓦爾斯氣體方程的提出為氣體液化提供了理論基礎(chǔ)。(2-1)范德瓦爾斯氣體方程：式中：p 為氣體的壓強(qiáng) 、a 為度量分子間引力的唯象參數(shù)、b 為單個(gè)分子本身包含的體積、v 為每個(gè)分子平均占有的空間大?。礆怏w的體積除以總分子數(shù)量）、k 為玻爾茲曼常數(shù)、t 絕對(duì)溫度。由范德瓦爾斯氣體方程可得出任何氣體只要在溫度足夠低、壓強(qiáng)足夠大的情況下都可能被液化。1882年卡末林昂內(nèi)斯被聘為來(lái)登大學(xué)教授

17、。他選定測(cè)量氣體低溫性質(zhì)以檢驗(yàn)范德瓦爾斯氣體理論作為研究方向。為此,他在來(lái)登大學(xué)建立了低溫實(shí)驗(yàn)室(后來(lái)這個(gè)實(shí)驗(yàn)室被更名為卡末林昂內(nèi)斯實(shí)驗(yàn)室)。他面臨的首要任務(wù)是創(chuàng)造低溫條件。1906年來(lái)登實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了氫氣的液化。這樣已經(jīng)能達(dá)到20 k 的低溫條件, 此后, 采用減壓降溫的方法, 在液化氫氣的基礎(chǔ)上減壓進(jìn)人14 k 左右的低溫區(qū)。把氦氣液化成為了當(dāng)時(shí)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。1908 年7 月10 日在卡末林昂內(nèi)斯實(shí)驗(yàn)室人們首次看見(jiàn)氦氣被液化了。當(dāng)時(shí)測(cè)定在一個(gè)大氣壓下, 氦的沸點(diǎn)是4.25 k 。2.1.3 首次發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)1908年卡末林一昂內(nèi)斯的來(lái)登實(shí)驗(yàn)室首次實(shí)現(xiàn)了氦氣液化。這樣已經(jīng)能夠達(dá)到4.2k 的低

18、溫條件, 此后由采用減壓降溫的方法, 在液氦的基礎(chǔ)上已進(jìn)人1.5 k 左右的低溫區(qū)，低溫條件已屬最前列。卡末林一昂內(nèi)斯開(kāi)始按既定計(jì)劃進(jìn)人低溫物性領(lǐng)域。 實(shí)現(xiàn)了氦的液化而能達(dá)到4 k 到1 k 的極低溫區(qū)是研究極低溫下物性問(wèn)題的重要條件。在實(shí)現(xiàn)了氫氣的液化后, 昂內(nèi)斯在液氫溫度下測(cè)量了金、銀、鉍、鉛、汞和鉑的電阻。他發(fā)現(xiàn)不同純度的金屬在低溫條件下電阻變化的情況不同：隨著溫度的下降, 越純的金屬，電阻變得越小， 尤其是金和鉑更明顯.。獲得液氦后，昂內(nèi)斯研究了液氦溫度下鉑和金的電阻，并提出了附加的雜質(zhì)電阻概念。他發(fā)現(xiàn)鉑的電阻在4. 3 k以下是一個(gè)定值，認(rèn)為這個(gè)電阻可能是由雜質(zhì)引起。若鉑非常純凈，那

19、么其電阻很有可能會(huì)在氦氣的沸點(diǎn)一下溫度消失為零。他利用普朗克量子概念并類比愛(ài)因斯坦于量子固體比熱理論, 提出純金屬的電阻在0k時(shí)減小為零。在以后研究工作中, 昂內(nèi)斯采用盡可能純凈的金屬樣品來(lái)做實(shí)驗(yàn)以排除雜質(zhì)對(duì)電阻的影響。汞在常溫下可以連續(xù)用蒸餾法提純，因而汞是當(dāng)時(shí)可利用的最純金屬。昂內(nèi)斯的學(xué)生霍耳斯特在測(cè)量極低溫下汞的電阻行為的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：當(dāng)冷卻至氦的沸點(diǎn)( 4. 2 k)時(shí), 汞的電阻突然降到零；當(dāng)升溫到4. 2 k 時(shí)這種現(xiàn)象消失；再冷卻到4.2k時(shí)這種現(xiàn)象又會(huì)出現(xiàn)。昂內(nèi)斯又重復(fù)做了多次實(shí)驗(yàn)后終于確認(rèn): 在4. 2 k 附近汞的電阻已經(jīng)降到該實(shí)驗(yàn)室無(wú)法測(cè)出的程度. 昂內(nèi)斯在低溫物性和液化氦

20、研究方面做出的突出成果開(kāi)辟了低溫超導(dǎo)領(lǐng)域，對(duì)物理學(xué)研究有著及其重大意義。因此榮獲了1913 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。授獎(jiǎng)儀式上的評(píng)價(jià)為：他創(chuàng)造了這些可能性，同時(shí)開(kāi)辟了一個(gè)對(duì)于物理科學(xué)具有偉大意義和結(jié)果的領(lǐng)域.2.1.4 零電阻效應(yīng)的證實(shí)為了證實(shí)在超導(dǎo)態(tài)下電阻是不是真的完全消失了，昂內(nèi)斯做了一個(gè)巧妙的實(shí)驗(yàn)測(cè)量超導(dǎo)態(tài)下電阻減小的程度。他先把超導(dǎo)環(huán)置于磁場(chǎng)中，然后降低溫度使其進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)，再將磁場(chǎng)撤去，超導(dǎo)環(huán)中將產(chǎn)生感應(yīng)電流，通過(guò)觀察感應(yīng)電流的衰減情況發(fā)現(xiàn)：兩個(gè)多小時(shí)內(nèi)沒(méi)有看到超導(dǎo)環(huán)中電流沒(méi)有絲毫衰減。昂內(nèi)斯由此實(shí)驗(yàn)估計(jì)超導(dǎo)環(huán)的電阻率不會(huì)超過(guò). 其后柯林斯用同樣的方法使一超導(dǎo)環(huán)中的電流持續(xù)了約兩年半之久未發(fā)

21、現(xiàn)電流有明顯變化。后來(lái)奎恩等人實(shí)驗(yàn)得出：超導(dǎo)態(tài)鋁的電阻率小于。 再后來(lái)法奧和邁奧斯利用核磁共振方法通過(guò)測(cè)量超導(dǎo)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)來(lái)研究螺線管內(nèi)超導(dǎo)電流的衰變情況發(fā)現(xiàn)其衰減時(shí)間超過(guò)10 萬(wàn)年2。實(shí)驗(yàn)證明：超導(dǎo)材料電阻率也遠(yuǎn)小于cm ，而 0 時(shí)，良導(dǎo)體銅的電阻率為 cm 。超導(dǎo)體的電阻值比它在 0 的電阻值至少要小 倍。因此超導(dǎo)體的電阻實(shí)際上可看作零。2.2 超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展歷程超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展歷程大致可以分為低溫超導(dǎo)原理（bcs理論）的探究、導(dǎo)材料對(duì)磁場(chǎng)產(chǎn)生的影響（約瑟夫遜效應(yīng)）的探究、高溫超導(dǎo)材料的探索三個(gè)階段。2.2.1 bcs理論的發(fā)現(xiàn)與證實(shí)從1911年到1933年這20多年的時(shí)間里，人們一直認(rèn)

22、為超導(dǎo)體只不過(guò)是電阻為零的理想導(dǎo)體，而完全抗磁性的發(fā)現(xiàn)，使人們認(rèn)識(shí)到超導(dǎo)態(tài)實(shí)際上是一個(gè)熱力學(xué)態(tài)，完全導(dǎo)電性和完全抗磁性是超導(dǎo)體的兩個(gè)基本特征。早在20世紀(jì)30年代巴丁就認(rèn)識(shí)到超導(dǎo)電性是宏觀尺度上的一種量子現(xiàn)象。并認(rèn)為電子間存在因某種形式的相互作用而形成耦合，使得最低態(tài)與激發(fā)態(tài)之間被隔開(kāi)。他還指出，基于邁斯納效應(yīng)的完全抗磁性才是超導(dǎo)體真正的基本性質(zhì)。1940年，巴丁提出費(fèi)米面起因于晶格微小位移而產(chǎn)生的一些小能隙，在緊靠費(fèi)米面下面的態(tài)的電子能量被降低。1955年，巴丁明確提出了超導(dǎo)現(xiàn)象的產(chǎn)生涉及三個(gè)關(guān)鍵因素：一是電子-聲子相互作用；二是能隙的存在：三是速度(動(dòng)量)空間的凝聚3。1956年春天，庫(kù)珀

23、利用量子場(chǎng)論的方法，從動(dòng)力學(xué)的角度考慮相互吸引的作用，得到了費(fèi)米面附近的兩個(gè)動(dòng)量和自旋都大小相等但方向相反的兩個(gè)電子能相互結(jié)合。這種結(jié)合的電子對(duì)被稱為“庫(kù)珀對(duì)”。庫(kù)珀對(duì)的兩個(gè)電子在電子一聲子相互作用產(chǎn)生的吸引力與排斥的庫(kù)侖力相互作用抵消后還有一個(gè)凈吸引，使得兩個(gè)電子處于束縛態(tài)，能量比費(fèi)米面能量還要低一些，形成超導(dǎo)能隙。1957年初，施里弗又成功地提出了超導(dǎo)基態(tài)波函數(shù)。接著他們又得出了包括正常態(tài)和超導(dǎo)態(tài)之間的基態(tài)能量差，以及對(duì)于t=ok時(shí)的能隙的解釋等初步結(jié)果。1957年12月，第一 篇完整概述超導(dǎo)理論的文章發(fā)表在了物理評(píng)論上人們習(xí)慣上取三位科學(xué)家的第一個(gè)字母，稱這一理論為bcs理論。bcs理論

24、的創(chuàng)立標(biāo)志著人們對(duì)超導(dǎo)電性的解釋從宏觀唯象階段進(jìn)入了微觀階段。 2.2.2 高溫超導(dǎo)材料的發(fā)展超導(dǎo)體得天獨(dú)厚的特性，使它有著廣泛的應(yīng)用前景。但由于早期的超導(dǎo)體存在于液氦極低溫度條件下，極大地限制了超導(dǎo)材料的應(yīng)用范圍。人們一直在探索高溫超導(dǎo)體，從1911年到1986年，75年間從水銀的42k提高到鈮三鍺的2322k，才提高了19k。直到1986年瑞士ibm實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家繆勒和柏諾茲發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)變溫度為36k的la- ba- cu- o超導(dǎo)體，揭開(kāi)了高溫超導(dǎo)發(fā)展的帷幕。銅酸鹽高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)是超導(dǎo)材料研究上的一次重大突破，打開(kāi)了混合金屬氧化物超導(dǎo)體的研究方向。1987年初，美籍華裔科學(xué)家朱經(jīng)武和中國(guó)科學(xué)

25、家趙忠賢把y- ba- cu- o系材料的臨界超導(dǎo)溫度提高到了90k以上。1987年底，t1-ba-ca-cu-o系材料的臨界超導(dǎo)溫度的記錄又被提高到125k。從1986年到1987年僅僅一年多的時(shí)間，超導(dǎo)臨界溫度從36k提高到了100 k以上，使超導(dǎo)的應(yīng)用和發(fā)展邁上了一個(gè)新臺(tái)階。1991年，北京大學(xué)化學(xué)系、物理系在成功地合成c60以后，于7月份先后研制成功新型超導(dǎo)體摻鉀碳60和摻銣碳60。1993年，北京大學(xué)碳60科研組又通過(guò)重結(jié)晶法分離、純化c60、c70。隨后又對(duì)c60、c70的高效液相色譜分析提出中壓液相色譜分離方法。1999年中科院成功地在紫荊山天文臺(tái)上13.7米毫米波射電天文望遠(yuǎn)鏡

26、上安裝了超導(dǎo)sis混頻接收機(jī)。超導(dǎo)sis混頻技術(shù)是當(dāng)今最先進(jìn)的高靈敏度、低噪聲檢測(cè)技術(shù)，其接近量子極限的噪聲性能使它成為射電天文研究及大氣物理研究中分子譜線觀測(cè)的最佳手段。2000年7月，中科院電工所開(kāi)發(fā)的6米長(zhǎng)高溫超導(dǎo)電纜成功通過(guò)了1450安培的電流試驗(yàn)，這標(biāo)志著我國(guó)已經(jīng)全面掌握了高溫超導(dǎo)電纜的關(guān)鍵技術(shù)。2009年10月10日,美國(guó)科學(xué)家合成物質(zhì)(tl4ba)ba2ca2cu7o13+,將超導(dǎo)溫度提高到254k,距離冰點(diǎn)僅19，對(duì)于推廣超導(dǎo)的實(shí)際應(yīng)用具有極大的意義。總之，超導(dǎo)材料的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，即由一元系到二元系、三元系以至多元系的過(guò)程，銅酸鹽高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)在科技領(lǐng)域有著巨大

27、的影響。第三章 超導(dǎo)微觀機(jī)制3.1 超導(dǎo)特性3.1.1 零電阻效應(yīng)當(dāng)溫度t下降至某一數(shù)值以下時(shí)，超導(dǎo)體材料的電阻突然變?yōu)榱?，這稱為超導(dǎo)材料的零電阻效應(yīng)，也稱作超導(dǎo)電性。1911年，kamerlin onnes發(fā)現(xiàn)了一個(gè)非同尋常的現(xiàn)象：隨著溫度下降汞的電阻不是平滑地下降, 而是在4.15k（4.15k）下突然降到零 (當(dāng)時(shí)能測(cè)到的電阻率下限為10-16m)，這是人們第一次看到的超導(dǎo)電性。后來(lái)的實(shí)驗(yàn)證明，電阻突變溫度與汞的純度無(wú)關(guān)，只是汞越純，突變?cè)郊怃J。隨后，人們?cè)趐b、zn以及al等其它材料中也發(fā)現(xiàn)了這種特性：在同時(shí)滿足臨界條件(臨界電流 ic、臨界磁場(chǎng) hc、臨界溫度 tc等)時(shí)材料的電阻突

28、然消失，這種現(xiàn)象稱為超導(dǎo)零電阻現(xiàn)象。從此，誕生了一門新興的學(xué)科超導(dǎo)。在低溫下，隨著電阻的消失，材料出現(xiàn)了一種新的狀態(tài)，這種狀態(tài)被稱作超導(dǎo)態(tài)，這種材料被稱為超導(dǎo)體材料，超導(dǎo)體發(fā)生電阻躍變時(shí)的溫度，叫做臨界溫度或轉(zhuǎn)變溫度，用表示。超導(dǎo)體的電阻值比它在 0 的電阻值至少要小 倍。電阻率也遠(yuǎn)小于cm ，而 0 時(shí)，銅的電阻率為cm ，超導(dǎo)體的電阻實(shí)際上可看作零。3.1.2 邁斯納效應(yīng)在1933年以前，人們從零電阻出發(fā)，一直把超導(dǎo)體和完全導(dǎo)體（或稱無(wú)阻導(dǎo)體，是一種假象的理想體）完全等同起來(lái)。由歐姆定律： 完全導(dǎo)體r=0故無(wú)論i多大電勢(shì)差u0，又因?yàn)橛纱?，在完全?dǎo)體中不能存在電場(chǎng)，即e=0，于是有: （3

29、-1） 這就是說(shuō)，在完全導(dǎo)體中不可能有隨時(shí)間變化的磁感應(yīng)強(qiáng)度；即在完全導(dǎo)體內(nèi)部保持著它失去電阻前一刻時(shí)樣品內(nèi)部的磁場(chǎng)，可認(rèn)為磁通分布被“凍結(jié)”4在完全到體內(nèi)，外加磁場(chǎng)的改變不能改變“凍結(jié)”在完全導(dǎo)體內(nèi)部的磁通分布。在邁斯納和奧克森菲爾德實(shí)驗(yàn)前這種“凍結(jié)”概念一直被沿用。1933年德國(guó)物理學(xué)家?jiàn)W森菲爾德和邁斯納在對(duì)錫單晶球超導(dǎo)體做磁場(chǎng)分布測(cè)量時(shí)發(fā)現(xiàn)，在磁場(chǎng)中把金屬冷卻使其進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)時(shí)，超導(dǎo)體內(nèi)的磁感應(yīng)線一下子全部被排出，磁感應(yīng)線不能穿過(guò)它的體內(nèi)，也就是說(shuō)在超導(dǎo)體材料處于超導(dǎo)狀態(tài)時(shí)，超導(dǎo)體內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度恒等于零。超導(dǎo)體材料一旦進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)，體內(nèi)的磁感應(yīng)線將全部被排出體外，磁感應(yīng)強(qiáng)度恒為零。不論對(duì)導(dǎo)體

30、是先加磁場(chǎng)后降溫，還是先降溫后加磁場(chǎng)，只要一旦進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)，超導(dǎo)體就會(huì)把全部磁感應(yīng)線排出體外。超導(dǎo)體的這種完全抗磁性，是超導(dǎo)體的另一個(gè)基本特性。產(chǎn)生邁斯納效應(yīng)的原因是：當(dāng)超導(dǎo)體材料處于超導(dǎo)狀態(tài)時(shí)，在外磁場(chǎng)的作用下，材料表面將產(chǎn)生一個(gè)無(wú)損耗的感應(yīng)電流。感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)又恰恰與外加磁場(chǎng)大小相等、方向相反。因此，在超導(dǎo)體材料在處于超導(dǎo)狀態(tài)時(shí)其體內(nèi)總合成磁場(chǎng)為零。這個(gè)無(wú)損耗感應(yīng)電流對(duì)外加磁場(chǎng)起著屏蔽作用，因此稱它為抗磁性屏蔽電流。3.1.3 約瑟夫森效應(yīng)1962年，英國(guó)劍橋大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)研究生約瑟夫森預(yù)言，當(dāng)兩個(gè)超導(dǎo)體之間設(shè)置一個(gè)絕緣薄層構(gòu)成sis（superconductor-insulator-

31、 superconductor）時(shí)，電子可以從一個(gè)超導(dǎo)體穿過(guò)絕緣體而到達(dá)另一面的超導(dǎo)體。這一預(yù)言很快就被安德森和羅厄耳通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)：電子通過(guò)了兩塊超導(dǎo)材料間的薄絕緣層（厚度約為10埃）發(fā)生了隧道效應(yīng)。5所謂隧道效應(yīng)，是指在兩片金屬間夾有極薄的絕緣層（厚度大約為幾個(gè)納米，如氧化薄膜），當(dāng)兩端施加勢(shì)能形成勢(shì)壘v時(shí)，導(dǎo)體中有動(dòng)能為e的部分微粒子在er時(shí)，不能形成電子對(duì)，此時(shí)材料表現(xiàn)為正常態(tài)。當(dāng)rr時(shí)，這兩電子形成庫(kù)珀電子對(duì)，此時(shí)材料表現(xiàn)為超導(dǎo)態(tài)。(3-5)在超導(dǎo)體外加電磁場(chǎng)后，電子的動(dòng)能變?yōu)?3-6)代入上式得：(3-7)對(duì)于超導(dǎo)同位素，若相同，則有(3-8)式中c為常量。(3-9)當(dāng)時(shí)，就可得到(

32、3-10)由試驗(yàn)得出：其中m為同位素質(zhì)量。同位素效應(yīng)揭示出超導(dǎo)電性與電子和晶格的振動(dòng)有關(guān)。同位素之間的電子分布狀態(tài)是相同的，原子質(zhì)量是不同的，導(dǎo)致臨界電流不同。它告訴人們電子-聲子的相互作用與超導(dǎo)電性密切相關(guān)。3.3.3 庫(kù)珀對(duì)在低溫超導(dǎo)體中，電子并不是單個(gè)地進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，而是以弱耦合形式形成配對(duì)，一般稱之為庫(kù)珀對(duì)。形成庫(kù)珀對(duì)的兩個(gè)電子，一個(gè)自旋向上，另一個(gè)自旋向下。金屬中的兩個(gè)電子之間存在著通過(guò)交換聲子而發(fā)生的吸引作用。由于這種吸引作用，費(fèi)密面附近的電子兩兩結(jié)合形成的“庫(kù)珀對(duì)”?！皫?kù)珀對(duì)”的形成使電子氣的能量下降到低于正常費(fèi)密分布時(shí)的能量，使得在連續(xù)的能帶態(tài)以下出現(xiàn)一個(gè)單獨(dú)的能級(jí)。這個(gè)單獨(dú)能級(jí)與

33、連續(xù)能級(jí)之間的間隔就叫做超導(dǎo)體的能隙。實(shí)驗(yàn)證明，超導(dǎo)態(tài)的電子能譜與正常態(tài)不同，在費(fèi)密能（最低激發(fā)態(tài)與基態(tài)之間）附近出現(xiàn)了一個(gè)半寬度為能量間隙。10-310-4ev。（如圖3-4）正常態(tài) 超導(dǎo)態(tài)圖3-4 t=0k下的正常態(tài)和超導(dǎo)態(tài)電子能譜figure 3-4 t = 0 k is normal and the superconducting state the electronic energy拆散一個(gè)庫(kù)珀對(duì)產(chǎn)生兩個(gè)單電子至少需要能隙寬度2的能量。熱運(yùn)動(dòng)可以拆散電子對(duì)產(chǎn)生單電子。能隙的存在使得在溫度t低于臨界溫度tc時(shí)，超導(dǎo)體中單電子的數(shù)目按exp(-2/kt)變化。這就導(dǎo)致超導(dǎo)體的電子比熱容和

34、熱導(dǎo)率按溫度指數(shù)規(guī)律變化。當(dāng)電磁波的頻率足夠高(h2)時(shí)，同樣可以激發(fā)出單電子。此時(shí)超導(dǎo)體會(huì)吸收電磁波。在以超導(dǎo)體為一個(gè)電極的隧道結(jié)中，當(dāng)結(jié)電壓足夠高(v/)時(shí),大量的電子對(duì)被拆散，形成單電子參與隧道過(guò)程,使隧道電流在v=/處突然上升，若隧道結(jié)的兩個(gè)電極都是超導(dǎo)體，能隙為1、2,則在v(1+2)/處突然上升。這些現(xiàn)象都證明能隙的存在，并可用來(lái)測(cè)定能隙值2?？梢?jiàn)超導(dǎo)態(tài)是由正則動(dòng)量為零的超導(dǎo)電子組成的，它是動(dòng)量空間的凝聚現(xiàn)象。3.3.4 bcs理論bcs理論5是解釋常規(guī)超導(dǎo)體的超導(dǎo)電性的微觀理論。bcs理論的兩個(gè)基本概念：第一，超導(dǎo)材料的費(fèi)密面附近的電子之間存在通過(guò)電子聲子的相互交換而產(chǎn)生吸引作用

35、。第二，這種吸引作用大于電子間的斥力使得費(fèi)密面附近的電子兩兩結(jié)合成對(duì)，叫做庫(kù)珀對(duì)。庫(kù)珀對(duì)是自旋為零的玻色子。在低溫條件下大量的厙珀對(duì)處于它們的基態(tài)，就像玻色一愛(ài)因斯坦凝聚。超導(dǎo)狀態(tài)很多特別的宏觀量子性質(zhì)，就是波色愛(ài)因斯坦凝聚的表現(xiàn)。特別是，傳導(dǎo)電流的載體是攜帶電量為負(fù)二電子伏的庫(kù)珀對(duì)。(3-11)在超導(dǎo)基態(tài)中使一個(gè)庫(kù)珀對(duì)解體而形成兩個(gè)獨(dú)立電子7，這樣就得到超導(dǎo)體的一個(gè)激發(fā)態(tài)這種由庫(kù)珀對(duì)中解體出來(lái)的電子被稱為元激發(fā)。元激發(fā)的能譜是 (3-12)其中，其間隙依賴于基態(tài)整體的性質(zhì)，所以元激發(fā)與普通的自由電子是有區(qū)別的。元澈發(fā)的自旋為1/2，是費(fèi)米子。它們可以由基態(tài)解體產(chǎn)生，也可以重新兩兩結(jié)合形成庫(kù)珀

36、對(duì)回到基態(tài)，粒子數(shù)目不守恒。所以，這種元激發(fā)服從費(fèi)米一狄拉克分布。它們對(duì)內(nèi)能的貢獻(xiàn)函數(shù)為(3-13)元激發(fā)在能譜中的單粒子能隙是由超導(dǎo)體的基態(tài)庫(kù)珀對(duì)中的兩個(gè)電子間電子一聲子相互作用而確定的，其依賴于電子一聲子相互作用強(qiáng)度，和費(fèi)米能級(jí)處電子的單粒子能級(jí)密度。確定單粒子能的方程為因?yàn)榕R界溫度時(shí)能隙為零通過(guò)以上能隙方程可求出超導(dǎo)的臨界溫度:(3-14)上式中為玻爾茲曼恒量，為聲子的德拜頻率，是傳到電子在費(fèi)米能量處的單位自旋密度。由于(3-15)m為晶格離子質(zhì)量，從而可以得出了同位素效應(yīng)關(guān)系。從t=0的能隙方程還可以求出：(3-16)進(jìn)而得出bcs理論既為我們提供了理解超導(dǎo)電性的基礎(chǔ)，也為我們指出了尋

37、找新超導(dǎo)材料的線索。3.3.5 倫敦方程 德國(guó)物理學(xué)家f倫敦和h倫敦兄弟倆經(jīng)過(guò)一年的努力，在1935 年發(fā)表文章提出了適用于超導(dǎo)電子的兩個(gè)新的方程 。這兩個(gè)方程被人們稱為 “ 倫敦方程 ” 。(3-17)第一倫敦方程上式中：為庫(kù)珀對(duì)的數(shù)密度，為庫(kù)珀對(duì)的質(zhì)量，持續(xù)電流密度庫(kù)珀對(duì)攜帶的電量。第一倫敦方程是確定電流密度與電場(chǎng)強(qiáng)度的方程。(3-18)第二倫敦方程倫敦方程和麥克斯韋方程組結(jié)合起來(lái)，就說(shuō)明了超導(dǎo)體的各種電磁性質(zhì)，也解釋了邁斯納效應(yīng)。第二倫敦方程表明：靜電時(shí)超導(dǎo)體內(nèi)電場(chǎng)為零。超導(dǎo)電流是有旋的，可以在一環(huán)形回路中形成持續(xù)的超導(dǎo)環(huán)流。倫敦方程可以證明和 b 都只存在于超導(dǎo)體表面厚度約為的一層內(nèi)，

38、亦即有邁斯納效應(yīng)。(3-19)倫敦穿透深度，約為50nm3.4 高溫超導(dǎo)體3.4.1 高溫超導(dǎo)體材料特性經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)測(cè)試,發(fā)現(xiàn)高溫超導(dǎo)材料具有如下共同特征 ：（1） 晶體結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的低維特點(diǎn)三個(gè)晶格常數(shù)往往相差 3-4 倍。（2） 輸運(yùn)系數(shù)(電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率等)具有很大的各向異性。（3） 磁場(chǎng)穿透深度較大，往往超過(guò)所謂臟限。（4） 相干長(zhǎng)度較短表明庫(kù)拍對(duì)的空間局域性較強(qiáng)。（5） 載流子濃度較低且為空穴型導(dǎo)電。（6） 同位素效應(yīng)甚弱或沒(méi)有。（7） 隧道實(shí)驗(yàn)表明有電子對(duì)存在。（8） 邁斯納效應(yīng)往往不完全。3.4.2 高溫超導(dǎo)機(jī)制從高溫超導(dǎo)發(fā)現(xiàn)以來(lái)人們一直在探索其微觀機(jī)制，雖然在其理論方面取得了不

39、少的進(jìn)步但其微觀理論一直沒(méi)有統(tǒng)一的完善的概論。到目前為止科學(xué)家們提出了不下20種高溫超導(dǎo)理論其中最具有代表性的有以下五種。81.共振價(jià)鍵（rvb)理論這是目前比較流行的一種新超導(dǎo)理論,由anderson最先提出。氧化物超導(dǎo)體的母晶體(如)可以認(rèn)為是mott型絕緣體，其中各個(gè)電子由于很強(qiáng)的相互關(guān)聯(lián)作用而定域在各個(gè)格點(diǎn)附近，相鄰格點(diǎn)上的兩個(gè)電子自旋相反而構(gòu)成單重態(tài)共價(jià)鍵。如果通過(guò)某種手段(如摻雜)給這種空間局域化的共價(jià)鍵系統(tǒng)以某種驅(qū)動(dòng),則超交換作用將會(huì)使之退局域化而在空間流動(dòng)起來(lái)。若在這種流動(dòng)過(guò)程中能夠保持原來(lái)的配對(duì)關(guān)系,則可以把電子系統(tǒng)看成為大量定域共價(jià)鍵發(fā)生共振而轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N超流的庫(kù)拍對(duì)集合,相

40、應(yīng)地絕緣晶體則轉(zhuǎn)化為超導(dǎo)體。這種由實(shí)空間定域配對(duì)轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)量空間非定域配對(duì)的機(jī)制就稱為“共振價(jià)鍵理論”(即 resonant valence bond theory )。rvb理論是一種全電子理論,與晶格振動(dòng)沒(méi)有直接的聯(lián)系,自然能夠說(shuō)明新超導(dǎo)體的弱同位素效應(yīng)。但用這個(gè)理論解決具體問(wèn)題尚須引人一些輔助假設(shè)。目前人們對(duì)它褒貶不一。2.雙極化子機(jī)制氧化物超導(dǎo)體中含有正負(fù)離子交替構(gòu)成的復(fù)式晶格,其中應(yīng)該有極化電場(chǎng)存在,從而導(dǎo)致很強(qiáng)的電聲子相互作用。當(dāng)一個(gè)電子在晶體中運(yùn)動(dòng)時(shí),必然會(huì)造成周圍晶格的畸變。電子帶著這個(gè)畸變一起運(yùn)動(dòng),可以視為一個(gè)復(fù)合粒子極化子,即穿上 了“外衣”的電子。當(dāng)兩個(gè)極化子相互靠近的時(shí)候

41、,它們的“外衣”(畸變的晶格區(qū)域 )能夠相互結(jié)合在一起,形成合穿一件“外鑼的兩個(gè)電子,稱為“雙極化子方”。無(wú)數(shù)個(gè)雙極化子在空間的流動(dòng)就可以產(chǎn)生超導(dǎo)態(tài)9。與庫(kù)拍對(duì)比較,雙極化子概念似乎更接近實(shí)際情況。但從物理本質(zhì)來(lái)看,雙極化子假說(shuō)并沒(méi)有超出b c s 理論的框架.3.激子機(jī)制這是針對(duì)新超導(dǎo)體的低維結(jié)構(gòu)特征而提出的一種理論?？紤]三明治型結(jié)構(gòu) ，其中m代表金屬層 (如ba層 )而s代表半導(dǎo)體層(如層 )。當(dāng)一個(gè)m層中的電子靠近s層時(shí)，這個(gè)電子的波函數(shù)之一部分將會(huì)隧道穿入s層中,使其中的負(fù)電荷被排斥而顯示出一個(gè)稱為“空穴”的正電荷區(qū)域。由于庫(kù)侖引力，m層中的電子與s層中的空穴將聯(lián)系在一起而形成電子 一

42、空穴束縛對(duì)(所謂“激子”)。同時(shí)，帶正電的空穴又會(huì)把另一個(gè)緊鄰 m 層中的電子拉過(guò)來(lái)。這樣，兩個(gè)m層中的電子就通過(guò)s層中的空穴之媒介作用而兩兩配對(duì)，構(gòu)成了實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)態(tài)的庫(kù)拍對(duì)。類似地,如果考慮型結(jié)構(gòu)，便會(huì)得到空穴配對(duì)的結(jié)果。激子機(jī)制可以闡明新超導(dǎo)體的空穴導(dǎo)電、各向異性輸運(yùn)等特點(diǎn)。存在的問(wèn)題似乎在子能否把某些準(zhǔn)二維結(jié)構(gòu)看作為 m 層與 s 層的交替堆積。4.等離子體機(jī)制固體可視為以正離子晶格為背景的電子氣,二者在宏觀尺度上保持電中性。如果某處的電子密度發(fā)生起伏，則長(zhǎng)程庫(kù)侖作用將會(huì)使這種電荷漲落(即局部電中性的破壞 )，以波的形式傳播出去，形成電荷密度波(cdw)。這種電荷振蕩的元激發(fā)量子叫做“等離

43、激元”(plasmon)，是一種類似于聲子的玻色子。與電聲子機(jī)制類似，兩個(gè)電子可以通過(guò)交換plasmon而產(chǎn)生引力，形成庫(kù)拍對(duì)。并且由于等離子體振蕩頻率高，相應(yīng)的 tc也應(yīng)該較高。作為一種全電子機(jī)制，該理論也能解釋弱同位素效應(yīng)。該機(jī)制的局限性是必須假定存在嚴(yán)格二維的等離子體振蕩。因?yàn)樵谌S情況下的頻譜存在能隙，相應(yīng)的虛交換過(guò)程難以實(shí)現(xiàn)。5.雜質(zhì)躍遷機(jī)制目前發(fā)現(xiàn)的高溫超導(dǎo)材料之母晶體均為半導(dǎo)體。為了獲得超導(dǎo)性，必須進(jìn)行摻雜或造成缺位，從而使半導(dǎo)體的禁帶中出現(xiàn)雜質(zhì)能級(jí)。實(shí)驗(yàn)表明，這類超導(dǎo)體的載流子濃度相 當(dāng)?shù)?約為量級(jí)，相應(yīng)的plasmon有能量約為0.01ev的數(shù)量級(jí)。如此微弱的集體振蕩是不難激

44、發(fā)和維持的，例如通過(guò)原子的零溫度振動(dòng)。另一方面，半導(dǎo)體中的淺雜質(zhì)能級(jí)距離導(dǎo)帶底或價(jià)帶頂也恰恰是0.01ev的數(shù)量級(jí)。這樣就有理由假定電子在雜質(zhì)能級(jí)和導(dǎo)帶之間通過(guò)吸收或放出plasmon而來(lái)回躍遷。同時(shí)，進(jìn)人導(dǎo)帶的電子能夠交換虛聲子而配成庫(kù)拍對(duì)。如果電聲子作用強(qiáng)度合適，就會(huì)有高 tc出現(xiàn)。第四章 超導(dǎo)材料簡(jiǎn)介4.1 超導(dǎo)體的分類4.1.1 超導(dǎo)界面能分類界面能又稱總表面能或表面內(nèi)能。在物體形成表面時(shí)，表面上的原子鍵斷裂，表面的幾層原子不同于內(nèi)層原子，表層原子處于非平衡狀態(tài)，從而導(dǎo)致能量的升高，升高的能量便是物體的表面能。在外磁場(chǎng)中，當(dāng)超導(dǎo)體內(nèi)出現(xiàn)正常相區(qū)和超導(dǎo)相區(qū)同時(shí)存在時(shí)就有一個(gè)兩相間過(guò)渡層或

45、稱界面層存在，它具有一定的能量以使在磁場(chǎng)、溫度一定時(shí)保持兩相平衡。這個(gè)能量稱為界面能或表面能。從材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)這個(gè)角度上說(shuō)，界面能內(nèi)的原子位置、原子間結(jié)合鍵性質(zhì)和數(shù)目發(fā)生的變化導(dǎo)致了界面能。這種能量影響了材料的各種過(guò)程和性能。 根據(jù)超導(dǎo)體的界面能，可以將超導(dǎo)體分為第類超導(dǎo)體和第類超導(dǎo)體。絕大多數(shù)純凈的超導(dǎo)金屬元素的界面能為正，我們稱之為第類超導(dǎo)體。對(duì)于許多超導(dǎo)合金和少數(shù)幾種純凈的超導(dǎo)金屬元素來(lái)說(shuō)，其界面能為負(fù)，我們稱之為第類超導(dǎo)體。現(xiàn)在主要研究的是第類超導(dǎo)體。在第類超導(dǎo)體中，又可以根據(jù)由于磁通流動(dòng)而產(chǎn)生電阻（流阻）將其進(jìn)行分類。 （1）第類超導(dǎo)體第類超導(dǎo)體只有一個(gè)臨界磁場(chǎng)hc。外加磁場(chǎng)強(qiáng)度低于h

46、c時(shí)，材料具有完全導(dǎo)電性和邁斯納效應(yīng)；外加磁場(chǎng)強(qiáng)度大于hc時(shí)，超導(dǎo)特性消失。（如圖4-1所示） 磁場(chǎng)hc 正常態(tài) hc（t） b=0 邁斯納態(tài)tc溫度/t圖4-1第類超導(dǎo)體相圖 figure 4-1 of the first superconductor phase diagram除鉭、釩、鈮外大多數(shù)金屬元素都是第i類超導(dǎo)體。第類超導(dǎo)體的hc和ic都很小，實(shí)用價(jià)值不大。（2）第類超導(dǎo)體第類超導(dǎo)體具有下臨界場(chǎng)和上臨界場(chǎng)。磁場(chǎng)小于時(shí)，材料處于純粹的超導(dǎo)態(tài)；磁場(chǎng)大于小于時(shí)，磁力線逐漸進(jìn)入超導(dǎo)體內(nèi)部，但被釘扎，隨著磁場(chǎng)增加透入深度增加，材料內(nèi)既有超導(dǎo)部分，又有常導(dǎo)部分，電流只在超導(dǎo)部分通過(guò)；磁場(chǎng)大于時(shí)，磁力線完全穿透超導(dǎo)體，材料恢復(fù)常態(tài)。（如圖4-2所示） 磁場(chǎng)hc2 正常態(tài) hc1 混合態(tài) tc溫度/t b=0邁斯納態(tài)圖4-2第類超導(dǎo)體相圖 figure 4-2 of th