超導(dǎo)體(superconductor)

1、超 導(dǎo) 體（superconductor）某些金屬、合金和化合物，冷卻到一定溫度時(shí)，電阻突然消失，這種性質(zhì)稱為超導(dǎo)電性具有超導(dǎo)電性的物體稱為超導(dǎo)體，電阻為零的狀態(tài)稱為超導(dǎo)態(tài)，電阻不為零的狀態(tài)稱為正常態(tài)，由正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)的溫度稱為臨界溫度目前已知有二十余種金屬元素、幾千種合金和化合物都具有超導(dǎo)電性超導(dǎo)金屬元素中已知臨界溫度最高的是鉈，K；1986年以前發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)合金和化合物中，臨界溫度最高的是鈮三鍺，K；1986年以來，發(fā)現(xiàn)了釔鋇銅氧、鉍鍶鈣銅氧和鉈鋇鈣銅氧等氧化物高溫超導(dǎo)體體系，臨界溫度最高的可達(dá)130K最近發(fā)現(xiàn)的汞系超導(dǎo)體，據(jù)報(bào)道臨界溫度已達(dá)164K磁場中的超導(dǎo)體，在場強(qiáng)超過一定值時(shí)，超

2、導(dǎo)電性會(huì)被破壞，這一場強(qiáng)值稱為臨界磁場臨界磁場與溫度的關(guān)系為式中為0K時(shí)的臨界磁場臨界磁場可以是外加的，也可以由通過超導(dǎo)體的電流來產(chǎn)生所以超導(dǎo)體能承載的電流也有一定的限制超導(dǎo)體所能承載的最大電流密度稱為臨界電流密度因此超導(dǎo)態(tài)只能在圖1-16-5中過、Hc和三點(diǎn)的曲面下方的區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)，在這個(gè)區(qū)域之外，超導(dǎo)體回復(fù)到正常態(tài)通過、Hc和三點(diǎn)的曲面稱為超導(dǎo)體的臨界曲面超導(dǎo)體除電阻為零外，還具有抗磁性超導(dǎo)材料冷卻到臨界溫度以下轉(zhuǎn)變成超導(dǎo)體時(shí)，就會(huì)排斥外加磁場，使超導(dǎo)體內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度變?yōu)榱?，而且不管磁場是在試樣冷卻前加上的，還是在冷卻后加上的，只要磁場小于臨界值就行這是因?yàn)橥饧哟艌鍪钩瑢?dǎo)體在它的表面上產(chǎn)生

3、無損耗的環(huán)繞電流，這個(gè)電流在超導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度處處與外磁場產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小相等、方向相反，因而在試樣內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度完全被抵消超導(dǎo)體按照它排斥磁場的方式可分為兩類第一類超導(dǎo)體，在磁場達(dá)到Hc之前，磁場完全被排除在試樣之外，而在磁場高于Hc時(shí)，磁場完全透入試樣中，材料回復(fù)到正常態(tài)除釩、鈮、锝外，所有的金屬元素超導(dǎo)體都屬于第一類超導(dǎo)體第二類超導(dǎo)體，存在著下臨界磁場Hc1和上臨界磁場Hc2（圖1-16-6）磁場低于Hc1時(shí)，材料完全處于超導(dǎo)態(tài)，電阻為零，磁場不能透入試樣從磁場達(dá)到Hc1開始，電阻雖然仍等于零，但試樣中部分區(qū)域有磁場透入，變?yōu)檎B(tài)這種正常態(tài)與超導(dǎo)態(tài)并存的狀態(tài)稱為混合態(tài)隨著磁

4、場的增強(qiáng)，試樣中能透入磁場的區(qū)域不斷擴(kuò)大，直到磁場達(dá)到Hc2時(shí)，試樣完全變?yōu)檎B(tài)，回復(fù)到正常電阻釩、鈮、锝三種元素超導(dǎo)體和大多數(shù)合金、化合物超導(dǎo)體，都屬于第二類超導(dǎo)體第一類超導(dǎo)體的Tc和Hc值都比較小，在技術(shù)上有重大意義的都是第二類超導(dǎo)體，特別是那些在強(qiáng)磁場下仍然顯示出超導(dǎo)電性的材料普通導(dǎo)體的電阻是由于傳導(dǎo)電子與點(diǎn)陣之間的散射改變了電子的動(dòng)量，使電子沿電場方向的加速運(yùn)動(dòng)受到阻礙超導(dǎo)電性的產(chǎn)生則是一種傳導(dǎo)電子的合作現(xiàn)象根據(jù)巴?。˙ardeen）、庫珀（Cooper）和施里弗（Schrieffer）的超導(dǎo)微觀理論（通稱BCS理論），超導(dǎo)體內(nèi)電子系統(tǒng)的基態(tài)（即超導(dǎo)體在絕對(duì)零度下的狀態(tài)）是由庫珀電子

5、對(duì)凝聚而成的庫珀電子對(duì)是動(dòng)量和自旋都相反的一對(duì)電子通過點(diǎn)陣的間接作用相互吸引，當(dāng)這種吸引作用超過兩電子間的庫侖排斥作用時(shí)，就結(jié)合成電子對(duì)，庫珀電子對(duì)與單個(gè)的傳導(dǎo)電子不同，它在散射時(shí)總動(dòng)量保持不變?cè)跊]有外電場時(shí)，每對(duì)的總動(dòng)量等于零在有外電場時(shí)，庫珀電子對(duì)在外電場作用下獲得動(dòng)量后，每對(duì)的總動(dòng)量都等于某一非零的值去掉外電場后，附加的動(dòng)量也不會(huì)因散射而減小，因而由附加動(dòng)量引起的電流不會(huì)衰減，這就形成了超導(dǎo)電性隨著溫度的升高，超導(dǎo)體由基態(tài)向激發(fā)態(tài)躍遷，一些庫珀電子對(duì)被拆散，成為正常的傳導(dǎo)電子；當(dāng)溫度上升到臨界值時(shí)，庫珀電子對(duì)完全被拆散，試樣就由超導(dǎo)態(tài)過渡到正常態(tài)BCS理論是金屬超導(dǎo)體理論，如何解釋氧化物

6、高溫超導(dǎo)體的行為，目前學(xué)術(shù)界尚無定論超導(dǎo)體應(yīng)用的一個(gè)重要方面是用來制造磁體跟用常規(guī)方法制備的電磁鐵相比，用超導(dǎo)線繞制的電磁鐵體積小、重量輕、能耗小，能達(dá)到很高的磁場值目前已制造出磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)18特斯拉的超導(dǎo)磁體超導(dǎo)磁體在醫(yī)用磁共振成像、高能加速器和實(shí)驗(yàn)室用磁體方面應(yīng)用已相當(dāng)廣泛；在磁約束聚變、磁懸浮列車、磁流體發(fā)電等方面的應(yīng)用也有廣闊的前景超導(dǎo)體應(yīng)用的另一個(gè)重要方面，是利用約瑟夫森效應(yīng)，制造超導(dǎo)量子器件兩聲超導(dǎo)體間夾一薄絕緣層（稱為約瑟夫森結(jié)），超導(dǎo)電子對(duì)可穿過絕緣層從一個(gè)超導(dǎo)體進(jìn)入另一超導(dǎo)體在沒有任何電場或磁場的情況下，有直流電流通過結(jié)，這叫直流約瑟夫森效應(yīng)如果在結(jié)的兩端加一直流電壓，則在結(jié)

7、中產(chǎn)生射頻電流振蕩，發(fā)射頻率為的電磁波，即庫珀電子對(duì)從高電勢超導(dǎo)體穿過結(jié)到達(dá)低電勢超導(dǎo)體時(shí)，會(huì)把從結(jié)中獲得的能量發(fā)射出去；如果在結(jié)上加直流偏壓的同時(shí)，加一的交流射頻電壓（），就會(huì)有直流成分的超導(dǎo)電流通過結(jié)：這叫做交流約瑟夫森效應(yīng)應(yīng)用交流約瑟夫森效應(yīng)，測出直流偏壓和電流振蕩頻率，就可精確確定的值；反之，已知值又可精確測定值所以交流約瑟夫森效應(yīng)用以確定電壓的自然標(biāo)準(zhǔn)用含有雙結(jié)的超導(dǎo)環(huán)制成的超導(dǎo)量子干涉器，可精確測定磁場，常用作磁強(qiáng)計(jì)測量磁感應(yīng)強(qiáng)度，分辨能力可達(dá)10-11T10-12T近幾年來制備的高溫超導(dǎo)材料，因受到材料制備難、臨界電流較小等限制，要達(dá)到實(shí)用化尚需一定時(shí)間根據(jù)約瑟夫森效應(yīng)在電子學(xué)方面的應(yīng)用，則是可以較快實(shí)現(xiàn)的1996年，日本的住