物理前沿講座

1、摘要：自1911年以來，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)某些元素、合金、化合物或其他材料，當 溫度低于某臨界溫度Tc以下時，電阻小到微不足道，這種現(xiàn)象稱為超導電性。 具有超導電下哦那個的材料成為超導體。1933年發(fā)現(xiàn)超導體具有抗磁性，這種 現(xiàn)象稱為麥斯納(Meissner)效應。20世紀70年代發(fā)現(xiàn)的超導體主要是元素超 導體(包括金屬和半導體)和合金超導體，臨界溫度一般為幾K，最高不超過 30K,這些稱為常規(guī)超導體。20世紀80年代以來陸續(xù)發(fā)現(xiàn)某些銅氧化物超導體， 臨界溫度可達數(shù)十K甚至超過100K,這些稱為高溫超導體。由于高溫超導體具有 奇特特性和廣闊的應用前景，因此，對高溫超導現(xiàn)象的理論與實驗研究有著重要 意義，

2、是當今凝聚態(tài)物理一個重要的前沿課題。關鍵詞：超導體邁斯納效應BCS理論高溫超導體超導體的基本特征1超導體的臨界溫度我們把電阻突然消失的溫度稱為超導體的臨界溫度Tc。到目前為止，人們發(fā) 現(xiàn)周期表中相當一部分元素在各種條件下出現(xiàn)超導電性。2超導體的臨界磁場用一個磁場加到超導體上之后，當磁場達到某一定值時，超導體就回復了電 阻，回到了正常態(tài)。假如把磁場平行的加到一根細長的超導棒上，在一定的磁場 強度下，棒的電阻突然恢復，使這個電阻突然恢復的磁場值稱為臨界磁場。當外磁場強度增加到某一臨界值Hc時，超導體的導電性受到破壞，材料由 超導態(tài)轉為正常態(tài)，臨界磁場Hc與溫度T有關，Hc(T)的經驗公式為Hc=H

3、c (0) 1- (T/TC) 2 1(tmtc)3臨界電流實驗發(fā)現(xiàn)，當對超導線通以電流時，無阻的超流態(tài)要受到電流大小的限制，當電流達到某一臨界值IC之后，超導體將恢復到正常態(tài)，對大多數(shù)超導金屬元 素正常態(tài)的恢復是突變的，我們稱這個電流為臨界電流。二、邁斯納效應1933年德國物理學家Meissner和Ochsenfeld對錫單晶球超導體做磁場分 布測量時在弱磁場中把金屬冷卻進入超導態(tài)時的磁感應線似乎一下子被排斥出， 保持體內磁感應強度等于零。當材料處在超導狀態(tài)時，隨著進入超導體內部的增加磁場速度衰減，磁場主 要存在于超導體表面一定厚度的薄層內。對于宏觀超導體，若把這個薄層看成趨 近于零，則可近

4、似認為超導體內部磁感應強度B=0超導體有完全抗磁性，我們稱 之為理想邁斯納態(tài)，不能理想化的狀態(tài)稱之為一般邁斯納態(tài)。三、Josephson 效應作為超導載體的Cooper對能以一定幾率貫穿能壘，稱此為隧道效應。例如， 在兩層超導物質間夾有厚度為納米量級的絕緣層，若通過連線導入電流，該電流 則以電阻為零的狀態(tài)流動。BCS理論的創(chuàng)立1955年，巴丁應德國出版的物理學手冊的邀請，寫了一篇關于超導理論 的述評.這使巴丁對當時的超導研究有了更全面的了解.這時，巴丁已經明確了 超導現(xiàn)象的產生涉及3個關鍵因素：一是電子聲子相互作用；二是能隙的存在： 三是速度空間的凝聚.要真正建立微觀理論。關鍵是要對超導態(tài)有一

5、個清晰的物理圖像.1956年春 天，庫珀不負眾望，邁出了關鍵的一步，提出了超導理論所需要的額圖像.庫珀 利用量子場論方法，直接從動力學的角度考慮相互吸引的直接作用，得到了費米 面近旁兩個動量和自旋都大小相等而方向相反的電子能結合成對。這種電子對被 稱為“庫珀對”。庫珀對的提出成為Bcs理論成功的關鍵.庫珀對提出后巴丁指出，單用庫珀方法構造一個超導理論還是不可能，必須 找到超導體的基態(tài)波函數(shù)，這個重任落到了施里弗的肩上。他憑借自己的直覺和 靈感，大膽地猜出一個考慮了庫珀對的超導基態(tài)波函數(shù)的可能形式。經過數(shù)學處 理，他得到了能隙方程，吸引勢的簡單模型以及絕對零度時的凝聚能。巴丁認真 地核實了施里弗

6、提出的超導基態(tài)波函數(shù)，很快就確認了它的正確性。1957年3月，巴丁、庫珀和施里弗三人有關超導理論的頭兩篇專題論文在 費城召開的美國物理學會年會上公開發(fā)表.庫珀代表三人首次公開地報告了這一 理論的有關成果.人們習慣上取三位作者各自姓氏的第一個字母，稱這一理論為 BCS理論高溫超導體1973年發(fā)現(xiàn)錯化鈮(NbGe)，將Tc提高至23.2 K，此后隨然陸續(xù)發(fā)現(xiàn)多3新的超導體，但是在Tc的提升方面卻無法再突破，使Nb Ge停留在最高Tc之3位長達13年之久。直到1986年，瑞士 IBM蘇黎士研究所的Bednorz和 Muller發(fā)現(xiàn)一類具有K2N1F4型結構的超導體材料，名義上的成分(nominal

7、composition)為鑭鋇銅氧(La Ba Cu O )，其Tc高達35 K。再度引起全 4.250.755 15-x世界對新型高溫超導體領域研究的高度興趣。緊接著在1987年由吳茂昆與朱經 武兩位教授等人發(fā)現(xiàn)Tc高達90 K以上的超導體釔鋇銅氧化合物(YBa CuO )，首度將Tc提高至液態(tài)氮溫度(77 K)以上。此發(fā)現(xiàn)突破BCS理 23 7-x論預測的極限，因此科學家對于高溫超導體理論之研究及更高Tc的超導體化合 物的發(fā)展燃起了新的希望。在一發(fā)現(xiàn)的高溫超導材料中，YBCO (YBa CuO )以其在77K 下所就有的優(yōu)23 7-6良性能(高的臨界轉化溫度T=92K，高的臨界電流密度Jc

8、=72A/cm2和高的臨界磁 場H=120T，引起各國科學家越來越的研究興趣，YBCO高溫超導體塊材料在工程 C上有著許多潛在的應用，如可以用作磁性軸承、磁體(利用捕獲磁通)、故障電 流限制器及飛輪儲能系統(tǒng)等。圖3為自1911年發(fā)現(xiàn)超導現(xiàn)象起的超導體發(fā)展歷史160flg-lZUt Scfitrinber, t93(undcr prer160flg-lZUAuEUSt 1993(4inder preiirt140T1-2223April. 1993JSejjtembtr 1h IW2( u nder presscire January, 1?$8100Y-123v Jmuarj. t?780V 1 1 1 Nqtciti Nm60(L由 60(L由 Ba