第二章超導(dǎo)體材料

電功能材料之二:超導(dǎo)材料*超導(dǎo)應(yīng)用前景*超導(dǎo)唯象理論*超導(dǎo)材料介紹超導(dǎo)研究的發(fā)展和應(yīng)用前景

超導(dǎo)電性的發(fā)現(xiàn)

1908年，荷蘭萊頓大學(xué)的Onnes首次實現(xiàn)氦的液化，獲得了4.2K的低溫，為研究低溫條件下物質(zhì)導(dǎo)電打開了方便之門。1911年，他發(fā)現(xiàn)將汞冷卻到4.2K時，汞的電阻突然消失，Onnes稱這種處于超導(dǎo)狀態(tài)的導(dǎo)體為超導(dǎo)體。超導(dǎo)體電阻突然變?yōu)榱愕臏囟冉谐瑢?dǎo)臨界溫度。由于他的這一發(fā)現(xiàn)獲得了1913年的諾貝爾獎。超導(dǎo)體的直流電阻率在一定的低溫下突然消失，被稱作零電阻效應(yīng)。至今已發(fā)現(xiàn)有28種元素、幾千種合金和化合物是超導(dǎo)體。我們通常稱這些金屬或金屬合金的超導(dǎo)體為常規(guī)超導(dǎo)體。超導(dǎo)體的重要特性：零電阻和抗磁性。邁斯納效應(yīng):完全抗磁性1933年，荷蘭的邁斯納和奧森菲爾德共同發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)體的另一個極為重要的性質(zhì)，當(dāng)金屬處在超導(dǎo)狀態(tài)時，超導(dǎo)體內(nèi)的磁感應(yīng)強度為零，原來存在于體內(nèi)的磁場（磁力線）被排擠出去。人們將這種現(xiàn)象稱之為“邁斯納效應(yīng)”。高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)

自超導(dǎo)電性發(fā)現(xiàn)以來，經(jīng)過70多年的努力，常規(guī)超導(dǎo)體臨界溫度只能提高到23K。由于以上的超導(dǎo)現(xiàn)象只能在液氦溫區(qū)出現(xiàn)，而氦是一種稀有氣體，因而大大限制了超導(dǎo)的應(yīng)用。60年代開始，人們一直在探索如何把超導(dǎo)臨界溫度提高到液氮溫區(qū)（77K）以上，這就是高溫超導(dǎo)研究。1986年初高溫超導(dǎo)研究取得了突破性的發(fā)展，物理學(xué)家Mueller和Bednorz發(fā)現(xiàn)了高溫銅氧化物超導(dǎo)體La2-xBaxCuO4，超導(dǎo)臨界溫度達(dá)40K.1987年2月，美國華裔科學(xué)家朱經(jīng)武和中國科學(xué)家趙忠賢相繼在釔（YBa2Cu3O7）系材料上把超導(dǎo)臨界溫度提高到90K以上，液氮的禁區(qū)（77K）也奇跡般地被突破了。1987年底，Tl-Ba-Ca-Cu-O系材料又把臨界超導(dǎo)溫度的記錄提高到125K。隨后的幾年,高溫超導(dǎo)臨界溫度迅速提高，已達(dá)到160K,并向更高的溫度進(jìn)軍。高溫超導(dǎo)材料的不斷問世，為超導(dǎo)材料從實驗室走向應(yīng)用鋪平了道路。

其它新型超導(dǎo)體

C60：有較大的發(fā)展?jié)摿?，由于它彈性較大，比質(zhì)地脆硬的氧化物陶瓷易于加工成型，而且它的臨界電流、臨界磁場和相干長度均較大，這些特點使C60超導(dǎo)體更有望實用化。C60被譽為21世紀(jì)新材料的”明星”，這種材料已展現(xiàn)了機械、光、電、磁、化學(xué)等多方面的新奇特性和應(yīng)用前景。有人預(yù)言巨型C240、C540合成如能實現(xiàn)，還可能成為室溫超導(dǎo)體。

MgB2：二硼化鎂（MgB2），其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度達(dá)39K。二硼化鎂的發(fā)現(xiàn)為研究新一類具有簡單組成和結(jié)構(gòu)的高溫超導(dǎo)體找到新途徑。易合成和加工，容易制成薄膜或線材?？蓱?yīng)用于電力傳輸、超級電子計算機器件以及CT掃描成像儀等方面。二硼化鎂的發(fā)現(xiàn)使世界凝聚態(tài)物理學(xué)界為之興奮。隨著研究的進(jìn)展，超導(dǎo)材料的應(yīng)用大致可分為三類：1.大電流應(yīng)用（強電應(yīng)用）：發(fā)電，輸電和儲能2.電子學(xué)應(yīng)用（弱電應(yīng)用）：超導(dǎo)計算機，濾波器，微波器件等3.抗磁性應(yīng)用：磁懸浮列車和熱核聚變反應(yīng)堆等超導(dǎo)材料的應(yīng)用

超導(dǎo)發(fā)電機在電力領(lǐng)域，利用超導(dǎo)線圈磁體可以將發(fā)電機的磁場強度提高到5萬～6萬高斯，超導(dǎo)發(fā)電機的單機發(fā)電容量比常規(guī)發(fā)電機提高5～10倍，達(dá)1萬兆瓦，而體積卻減少1/2，整機重量減輕1/3，發(fā)電效率提高50％。超導(dǎo)發(fā)電機，擁有兩萬千瓦的功率300KW超導(dǎo)單極300發(fā)電機

超導(dǎo)輸電線路

超導(dǎo)材料還可以用于制作超導(dǎo)電線和超導(dǎo)變壓器，從而把電力幾乎無損耗地輸送給用戶。據(jù)統(tǒng)計，目前的銅或鋁導(dǎo)線輸電，約有15%的電能損耗在輸電線路上，光是在中國，每年的電力損失即達(dá)1000多億度。若改為超導(dǎo)輸電，節(jié)省的電能相當(dāng)于新建數(shù)十個大型發(fā)電廠。超導(dǎo)導(dǎo)線(含2120根微米直徑之鈮鈦合金纖維)電纜芯、低溫容器、終端和冷卻系統(tǒng)四個部分高溫超導(dǎo)電纜的國際市場在2010年左右可望達(dá)到15億美元鉍系高溫超導(dǎo)直流電纜

超導(dǎo)變壓器超導(dǎo)電機

超導(dǎo)限流器是利用超導(dǎo)體的超導(dǎo)/正常態(tài)轉(zhuǎn)變特性，有效限制電力系統(tǒng)故障短路電流，能夠快速和有效地達(dá)到限流作用的一種電力設(shè)備。作用：1.增強電力系統(tǒng)的安全性；2.

增加電力系統(tǒng)的可靠性；3.

提高電力質(zhì)量；4.

能夠與現(xiàn)有的電力系統(tǒng)保護(hù)設(shè)施兼容；5.

通過調(diào)節(jié)允許的電流峰值增加電力系統(tǒng)的靈活性；6.

減少電力系統(tǒng)線路中的斷路器和熔斷器的使用，延緩電力設(shè)備的更新以降低成本；7.

提高系統(tǒng)的運行容量。專家們預(yù)言，就高溫超導(dǎo)體在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用而言，最先得到實際應(yīng)用的將可能是超導(dǎo)限流器。超導(dǎo)限流器超導(dǎo)儲能超導(dǎo)儲能裝置是利用超導(dǎo)線圈將電磁能直接儲存起來，需要時再將電磁能返回電網(wǎng)或其它負(fù)載的一種電力設(shè)施。一般由超導(dǎo)線圈、低溫容器、制冷裝置、變流裝置和測控系統(tǒng)幾個部件組成。優(yōu)點：1.

可長期無損耗地儲存能量，其轉(zhuǎn)換效率可達(dá)95%；

2.可采用電力電子器件的變流器實現(xiàn)與電網(wǎng)的連接，響應(yīng)速度快（毫秒級）；

3.

由于其儲能量與功率調(diào)制系統(tǒng)的容量可獨立地在大范圍內(nèi)選取，可建成所需的大功率和大能量系統(tǒng)；

4.

除了真空和制冷系統(tǒng)外沒有轉(zhuǎn)動部分，使用壽命長；5.在建造時不受地點限制，維護(hù)簡單、污染小。目前美國、日本、德國等一些發(fā)達(dá)國家在超導(dǎo)儲能裝置方面的研究上投入了大量的人力和物力，并且有許多在建的超導(dǎo)儲能裝置。超導(dǎo)計算機

高速計算機要求集成電路芯片上的元件和連接線密集排列，但密集排列的電路在工作時會發(fā)生大量的熱，而散熱正是超大規(guī)模集成電路面臨的難題。如果超大規(guī)模集成電路中元件之間的互連線用零電阻或接近零電阻的、不發(fā)熱或僅微發(fā)熱的超導(dǎo)器件來制作，則不存在散熱問題，亦更能提高計算機的運算速度。此外，也有人考慮用半導(dǎo)體和超導(dǎo)體來制造晶體管，或完全用超導(dǎo)體來制作晶體管。超導(dǎo)量子干涉器(SQUID)

超導(dǎo)量子干涉器(SQUID)磁強計是極其靈敏的磁場探測儀器，可以分辨相當(dāng)于十億分一的地磁場變化，廣泛用于科學(xué)研究、生物磁(腦磁、心磁)、無損探傷及大地電磁測量等領(lǐng)域。是高溫超導(dǎo)體最早走向?qū)嵱没念I(lǐng)域之一。

利用超導(dǎo)材料做成的探礦儀器，裝在飛機甚至衛(wèi)星上，可以大面積地探測某些礦藏的分布。1998年我國與德國成功地進(jìn)行了SQUID磁強計系統(tǒng)的野外實驗。證明了目前研制成功的高溫SQUID系統(tǒng)已經(jīng)成熟，高溫SQUID將可能逐步取代大地電磁測量的感應(yīng)探頭，并得到較大范圍的應(yīng)用。高溫超導(dǎo)SQUID另一項引人注目的課題是HTS掃描SQUID顯微鏡。美國Neocera公司正研制和銷售這種系統(tǒng)。微波器件

利用高溫超導(dǎo)體可以制作某些微波有源器件。超導(dǎo)天線、超導(dǎo)諧振腔等也會開始應(yīng)用。

高溫超導(dǎo)體在微波技術(shù)上的應(yīng)用估計首先在衛(wèi)星通信和軍事技術(shù)上實現(xiàn)。例如，熱電子測熱輻射電阻(HEB)混頻器。這種HEB采用極薄(10---20nm)的YBCO膜制備的，圖形尺寸在深亞微米的量級。近幾年我國開展了多種超導(dǎo)微波器件的研究，制成的超導(dǎo)濾波器、超導(dǎo)天線、遲延線、振蕩器、超導(dǎo)結(jié)型混頻器等器件都具有國際先進(jìn)水平。高溫超導(dǎo)濾波器

所有的無線電接收裝置在接受外界訊號時總伴有一定的噪音。噪音主要可分為兩部分：一是外界信號帶入的，可用檢波的方法加以消除；二是裝置的線路內(nèi)部產(chǎn)生的噪音。這一部分也可以用許多方法使之盡量減少，但是不能將噪音減到零。這是由于電路中存在一種所謂熱噪音，它起源于電阻、電感和接線中的電子和晶格的碰撞。可以說對于有阻元件，熱噪音是不可避免的。高溫超導(dǎo)體在超導(dǎo)態(tài)下電阻為零，這意味著高溫超導(dǎo)體的熱噪音十分小。用高溫超導(dǎo)體做成的濾波器，自然可將前級放大器中的熱噪音消除，又不引入新的熱噪音，這就大大的提高了信噪比?？勾判詰?yīng)用

超導(dǎo)磁懸浮列車--零高度的飛行器

若把超導(dǎo)材料放在一塊永久磁體之上，由于磁體的磁力不能穿過超導(dǎo)體，磁體和超導(dǎo)體之間就會產(chǎn)生斥力，使超導(dǎo)體懸浮在磁體上方。利用這種磁懸浮效應(yīng)可以制作高速超導(dǎo)磁懸浮列車。在列車車輪旁邊安裝小型超導(dǎo)磁體，在列車向前行駛時，超導(dǎo)磁體則向軌道產(chǎn)生強大的磁場，并和安裝在軌道兩旁的鋁環(huán)相互作用，產(chǎn)生一種向上浮力，消除車輪與鋼軌的摩擦力，起到加快車速的作用。高溫超導(dǎo)體在懸浮列車上應(yīng)用的研究集中在日本。超導(dǎo)在運載上的其他應(yīng)用可能還有用作輪船動力的超導(dǎo)電機、電磁空間發(fā)射工具及飛機懸浮跑道。德國磁懸浮列車

1999年４月，日本研制的超導(dǎo)磁懸浮列車時速已達(dá)552公里，創(chuàng)世界鐵路時速最高紀(jì)錄。西南交通大學(xué)研制成功的超導(dǎo)磁懸浮列車，最高設(shè)計時速達(dá)500公里

2002年4月5日我國第一條磁懸浮列車試驗線在長沙建成通車。

核聚變反應(yīng)堆“磁封閉體”

利用超導(dǎo)體產(chǎn)生的巨大磁場，應(yīng)用于受控制熱核反應(yīng)。核聚變反應(yīng)時，內(nèi)部溫度高達(dá)1億～2億℃，沒有任何常規(guī)材料可以包容這些物質(zhì)。而超導(dǎo)體產(chǎn)生的強磁場可以作為“磁封閉體”，將熱核反應(yīng)堆中的超高溫等離子體包圍、約束起來，然后慢慢釋放，從而使受控核聚變能源成為21世紀(jì)前景廣闊的新能源。中國科學(xué)院合肥等離子體物理研究所超導(dǎo)托卡馬克HT-7巨大的電感綫圈原子彈爆炸蘑菇云高能加速器用來加速粒子產(chǎn)生人工核反應(yīng)以研究物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，是基本粒子物理學(xué)研究的主要裝備。核聚變裝置是人們長期以來夢想解決能源問題的一個重要方向，其途徑是將氘和氚加熱后，使原子和彌散的電子成為一種等離子狀態(tài)，并且在將這種高溫等離子體約束在適當(dāng)空間內(nèi)的條件下，原子核就能夠越過電子的排斥而互相碰撞產(chǎn)生核聚變反應(yīng)。在這些應(yīng)用中，超導(dǎo)磁體是高能加速器和核聚變裝置不可缺少的關(guān)鍵部件。

超導(dǎo)磁體在醫(yī)學(xué)上的重要應(yīng)用是核磁共振成像技術(shù)，可分辨早期腫瘤癌細(xì)胞等，還可做心電圖，腦磁圖、肺磁圖，(研究氣功原理?)等。利用超導(dǎo)體介子發(fā)生器可以治療癌癥，利用超導(dǎo)磁體可以治療腦血管腫瘤。生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用人頭顱核磁共振成像超導(dǎo)技術(shù)在軍事上有廣泛的應(yīng)用前景①超導(dǎo)計算機：超導(dǎo)計算機應(yīng)用于C3I指揮系統(tǒng)，可使作戰(zhàn)指揮能力迅速改善提高；②超導(dǎo)探測器：利用超導(dǎo)器件對磁場和電磁輻射進(jìn)行測量，靈敏度非常高，可用于探測地雷、潛艇，還可制成十分敏感的磁性水雷。超導(dǎo)紅外毫米波探測器不僅靈敏度高，而且頻帶寬，探測范圍可覆蓋整個電磁頻譜，填補現(xiàn)有探測器不能探測亞毫米波段信號的空白。利用超導(dǎo)器件制造的大型紅外焦平面陣列探測器，可以探測隱身武器，將大大提高軍事偵察能力。③大功率發(fā)動機：這種發(fā)動機具有能量大、損耗小、重量輕、體積小等優(yōu)點，如:超導(dǎo)磁流體推進(jìn)系統(tǒng),可用作飛機、艦艇等的動力裝置。④超導(dǎo)儲能系統(tǒng)：利用超導(dǎo)材料的高載流和零電阻特性，可制成體積小、重量輕、容量大的儲能系統(tǒng)，用作粒子束武器、自由電子激光器、電磁炮的能源。

超導(dǎo)儲能裝置在定向武器上的應(yīng)用使定向武器發(fā)生飛躍的發(fā)展。超導(dǎo)發(fā)電機，推進(jìn)器在飛機上的應(yīng)用可大大提高飛機的生存能力。

在航海中的應(yīng)用，可大大減小甚至沒有噪音，推進(jìn)速度快，可大大提高艦艇的生存、作戰(zhàn)能力。

核潛艇

超導(dǎo)電磁流體船舶推進(jìn)是用電磁力直接推動船舶運動的一種新穎的船舶推進(jìn)方式。它基于海水在相互垂直的電場和磁場中受到電磁力的作用，推動船舶前進(jìn)。該推進(jìn)方式具有無振動、無機械磨損、噪聲小和控制靈活等特點，理論船速可達(dá)每小時100海里。超導(dǎo)電磁流體推進(jìn)船舶

超導(dǎo)掃雷具的工作原理是：超導(dǎo)掃雷具模擬艦船磁場特性，采用兩根大電流電纜在海水中形成電極，并與海水組成閉合電路產(chǎn)生磁場，或者在船上安裝一個電磁體產(chǎn)生磁場，從而得以將磁水雷引爆。超導(dǎo)掃雷

利用超導(dǎo)技術(shù)可以提高導(dǎo)彈命中目標(biāo)的精度，也可以擊毀來襲的導(dǎo)彈。現(xiàn)代戰(zhàn)爭的精確制導(dǎo)武器，以及導(dǎo)彈攔截系統(tǒng)都離不開超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用。精確制導(dǎo)武器的發(fā)射電子對抗、雷達(dá)等方面的應(yīng)用也與超導(dǎo)有關(guān)預(yù)警機超導(dǎo)在其他方面的應(yīng)用環(huán)保、材料變性、育種、磁共振、磁拉單晶……根據(jù)待處理的物料中部分帶有磁性或者磁性較強，而其它部分不含磁性或者磁性較弱，并通過調(diào)整磁場強度來對物料進(jìn)行處理的研究和實踐工作，現(xiàn)在已經(jīng)在環(huán)境保護(hù)方面取得了許多重要的進(jìn)展：對工廠的廢水進(jìn)行處理，循環(huán)利用水資源并減少廢水污染；改善飲用水的質(zhì)量，提高人民的生活和健康水平；對石油煉制行業(yè)的廢棄催化劑進(jìn)行處理，減少對環(huán)境的污染并顯著提高企業(yè)的經(jīng)濟效益；進(jìn)行鍋爐和管道的除垢和清洗，提高其熱利用率。環(huán)保磁場對材料分子，特別是液晶高分子材料、功能材料和工程塑料的分子具有取向作用。這種取向作用將使材料的物性發(fā)生極大的改變，從而有利于提高材料性能。材料變性液晶高分子材料的強磁場處理將有可能使材料的縱向抗張強度提高2-3倍，縱向熱膨脹系數(shù)降低到18%左右，從而可能極大地提高了材料的強度和耐溫性能；強磁場處理將有可能使某些纖維材料的電導(dǎo)率達(dá)到銅電導(dǎo)率的1/12或更大，從而成為潛在的金屬材料的替代品；工程塑料的強磁場處理將可能極大地提高纖維或塊材的分子取向度，提高其機械強度，在工程塑料的應(yīng)用上使用價值很高。農(nóng)作物種子由于其富含蛋白質(zhì)和有機酶，在強磁場作用下，能夠影響種子的萌發(fā)、苗期生長、作物產(chǎn)量和品質(zhì)、遺傳特性等。一般而言，磁場強度和磁場作用時間對農(nóng)作物種子的影響比較大，其作用機制是：磁場→基因→酶→代謝→結(jié)構(gòu)與功能。實驗研究的結(jié)果表明，經(jīng)過強磁場作用的農(nóng)作物種子，其最終產(chǎn)量將能夠提高5-10%。育種磁拉單晶在單晶生長過程中，坩堝中晶體在熔融狀態(tài)下，晶體表面會產(chǎn)生波動，影響單晶的質(zhì)量和成品率。如果在坩堝區(qū)加一橫向磁場，則會抑制熔融單晶的表面波動，有效控制氧含量及減小由于雜質(zhì)和渦旋條紋而產(chǎn)生的缺陷，單晶電阻率均勻性將顯著提高，單晶的質(zhì)量和成品率大幅度提高。單晶直徑越大，也就越是需要有相應(yīng)的橫向磁場。由此，超導(dǎo)磁拉單晶生長爐發(fā)展起來了，并且廣泛用于直接生長單晶硅、砷化鎵和藍(lán)寶石等晶體。線圈體積小、重量輕；可以根據(jù)要求設(shè)計成形狀復(fù)雜的磁場，且磁場集中、漏磁小、穩(wěn)定性好；沒有電流引線的熱導(dǎo)和焦耳熱損，磁體系統(tǒng)的液氦揮發(fā)率大大降低，幾乎不消耗電能；運行費用大幅度降低，操作方便，維護(hù)簡單。預(yù)測未來

未來的十年是高溫超導(dǎo)市場發(fā)展和材料產(chǎn)業(yè)化的十年。在不久的將來，我國的能源、醫(yī)療衛(wèi)生、電子技術(shù)和科學(xué)儀器等方面將會迫切需要超導(dǎo)技術(shù)。美國、日本等國家關(guān)于超導(dǎo)產(chǎn)品的市場估計，均把我國作為重要市場之一。能否抓住超導(dǎo)技術(shù)發(fā)展提供的歷史性的機會、爭取在這一新興高技術(shù)產(chǎn)業(yè)中占有一席之地，是我國超導(dǎo)技術(shù)發(fā)展面臨的一個重要問題。超導(dǎo)體的基本物理性質(zhì)零電阻效應(yīng)臨界溫度:電阻突然消失的溫度被稱為超導(dǎo)體的臨界溫度Tc。超導(dǎo)臨界溫度與樣品純度無關(guān)，但是越均勻純凈的樣品超導(dǎo)轉(zhuǎn)變時的電阻陡降越尖銳。B)臨界磁場:

超導(dǎo)電性可以被外加磁場所破壞,對于溫度為T(T<Tc)的超導(dǎo)體,當(dāng)外磁場超過某一數(shù)值Hc(T)的時候，超導(dǎo)電性就被破壞了，Hc(T)稱為臨界磁場。在臨界溫度Tc，臨界磁場為零。Hc(T)隨溫度的變化一般可以近似地表示為拋物線關(guān)系:其中Hc0是絕對零度時的臨界磁場。C)臨界電流:

在不加磁場的情況下，超導(dǎo)體中通過足夠強的電流也會破壞超導(dǎo)電性,導(dǎo)致破壞超導(dǎo)電性所需要的電流稱作臨界電流Ic(T)。在臨界溫度Tc，臨界電流為0。臨界電流隨溫度變化的關(guān)系有：其中Ic0是絕對零度時的臨界電流。超導(dǎo)與溫度、電流密度和磁場的關(guān)系完全抗磁性

1933年，德國物理學(xué)家邁斯納和奧森菲爾德對錫單晶球超導(dǎo)體做磁場分布測量時發(fā)現(xiàn)，在小磁場中，把金屬冷卻到超導(dǎo)態(tài)時，超導(dǎo)體內(nèi)的磁通線全部被排斥出去，保持體內(nèi)磁感應(yīng)強度B等于零，超導(dǎo)體的這一性質(zhì)被稱為邁斯納效應(yīng)。超導(dǎo)體內(nèi)磁感應(yīng)強度B總是等于零，即，金屬在超導(dǎo)電狀態(tài)的磁化率為：

僅從超導(dǎo)體的零電阻現(xiàn)象出發(fā)得不到邁斯納效應(yīng)，同樣用邁斯納效應(yīng)也不能描述零電阻現(xiàn)象，因此，邁斯納效應(yīng)和零電阻性質(zhì)是超導(dǎo)態(tài)的兩個獨立的基本屬性，衡量一種材料是否具有超導(dǎo)電性必須看是否同時具有零電阻和邁斯納效應(yīng)。傳統(tǒng)超導(dǎo)體的超導(dǎo)電性理論二流體模型

早期為了解釋超導(dǎo)體的熱力學(xué)性質(zhì)，1934年戈特和卡西米爾提出超導(dǎo)電性的二流體模型，它包含以下三個假設(shè)：(1)金屬處于超導(dǎo)態(tài)時，自由電子分為兩部分：一部分叫正常電子，另一部分叫超流電子,正常電子在晶格中有阻地流動，超流電子在晶格中無阻地流動，兩部分電子占據(jù)同一體積，在空間上相互滲透，彼此獨立地運動，兩種電子相對的數(shù)目是溫度的函數(shù)。(2)正常電子的性質(zhì)與正常金屬自由電子氣體相同，受到振動晶格的散射而產(chǎn)生電阻，對熵有貢獻(xiàn)。

(3)超流電子處在一種凝聚狀態(tài)，即某一低能態(tài)，所以超導(dǎo)態(tài)是比正常態(tài)更加有序的狀態(tài)。這個假設(shè)的依據(jù)是：超導(dǎo)態(tài)在H＝Hc的磁場中將轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)，而超導(dǎo)態(tài)的自由能要比正常態(tài)低0Hc2V/2(V是超導(dǎo)材料的體積)。超導(dǎo)態(tài)的電子不受晶格散射，所以超流電子對熵沒有貢獻(xiàn)。二流體模型對超導(dǎo)體零電阻特性的解釋是：當(dāng)T<Tc時，出現(xiàn)超流電子，它們的運動是無阻的，超導(dǎo)體內(nèi)部的電流完全來自超流電子的貢獻(xiàn)，它們對正常電子起到短路作用，正常電子不載荷電流，樣品內(nèi)部不存在電場，也沒有電阻效應(yīng)。從這個模型出發(fā)可以解釋許多超導(dǎo)實驗現(xiàn)象，如超導(dǎo)轉(zhuǎn)變時電子比熱的“λ”型躍變等。倫敦正是在這個模型的基礎(chǔ)上建立了超導(dǎo)體的電磁理論。超導(dǎo)唯象理論：*倫敦方程*金茲堡-朗道方程*BCS理論參考《固體物理》，黃昆，韓汝琦著1935年，倫敦兄弟在二流體模型的基礎(chǔ)上，提出兩個描述超導(dǎo)電流與電磁場關(guān)系方程，與麥克斯韋方程一起構(gòu)成了超導(dǎo)體的電動力學(xué)基礎(chǔ)。

倫敦電磁學(xué)方程倫敦第一方程：倫敦第二方程：在穩(wěn)態(tài)下，超導(dǎo)體中的電流為常值時，得到超導(dǎo)體內(nèi)的電場強度等于零，它說明了超導(dǎo)體的零電阻性質(zhì)。超導(dǎo)體內(nèi)，表面的磁感應(yīng)強度以指數(shù)形式迅速衰減為零。兩個倫敦方程可以概括零電阻效應(yīng)和邁斯納效應(yīng)，并預(yù)言了超導(dǎo)體表面上的磁場穿透深度。實驗表明：處于外磁場中的超導(dǎo)體內(nèi)并不是完全沒有磁場，實際上外磁場可以穿透到超導(dǎo)體表面附近很薄的一層。與倫敦方程預(yù)言一致。

1950年，建立Ginzberg-Landau理論，也是唯象理論。

Ginzberg-Landau理論考慮到超導(dǎo)電子密度（ns）不僅是T的函數(shù)，而且是空間位置r和磁場B的函數(shù)，從而可以解釋更多的實驗現(xiàn)象。Ginzberg-Landau理論給出了決定ns(r)的方程，這使得Ginzberg-Landau理論比倫敦理論更進(jìn)一步。唯象的Ginzberg-Landau方程和微觀的薛定諤方程形式上一樣，預(yù)示了超導(dǎo)體具有類似微觀現(xiàn)象中的量子化現(xiàn)象，即，宏觀量子現(xiàn)象。磁通量量子化就是宏觀量子現(xiàn)象中的一個重要例子。

Ginzberg-Landau理論建立在相變點附近，它的結(jié)論定性上適用于更低的溫度，但定量上是不能用于比Tc低很多的溫度。Ginzberg-Landau理論是不含時間的，只能處理有序度參量不隨時間改變的現(xiàn)象。金茲堡-朗道理論

二流體模型，倫敦方程和金茲堡-朗道理論作為唯象理論在解釋超導(dǎo)電性的宏觀性質(zhì)方面取得了很大成功，然而這些理論無法給出超導(dǎo)電性的微觀圖像。20世紀(jì)50年代初，同位素效應(yīng)、超導(dǎo)能隙等關(guān)鍵性的發(fā)現(xiàn)提供了揭開超導(dǎo)電性之謎的線索。從微觀機制上去理解超導(dǎo)電性是在1957年由約翰·巴丁、里昂·庫珀和羅伯特·施里弗提出BCS理論后。他們分享了1972年的諾貝爾物理學(xué)獎。傳統(tǒng)超導(dǎo)體的微觀機制-BCS理論

1950年麥克斯韋和雷諾各自獨立地測量了水銀同位素的臨界轉(zhuǎn)變溫度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：隨著水銀同位素質(zhì)量的增高，臨界溫度降低。對實驗數(shù)據(jù)處理后得到原子質(zhì)量M和臨界溫度Tc的簡單關(guān)系：這種轉(zhuǎn)變溫度Tc依賴于同位素質(zhì)量M的現(xiàn)象就是同位素效應(yīng)。A同位素效應(yīng)BCS理論的建立基礎(chǔ)：同位素效應(yīng)、超導(dǎo)能隙和庫帕電子對。離子質(zhì)量M反映了晶格的性質(zhì)，臨界溫度Tc反映了電子性質(zhì)，同位素效應(yīng)把晶格與電子聯(lián)系起來了。描述晶格振動的能量子稱之為聲子，即，同位素效應(yīng)指出：電子-聲子的相互作用與超導(dǎo)電性有密切關(guān)系。實驗事實：導(dǎo)電性良好的堿金屬和貴金屬都不是超導(dǎo)體。常溫下導(dǎo)電性不好的材料，在低溫卻有可能成為超導(dǎo)體。臨界溫度比較高的金屬，常溫下導(dǎo)電性較差。弗洛里希（Frohlih）提出：電子—聲子相互作用是高溫下引起電阻的原因，而在低溫下導(dǎo)致超導(dǎo)電性。同位素效應(yīng)的物理意義同位素效應(yīng)指出：電子-聲子相互作用是探討超導(dǎo)機制的方向。在20世紀(jì)50年代，許多實驗表明，當(dāng)金屬處于超導(dǎo)態(tài)時，超導(dǎo)態(tài)的電子能譜與正常金屬不同。特點：在費米能附近出現(xiàn)了一個半寬度為的能量間隔，在這個能量內(nèi)沒有電子態(tài)，叫做超導(dǎo)能隙（~10-3-10-4eV）。在絕對零度，能量處于能隙下邊緣以下的各態(tài)全被占據(jù)，而能隙以上的各態(tài)則全空著，這就是超導(dǎo)基態(tài)。超導(dǎo)能隙的出現(xiàn)反映了電子結(jié)構(gòu)在從正常態(tài)向超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變過程中發(fā)生了深刻變化。這種變化就是倫敦指出的“電子平均動量分布的固化或凝聚”。B超導(dǎo)能隙

C庫柏電子對

1950年，F(xiàn)rohlih指出：電子-聲子相互作用能把兩個電子耦合在一起，這種耦合就好象兩個電子之間有相互作用一樣。物理圖象：當(dāng)電子1通過晶格時，電子與離子點陣的Coulomb作用使晶格點陣畸變，當(dāng)電子2通過這個畸變的晶格時，將受到畸變場的作用，畸變場吸引這個電子2，如果我們忘記第1個電子對晶格點陣造成畸變的過程，而只看其最后結(jié)果，將是第一個電子吸引第二個電子。電子之間的有效相互作用有兩種：1）電子之間的斥力；2）以晶格為媒介而發(fā)生的吸引力。在許多材料中，F(xiàn)ermi面附近動量和自旋都相反的一對電子，吸引力>Coulomb排斥力，使得凈的相互作用為吸引力。電子形成費米球的分布。在超導(dǎo)態(tài)時，在費米球內(nèi)部的電子仍與正常態(tài)中的一樣。但在費米面附近的電子，在交換虛聲子所引起的吸引力作用下，按相反的動量和自旋兩兩地結(jié)合成電子對，這種電子對被稱為庫帕對。T=0，在超導(dǎo)體內(nèi)費米面附近的電子全部組成電子對，這就是系統(tǒng)的基態(tài)。把一個電子對拆散成為兩個正常電子時，至少需要2的能量。存在超導(dǎo)能隙，超導(dǎo)體的很多性質(zhì)與能隙有關(guān)。物理圖象BCS理論的建立巴丁(J.Bardeen)、庫柏(I.N.Cooper)和施瑞弗(J.R.Schrieffer)在l957年發(fā)表的經(jīng)典性的論文中提出了超導(dǎo)電性量子理論，被稱為BCS超導(dǎo)微觀理論。其核心是：(1)電子間的相互吸引作用形成的庫柏電子對會導(dǎo)致能隙的存在。超導(dǎo)體臨界場、熱學(xué)性質(zhì)及大多數(shù)電磁性質(zhì)都是這種電子配對的結(jié)果。(2)元素或合金的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度與費米面附近電子能態(tài)密度N(EF)和電子-聲子相互作用能U有關(guān)，它們可以從電阻率來估計，當(dāng)UN(EF)<<l時，BCS理論預(yù)測臨界溫度：θD為德拜溫度。(3)一種金屬如果在室溫下具有較高的電阻率，冷卻時就有更大可能成為超導(dǎo)體。BCS理論要點

該理論模型基于量子力學(xué)理論，其主要觀點是：在超導(dǎo)體內(nèi)部，由于電子和點陣之間的相互作用，在電子與電子之間產(chǎn)生了吸引力，這種吸引力使傳導(dǎo)電子兩兩結(jié)成電子對，組成每個電子對的兩個電子動量相等、自旋方向相反，這種電子對稱為庫珀電子對。庫珀電子對的能量低于兩個正常電子的能量之和，因而超導(dǎo)態(tài)的能量低于正常態(tài)。在絕對零度時，全部電子都結(jié)成庫珀電子對，都是超導(dǎo)電子，隨著溫度的升高，晶格振動能量不斷增大，庫珀電子對就不斷地被拆散并轉(zhuǎn)變?yōu)檎ｋ娮?，在溫度達(dá)到臨界溫度以上時，庫珀電子就全部被拆散，所有電子都是正常電子。超導(dǎo)體按其磁化特性可分成兩類：1）第I類超導(dǎo)體只有一個臨界磁場Hc。在超導(dǎo)態(tài),磁化行為滿足M／H＝-1，具有邁斯納效應(yīng)。2）第П類超導(dǎo)體有兩個臨界磁場，即下臨界磁場Hc1和上臨界磁場Hc2（Hc1<Hc2）。a)當(dāng)外磁場小于Hc1時，同第I類超導(dǎo)體一樣，磁通被完全排出體外，此時第П類超導(dǎo)體處于邁斯納狀態(tài)，體內(nèi)沒有磁通線通過。b)當(dāng)外磁場處在Hcl和Hc2之間時，第2類超導(dǎo)體處于混合態(tài)（渦旋態(tài)）。這時體內(nèi)有部分磁通穿過，體內(nèi)既有超導(dǎo)態(tài)部分,又有正常態(tài)部分，磁通只是部分地被排出。c)當(dāng)外磁場大于Hc2時，材料處在正常態(tài)。兩類超導(dǎo)體的基本特征為什么超導(dǎo)體分為第1類超導(dǎo)體和第2類超導(dǎo)體?超導(dǎo)態(tài)和正常態(tài)之間存在界面能。1）當(dāng)超導(dǎo)體的相干長度ξ大于磁場穿透深度λ時，界面能為正，表明界面出現(xiàn)會導(dǎo)致體系能量上升，因此將不會出現(xiàn)超導(dǎo)態(tài)與正常態(tài)共存的混合態(tài)。這類超導(dǎo)體從超導(dǎo)態(tài)向正常態(tài)過渡時不經(jīng)過混合態(tài)，被稱作第1類超導(dǎo)體。2）若ξ<λ，界面能為負(fù)值,表明超導(dǎo)態(tài)-正常態(tài)界面的出現(xiàn)對降低體系的能量有利，體系中將出現(xiàn)混合態(tài)，這類超導(dǎo)體被稱作第2類超導(dǎo)體。由金茲堡-朗道方程得到:界面能>0,屬于第1類超導(dǎo)體。界面能<0,屬于第2類超導(dǎo)體。第I類超導(dǎo)體主要包括一些在常溫下具有良好導(dǎo)電性的純金屬，如鋁、鋅、鎵、鎘、錫、銦等，該類超導(dǎo)體的溶點較低、質(zhì)地較軟，亦被稱作“軟超導(dǎo)體”。第I類超導(dǎo)體其特征是：由正常態(tài)過渡到超導(dǎo)態(tài)時沒有中間態(tài)，并且具有完全抗磁性。第I類超導(dǎo)體由于其臨界電流密度和臨界磁場較低，因而沒有很好的實用價值。第II類超導(dǎo)體主要包括金屬元素釩、锝和鈮，金屬化合物、合金和高溫超導(dǎo)體。第II類超導(dǎo)體1)第II類超導(dǎo)體由正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)時有一個中間態(tài)（混合態(tài)）；

2)第II類超導(dǎo)體的混合態(tài)中有磁通線存在，而第I類超導(dǎo)體沒有；

3)第II類超導(dǎo)體比第I類超導(dǎo)體有更高的臨界磁場、更大的臨界電流密度和更高的臨界溫度。第II類超導(dǎo)體和第I類超導(dǎo)體的區(qū)別主要在于：第II類超導(dǎo)體根據(jù)是否存在磁通釘扎中心而分為：理想第II類超導(dǎo)體非理想第II類超導(dǎo)體

理想第II類超導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)比較完整，不存在磁通釘扎中心，并且當(dāng)磁通線均勻排列時，在磁通線周圍的渦旋電流將彼此抵消，其體內(nèi)無電流通過，從而不具有高臨界電流密度。非理想第II類超導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)存在缺陷，并且存在磁通釘扎中心，其體內(nèi)的磁通線排列不均勻，體內(nèi)各處的渦旋電流不能完全抵消，出現(xiàn)體內(nèi)電流，從而具有高臨界電流密度，適合于實際應(yīng)用。

第II類超導(dǎo)體的分類

第2類超導(dǎo)體內(nèi)磁通線的實驗觀察用Pb+6.3％In合金柱，在溫度1.2K，外加平行于樣品軸向的磁場，將細(xì)鐵磁粒子散在樣品端部的平面上，顯然鐵磁粒子只能集中于磁場穿透的地方，超導(dǎo)體的完全抗磁效應(yīng)排出磁鐵粒子，因此照片上的黑區(qū)是鐵磁的集聚處，也就是穿透到超導(dǎo)體內(nèi)磁場的出口。照片給出了十分清晰的三角形點陣。Essmann采用Bitter圖案技術(shù)得到材料中的渦旋線結(jié)構(gòu)每個磁通線只有一個正常的芯，芯的半徑為相干長度ξ，磁通量子由環(huán)流的超導(dǎo)電流所維持，這個超導(dǎo)電流在距芯為λ的半徑上衰減。如果在單位面積中有N個量子磁通線，則超導(dǎo)體的磁感應(yīng)強度為B＝NΦ0，相鄰兩個磁通線之間的距離為:

磁通線的間距d與H1/2成反比。隨著外磁場H的增加，磁通線間距d縮短。當(dāng)外磁場增加時，每個圓柱形的正常區(qū)并不擴大，而是增加正常區(qū)的數(shù)目。當(dāng)外磁場達(dá)到上臨界磁場Hc2時，相鄰的正常區(qū)圓柱體彼此接觸，超導(dǎo)區(qū)消失，整個材料變成正常態(tài)。單根磁通線結(jié)構(gòu)每根磁通線都是一樣的，磁通量子。

在經(jīng)典力學(xué)中，若兩個空間區(qū)域被一個勢壘分隔開，則只有粒子具有足夠的能量能夠越過勢壘時，它才會從一個空間進(jìn)入另一個空間區(qū)域中去。在量子力學(xué)中，一個能量不大的粒子也可能會以一定的幾率“穿過”勢壘，這就是所謂的隧道效應(yīng)。超導(dǎo)隧道效應(yīng)*單電子隧道效應(yīng)：正常金屬-絕緣體-超導(dǎo)體(NIS)結(jié)*Josephson效應(yīng)：超導(dǎo)體-絕緣體-超導(dǎo)體(SIS)結(jié)單粒子隧道效應(yīng)金屬-絕緣體-金屬(MIM)結(jié)：考慮被絕緣體隔開的兩個金屬，絕緣體通常對于從一種金屬流向另一種金屬的傳導(dǎo)電子起阻擋層的作用。如果阻擋層足夠薄，則由于隧道效應(yīng)，電子具有相當(dāng)大的幾率穿越絕緣層。當(dāng)兩個金屬都處于正常態(tài)，隧道結(jié)的電流正比于電壓。正常金屬-絕緣體-超導(dǎo)體(NIS)結(jié)：Giaever發(fā)現(xiàn)如果金屬中的一個變?yōu)槌瑢?dǎo)體時，電流-電壓的特性曲線發(fā)生變化，可以用超導(dǎo)能隙來解釋正常金屬-絕緣體-超導(dǎo)體(NIS)結(jié)。？約瑟夫森(Josephson)效應(yīng)1962年，英國物理學(xué)家約瑟夫森在研究超導(dǎo)電性的量子特性時提出了量子隧道效應(yīng)理論，也就是今天人們所說的約瑟夫森效應(yīng)。該理論認(rèn)為：電子對能夠以隧道效應(yīng)穿過絕緣層，在勢壘兩邊電壓為零的情況下，將產(chǎn)生直流超導(dǎo)電流。而在勢壘兩邊有一定電壓時，還會產(chǎn)生特定頻率的交流超導(dǎo)電流。在該理論的基礎(chǔ)上誕生了一門新的學(xué)科——超導(dǎo)電子學(xué)。

超導(dǎo)電流能夠穿過絕緣層并不引起電壓降，夾在中間的絕緣層也具有了超導(dǎo)電性。（弱連接超導(dǎo)體）在Josephson預(yù)言這一現(xiàn)象之后幾個月，P.W.Anderson和J.M.Rowell證實了此預(yù)言。？弱連接超導(dǎo)體：S-I-S結(jié)S-I-S結(jié)，常稱為Josephson超導(dǎo)隧道結(jié)，它是一種弱連接超導(dǎo)體。弱連接超導(dǎo)體能夠而且能夠讓很小的超導(dǎo)電流從一個超導(dǎo)體流向另一個超導(dǎo)體。在襯底上沉積一層超導(dǎo)膜，用熱氧化等方法生長很薄一層絕緣膜，再沉積另一層超導(dǎo)膜。橋區(qū)：寬0.3-0.5um長0.3-1um膜厚0.05-0.3um直流Josephson效應(yīng)交流Josephson效應(yīng)約瑟夫森結(jié)的實際應(yīng)用：超導(dǎo)量子干涉儀最靈敏的測量磁場的儀器，為什么？原理？超導(dǎo)材料結(jié)構(gòu)元素超導(dǎo)體合金超導(dǎo)體高溫氧化物超導(dǎo)體新型超導(dǎo)體：不含銅氧面的超導(dǎo)體、MgB2元素超導(dǎo)體元素超導(dǎo)體在常壓下具有超導(dǎo)電性的元素金屬有32種。在高壓下具有超導(dǎo)電性的元素金屬有14種。有些元素在經(jīng)過特殊工藝處理(如制備成薄膜，電磁波輻照、離子注入等)后顯示出超導(dǎo)電性。Nb的Tc最高(9.2K)，與一些合金超導(dǎo)體相接近，而制備工藝要簡單得多。Nb膜的Tc對氧雜質(zhì)十分敏感，因而在超高真空(氧分壓＜10-6Pa)條件下，才能制備優(yōu)良的Nb薄膜。

具有超導(dǎo)電性的合金及化合物多達(dá)幾千種，但能用的不多。A-15超導(dǎo)體，是20世紀(jì)50年代Matthias首次發(fā)現(xiàn)的。在1986年以前發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)體中，這類化合物中的Tc居于領(lǐng)先地位。它們之中臨界溫度最高的是Nb3Ge薄膜，為23.2K。c-15超導(dǎo)體的臨界溫度~10K,但上臨界場較高，在力學(xué)性質(zhì)上優(yōu)于Nb3Sn，易于加工成型，中子輻照對它的超導(dǎo)電性影響較小，因而是目前受控?zé)岷朔磻?yīng)用高場超導(dǎo)磁體的理想材料。超導(dǎo)合金

氧化物高溫超導(dǎo)體特點：明顯的層狀結(jié)構(gòu)、較短的超導(dǎo)相干長度、較強的各向異性以及Tc對載流子濃度強依賴關(guān)系。共同特征：具有層狀的類鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)組元，整體結(jié)構(gòu)分別由導(dǎo)電層和載流子庫層組成，導(dǎo)電層是指分別由Cu-O6八面體、Cu-O5四方錐和Cu-O4平面四邊形構(gòu)成的銅氧層。這種結(jié)構(gòu)組元是高溫氧化物超導(dǎo)體所共有的，也是對超導(dǎo)電性至關(guān)重要的結(jié)構(gòu)特征，它決定了氧化物超導(dǎo)體在結(jié)構(gòu)上和物理特性上的二維特點。超導(dǎo)主要發(fā)生在導(dǎo)電層(銅氧層)上。其他層狀結(jié)構(gòu)組元構(gòu)成了高溫超導(dǎo)體的載流子庫層，它的作用是調(diào)節(jié)銅氧層的載流子濃度或提供超導(dǎo)電性所必需的耦合機制。氧化物超導(dǎo)體的特點

相干長度很短是所有高溫超導(dǎo)體的本征特性，所以不均勻性也是高溫超導(dǎo)體的本征特性，這將影響其物理性能和應(yīng)用。不管是研制高質(zhì)量的單晶還是探索高溫超導(dǎo)機理，進(jìn)一步研究缺陷含量及其分布都是十分重要的。高溫超導(dǎo)體的性質(zhì)由載流子濃度決定。例如La2CuO4，其母體是反鐵磁絕緣體。摻入很少量的Sr后變?yōu)樽孕ＡB(tài)。進(jìn)一步的摻雜將引入更多的載流子，它將變?yōu)槌瑢?dǎo)體。存在一個最佳的載流子濃度，使臨界溫度達(dá)到極大值。過量摻雜將使該體系變?yōu)檎＝饘?。氧化物超?dǎo)體的特點TxAFSC自旋玻璃正常金屬載流子濃度的變化來自氧缺位，相應(yīng)氧含量可由制備過程或成分的變化來改變。晶格參數(shù)的變化常伴隨著載流子濃度的變化。在很多材料中發(fā)現(xiàn)調(diào)制結(jié)構(gòu)，不同于“平均結(jié)構(gòu)”。小資料：鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)(CaTiO3)

大量高Tc氧化物超導(dǎo)體具有鈣鈦礦或由鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)畸變成衍生而成的結(jié)構(gòu)。鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的理想化合式為ABX3，其中A與B分別為離子半徑大與小的陽離子，X為陰離子，一般為元素周期表中第六族或第七族元素。具有鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的化合物很多，屬立方晶系，簡單點陣。

在鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中，可以看成是[BX6]八面體共頂聯(lián)結(jié)，沿三維空間延伸，離子半徑大的陽離子A填隙在由陰離子X所組成的立方八面體間隙中。CaOTiY系Hg系La系高溫超導(dǎo)體結(jié)構(gòu)特征YBaOCuCuOLaCu在中心，旁邊是氧Cu-O鏈導(dǎo)電層載流子庫層層狀結(jié)構(gòu)準(zhǔn)二維的特點OxygenCopper高溫超導(dǎo)體：層狀結(jié)構(gòu)銅氧面的特點OxygenCopper反鐵磁強關(guān)聯(lián)Cu原子的外層電子為3d104s1，銅氧化物中的Cu2+離子具有3d9的電子構(gòu)型，即，3d殼層有一個dx2-y2軌道的空穴，帶有1/2的自旋。氧化物超導(dǎo)體中的磁有序

在Cu-O面中，最近鄰的Cu2+格點之間存在強的反鐵磁超交換作用，交換能J為10-130meV，因而Cu2+離子組成二維平方格子的自旋為1/2的海森堡系統(tǒng)。CuO2平面之間有很弱的層間耦合，雖然其交換能J’比J要小5個量級，但導(dǎo)致了三維長程反鐵磁序。在高溫超導(dǎo)材料中，表現(xiàn)強關(guān)聯(lián)特性的磁有序及自旋漲落是高溫超導(dǎo)體區(qū)別于常規(guī)超導(dǎo)體的最重要的特點之一。La(Sr)-Cu-O(2-1-4相)超導(dǎo)體具有K2NiF4結(jié)構(gòu)的La2-xMxCuO4(M＝Sr，Ba)是由La2CuO4摻雜得到的。其特點是有準(zhǔn)二維的結(jié)構(gòu)特征。晶體結(jié)構(gòu)屬四方晶系，晶格常數(shù)a=0.38nm和c＝1.32nm。純的La2CuO4是不超導(dǎo)的，當(dāng)氧過量或部分La3+離子被二價的Sr2+和Ba2+所替代時才顯示出超導(dǎo)性質(zhì)，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度在20-40K之間，取決于摻雜元素M和摻雜濃度x。Sr2+La3+空穴型摻雜小資料：K2NiF4型結(jié)構(gòu)La-OCu-OLa-OLa-OCu-OLa-OLa-Sr-Cu-O超導(dǎo)體的相圖當(dāng)溫度從室溫降低時，由四方相轉(zhuǎn)變?yōu)檎幌?使晶格常數(shù)a和b不再相等，晶胞擴大。相鄰的Cu原子自旋反向。按照Mott-Hubard模型,引入在位庫侖能U，將使導(dǎo)帶劈裂為二，成為Mott絕緣體。將一個兩價的堿土原子Sr置換La，絕緣體變?yōu)榻饘?。中子衍射的實驗結(jié)果表明，反鐵磁態(tài)對于摻雜極為敏感，當(dāng)x＝0.02時，長程序就消失，變成關(guān)聯(lián)長度約為4nm的二維自旋液體。當(dāng)x=0.05時，發(fā)生絕緣體-金屬的轉(zhuǎn)變，但對自旋關(guān)聯(lián)影響不大，自旋關(guān)聯(lián)一直延伸到超導(dǎo)態(tài)中。Y-Ba-Cu-O超導(dǎo)體*畸變的銅氧面*不等價的氧占位*存在一維的銅氧鏈在Y-Ba-Cu-O中，Y一般用稀土元素來替換后，仍保持Y-123結(jié)構(gòu)，而且對Tc影響不大。但用Ce和Pr置換后，由于導(dǎo)致了載流子的局域化，使其喪失了超導(dǎo)電性。在Y-123化合物中用過渡族元素Fe、Ni、Co和Zn以及Ga、Al、Mg等置換Cu后，導(dǎo)致Tc不同程度的下降。YBa2Cu3O7-=0正交=1四方Cu-OBa-OCu-OYCu-OBa-OCu-OBi-Sr-Ca-Cu-O超導(dǎo)體米切爾首先在Bi-Sr-Cu-O體系中發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為7-22K（2201相）的超導(dǎo)相。隨后Maeda在米切爾的基礎(chǔ)上加入CaO,發(fā)現(xiàn)了Tc為110K（2223相）和85K（2212相）的樣品。超導(dǎo)相的化學(xué)通式為Bi2Sr2Can-1CunO2n+4,n＝1,2,3,4，分別稱為2201相、2212相、2223相和2234相。Bi系超導(dǎo)相平均晶體結(jié)構(gòu)可看成四方晶系，體心點陣。Bi系四個超導(dǎo)相的晶胞參數(shù)a,b相近，只是c分別為2.46nm、3.08nm、3.70nm和4.40nm。這類超導(dǎo)相的結(jié)構(gòu)特點是一些Cu-O層被Bi2O2雙層隔開，不同相的結(jié)構(gòu)差異在于相互靠近的Cu-O層的數(shù)目和Cu-O層之間Ca層的數(shù)目。*結(jié)構(gòu)上的相似性，使得不可避免地有多相共生的現(xiàn)象。*一維無公度調(diào)制結(jié)構(gòu)，使得晶體的整體對稱性降低。Bi-Sr-Ca-Cu-O超導(dǎo)體220122122223Bi-Sr-Ca-Cu-O超導(dǎo)體220122122223Bi-OSr-OCu-OSr-OBi-O一層銅氧面Bi-OSr-OCu-OCaCu-OSr-OBi-O兩層銅氧面Bi-OSr-OCu-OCaCu-OCaCu-OSr-OBi-O三層銅氧面7-22K85K110KBi(Tl)系通式：

A2B2Can-1CunO2n+y

A(Bi或Tl）B(Sr或Ba)若無限增加銅氧層的數(shù)目，即令n，這時在通式中的A和B將被忽略，得到的Ca:Cu:O=1:1:2。根據(jù)這樣的思路，通過探索合成工藝有可能得到具有無限多銅氧層的超導(dǎo)體，如CaCuO2、SrCuO2、BaCuO2等即“全銅氧層”或“無限銅氧層”結(jié)構(gòu)。其特征：由很多Cu-O層和Sr層堆垛而成的。Sr層是最簡單的載流子庫層，超導(dǎo)所需的載流子是通過Sr層的調(diào)整來實現(xiàn)的。（利用陽離子占位不完全來調(diào)整和增加載流子濃度，是一種提高無限層超導(dǎo)體Tc的有效方法，利用這種方法得到的Ca1-xSrCuO2的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度已達(dá)110K。）這種材料的制備是在非?？量痰母邷睾透哐鯄旱臈l件下完成。無限層超導(dǎo)體不含銅氧面的氧化物超導(dǎo)體CavaLab-

SolidStateChemistryResearchGroup

MahnazMilani-BaladiResearchinNewSuperconductingMaterial

TheFirst"HighTc"CeramicSuperconductor(YBCO)LayeredCu-OceramicsuperconductorContainsdiscreteCuO2layerscomposedofYttrium,Barium,CopperandOxygenAnincredibleTcat92K.Thecopper(Cu)arethegreenatoms,theoxygenareredandbariumisblue.Clearlytherearetwokindsofcopperatom–thosethatareco-ordinatedby4oxygenatoms(greensquares),typicalofdivalentCu++,andthosethathaveafifthoxygenatom(greenpyramids).不可思議Experiments:

CrystalStructureDeterminationPreparecrystalsorpowdersCollectdiffractiondataSolvethestructureRefinethestructureValidationandcheckingArchivedataandresultInterpretandcommunicateresultsX-RayDiffractometryAtechniquetodeterminethestructuresofcrystallinesolids.(Accuracy:fewtensofPicometer)Verifythepreciseatomicpositions,bondlengths,andanglesofmoleculeswithinasinglecrystal.UsingJade*toPlotandAnalyzeXRDData.*PowderDiffractionanalysisandsimulationsoftwareRigakupowderX-rayDiffractometer

Top-downviewofasingleCoO2layerfoundinthenewcobaltoxidesuperconductor

WaterActivatesCompound'sSuperconductivity

hexagonallatticeofcobalt(blue)andoxygen(red)atomsProvideinsightintotherelationshipbetweendimensionalityandsuperconductivity.Closedpackedlayersofedge-sharingCoO2octahedraperpendiculartothec-axis.cobaltoxidetobecomeasuperconductor

Na0.35CoO2.1+3H2O*isasuperconductorwithaTc~5k

*Nature422,53-55(2003)Thiscompoundconsistsoftwo-dimensionalCoO2layersseparatedbyathickinsulatinglayerofNa+ionsandH2Omolecules.SuperconductivityturnsonbetweenCoO2layersspacingof9.8?.

NaCo2O4水的作用？改變Co-O層間距？提供耦合？其它？InsertingatomsbetweenOctahedraBi2CanCo1.7O5.4+n

n=1,2,3NumberofCaOlayers.Result:n=2onlyformed.

Bi，CaNa以增加Co-O層間間距。Thequestforthenewsuperconductor(Bi1-x

Pbx)2

Ca2Co1.7O7.4x=0.3,0.6Bi2Ca2-x

NaxCo1.7O7.4 (Bi1-xPbx)2Ca2-Y

Na

YCo1.7O7.4 Y=0.5

摻Pb以調(diào)節(jié)Co-O層間間距Result:

Leadgoesinsidethelayersthemost.NextProbe:TryingdifferentLeadcontents.X=0.9,1.2,1.5,1.8.Result:Aninsulator(~600Ω)NOsuperconductorBoss’sRule#6:NeverGiveUp!PerceptionofusingLeadOxide

PbO

Leadoxide(red)

PbCa3CoOxPb2Ca3CoOxPbCa3Co2OxConclusionThisworkshowedastudyoftheinfluenceofLeadoxideandCalciumoxidebetweenCoO2layers.OurresultsshowthatLeadoxidegoesinsidetheCoO2octahedralayersanddoesn’tmakeasuperconductor.Silverhavebeentried.Buttheydidn’tgoinsidethelayersandthere’snosuperconductor.There’stwolayersofCaOinbetweentheCobaltOxideoctahedra.TherearenoknownNiOcompoundswiththesamecrystalstructuresasBi2(Sr,Ca)2Co2O8.

Nickelwouldhavemuchdifferentelectroncount.新型超導(dǎo)體：MgB2的發(fā)現(xiàn)

2001年1月10日，日本青山學(xué)院大學(xué)教授秋光純宣布，他的研究小組發(fā)現(xiàn)金屬間化合物二硼化鎂具有超導(dǎo)電性，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度高達(dá)39K。消息傳來，全世界凝聚態(tài)物理學(xué)界為之興奮。二硼化鎂結(jié)構(gòu)簡單，易于制作和加工，有著廣闊的應(yīng)用前景。世界各國的研究人員使用各種現(xiàn)代化的研究手段，對二硼化鎂超導(dǎo)體的物理性質(zhì)進(jìn)行了重點研究，研究論文大量涌現(xiàn)，目前已達(dá)100多篇。在美國西雅圖市召開了關(guān)于二硼化鎂超導(dǎo)電性的國際研討會，中、美、日等13個國家的數(shù)百名科學(xué)家出席了研討會，會上共宣讀論文76篇。

SecretsofaNewSuperconductor,MgB2S.LouieandM.Cohen,02-12FermisurfaceofMgB2at4Kwith“superconductinggap”indicatedwithcolor.(DepictionoftheFermisurfaceisawaytovisualizethehighest-energystateselectronsoccupyinmomentumspace).Therearetwopopulationsofelectronsthathavedifferentenergiesneededtobreakupsuperconductingpairs(thesuperconductinggap).Therearetwonestedcylinders(atthecornersofthediagram)derivedprimarilyfromsigma-bondedelectrons;thesearecoloredorangeandredtoindicatethelargeamountofenergyneededtobreakasuperconductingpairtocreateelectrons(6.2–7.2meV).Inaddition,twoothersheetsoftheFermisurfacederivedfrompi-bondedelectronsform"webbedtunnels;"theyarecoloredgreenandbluetoindicatethelowenergy(1.2to3.7meV)requiredtobreaksuperconductingpairs.CrystalstructureofMgB2.Boronatoms(green)formhoneycombplanes,andmagnesiumatoms(purple)arebetweentheplanesalignedwiththecenterofthehexagonsofthehoneycomb.DistributionofgapenergiesofelectronsinMgB2.Clearlytherearetwosuperconductinggaps.BMg二硼化鎂超導(dǎo)體的主要物理性質(zhì)二硼化鎂（MgB2）的結(jié)構(gòu)屬六方晶系，在兩個硼原子層之間有一個鎂原子層。研究表明，二硼化鎂的超導(dǎo)電性源于硼原子層?？茖W(xué)家們采用“摻雜”的方法,在MgB2的基礎(chǔ)上尋找具有更高臨