超導及超導應用

超導及超導應用第1頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四超導研究獲諾貝爾物理學獎情況1913年H.K.昂尼斯(荷蘭)在低溫下研究物質的性質并制成液態(tài)氦1972年J.巴丁(美)L.N.庫珀(美)J.R.斯萊弗(美)提出所謂BCS理論的超導性理論1973年B.D.約瑟夫森(英)關于固體中隧道現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn),從理論上預言了超導電流能夠通過隧道阻擋層(即約瑟夫森效應)1987年J.G.柏諾茲(美)K.A.穆勒(美)發(fā)現(xiàn)新的超導材料第2頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四目錄

一、超導現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)二、三個重要的物理參數(shù)三、超導體的物理特性四、超導的微觀機制(BCS理論)五、超導技術的應用六、高溫超導體的發(fā)現(xiàn)七、超導材料八、結束語第3頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四

1908年，荷蘭物理學家昂納斯首次成功地把稱為“永久氣體”的氦液化，因而獲得4.2K的低溫源，為超導發(fā)現(xiàn)準備了條件。三年后即1911年，在測試純金屬電阻率的低溫特性時，昂納斯又發(fā)現(xiàn)，汞的直流電阻在4.2K時突然消失，多次精密測量表明，汞柱兩端壓降為零，他認為這時汞進入了一種以零阻值為特征的新物態(tài)，并稱為“超導態(tài)”。昂納斯在1911年12月28日宣布了這一發(fā)現(xiàn)。但此時他還沒有看出這一現(xiàn)象的普遍意義，僅僅當成是有關水銀的特殊現(xiàn)象。一、超導的發(fā)現(xiàn)第4頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四荷蘭物理學家昂納斯

(HeikeKamerlinghOnnes)

卡末林·昂尼斯(KamerlinghOnnes)低溫物理學家1853年9月21日生于荷蘭的格羅寧根，1926年2月21日卒于荷蘭的萊頓．因制成液氦和發(fā)現(xiàn)超導現(xiàn)象象1913年獲諾貝爾物理學獎．第5頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四金屬Hg電阻隨溫度變化規(guī)律

如圖所示橫坐標表示溫度，縱坐標表示在該溫度下汞的電阻與0℃時汞的電阻之比：R/R0

R0：

T=273K的電阻第6頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四超導體的分類

根據(jù)超導體界面能的正負，我們可以將超導體分為第一類超導體和第二類超導體。大多數(shù)純超導金屬元素的界面能為正，稱為第一類超導體。對于許多超導合金和少數(shù)幾種純超導金屬元素來說，其界面能為負，稱為第二類超導體?，F(xiàn)在主要研究的是第二類超導體。在第二類超導體中，又可以根據(jù)由于磁通流動而產生電阻（流阻）將其進行分類。

第7頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四超導體的分類

在常壓下具有超導電性的元素金屬有32種（如圖元素周期表中青色方框所示）,而在高壓下或制成薄膜狀時具有超導電性的元素金屬有14種（如圖元素周期表中綠色方框所示）

第8頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四第I類超導體

第I類超導體主要包括一些在常溫下具有良好導電性的純金屬，如鋁、鋅、鎵、鎘、錫、銦等，該類超導體的溶點較低、質地較軟，亦被稱作“軟超導體”。其特征是由正常態(tài)過渡到超導態(tài)時沒有中間態(tài)，并且具有完全抗磁性。第I類超導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9頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四第II類超導體

(1)第II類超導體由正常態(tài)轉變?yōu)槌瑢B(tài)時有一個中間態(tài)

(2)第II類超導體的混合態(tài)中有磁通線存在，而第I類超導體沒有

(3)第II類超導體比第I類超導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10頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四第II類超導體分類第II類超導體根據(jù)其是否具有磁通釘扎中心而分為理想第II類超導體和非理想第II類超導體

第11頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四二、三個重要的物理參數(shù)

實現(xiàn)超導必須具備一定的條件，如溫度、磁場、電流都必須足夠的低。超導態(tài)的三大臨界條件：臨界溫度、臨界電流和臨界磁場，三者密切相關，相互制約。

第12頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四三個重要的物理參數(shù)

臨界溫度(Tc):

超導體電阻突然變?yōu)榱愕臏囟扰R界電流(Ic):超導體無阻載流的能力是有限的，當通過超導體中的電流達到某一特定值時，又會重新出現(xiàn)電阻，使其產生這一相變的電流稱為臨界電流

臨界磁場(Hc):逐漸增大磁場到達一定值后，超導體會從超導態(tài)變?yōu)檎B(tài)，把破壞超導電性所需的最小磁場第13頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四臨界溫度(Tc)第14頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四逐漸增大磁場到達一定值后，超導體會從超導態(tài)變?yōu)檎B(tài)，把破壞超導電性所需的最小磁場稱為臨界磁場，記為Hc。有經(jīng)驗公式：

Hc(T)=Hc(0)(1-T2/Tc2)正常態(tài)HHc(0)TcT超導態(tài)臨界磁場第15頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四

超導體無阻載流的能力也是有限的，當通過超導體中的電流達到某一特定值時，又會重新出現(xiàn)電阻，使其產生這一相變的電流稱為臨界電流，記為Ic。目前，常用電場描述Ic(V)，即當每厘米樣品長度上出現(xiàn)電壓為1V時所輸送的電流。Ic(V)IV失超臨界電流第16頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四三、超導體的物理特性

(1)零電阻現(xiàn)象(ZeroResistance)T>Tc在超導環(huán)上加磁場

(b)T<Tc圓環(huán)轉變?yōu)槌瑢B(tài)(c)突然撤去外電場，超導環(huán)中產生持續(xù)電流

第17頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四

(2)邁斯納效應邁斯納效應又叫完全抗磁性，1933年邁斯納發(fā)現(xiàn)，超導體一旦進入超導狀態(tài)，體內的磁通量將全部被排出體外，磁感應強度恒為零，且不論對導體是先降溫后加磁場，還是先加磁場后降溫，只要進入超導狀態(tài)，超導體就把全部磁通量排出體外。NNS降溫降溫加場加場S注：S表示超導態(tài)N表示正常態(tài)超導體的物理特性2第18頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四在錫盤上放一條永久磁鐵，當溫度低于錫的轉變溫度時，小磁鐵會離開錫盤飄然升起，升至一定距離后，便懸空不動了，這是由于磁鐵的磁力線不能穿過超導體，在錫盤感應出持續(xù)電流的磁場，與磁鐵之間產生了排斥力，磁體越遠離錫盤，斥力越小，當斥力減弱到與磁鐵的重力相平衡時，就懸浮不動了。觀察邁納斯效應的磁懸浮試驗第19頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四德國物理學家邁納斯第20頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四超導體的物理特性(3)二級相變效應

1932年，荷蘭學者Keesom和Kok發(fā)現(xiàn)，在超導轉變的臨界溫度TC處，比熱出現(xiàn)了突變。Keesom-Kok實驗表明，在超導態(tài)，電子對比熱的貢獻約為正常態(tài)的3倍。如果發(fā)生相變時，體積不變化，也無相變潛熱，而比熱、膨脹系數(shù)等物理量卻發(fā)生變化，則稱這種相變?yōu)槎壪嘧儭Ｕw向超導體的轉變是一個二級相變。

第21頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四超導體的物理特性(4)同位素效應同位素效應指出超導體的臨界溫度隨同位素質量而變化。

同位素效應揭示出超導電性與電子和晶格的振動有關

第22頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四超導體的物理特性(5)單電子隧道效應

當一個電子在勢壘中運動時，電子可以借助真空，從真空吸收一個虛光子，使自己的能量增大而越過勢壘，電子一旦越過勢壘，便將虛光子送還給真空。同時，電子的能量也返回到原來的值,量子理論稱它為隧道效應。

第23頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四超導體的物理特性(6)約瑟夫森效應（雙電子隧道效應）

1962年，約瑟夫森（Josephson）提出，應有電子對通過超導-絕緣層-超導隧道元件，即一對對電子成伴地從勢壘中貫穿過去。電子對穿過勢壘可以在零電壓下進行，所以約瑟夫森效應與單電子隧道效應不同，可用實驗對它們加以鑒別。零電壓下的約瑟夫森效應又稱直流約瑟夫森效應。此外還有交流約瑟夫森效應。它們具有共同的特點，都是雙電子隧道效應。

第24頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四四、超導的微觀機制(BCS理論)

1957年在伊利諾大學的B.D.Bardeen(巴丁)、L.N.Cooper(庫柏)及J.R.Schrieffer(施里弗)為了正確解釋超導現(xiàn)象，發(fā)表了著名且完整的超導微觀理論（量子理論），稱為BCS理論。BCS理論是由美國物理學家巴丁、庫珀和施里弗于1957年首先提出的，并以三位科學家姓名第一個大寫字母命名這一理論

第25頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四巴丁、庫柏、施里弗

巴丁、庫柏、施里弗獲得了1972年諾貝爾物理獎

第26頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四BCS理論的三個觀點

1.在一定溫度下，金屬中參與導電的電子結成庫珀對，這是一個相變過程；2.庫珀對電子凝聚在費密面附近；3.費密面以上將出現(xiàn)一個寬度為Δ的能隙。

第27頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四五、超導技術的應用

（1）在電力工程方面的應用

圖1超導導線(含2120根微米直徑之鈮鈦合金纖維)

超導輸電在原則上可以做到?jīng)]有焦耳熱的損耗，因而可節(jié)省大量能源；用超導線圈儲存能量在軍事上有重大應用，超導線圈用于發(fā)電機和電動機可以大大提高工作效率、降低損耗，從而導致電工領域的重大變革.第28頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四超導儲能裝置

超導儲能裝置是利用超導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)或其它負載的一種電力設施。一般由超導線圈、低溫容器、制冷裝置、變流裝置和測控系統(tǒng)幾個部件組成。其中超導線圈是超導儲能裝置的核心部件，它可以是一個螺旋管線圈或是環(huán)形線圈

第29頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四超導發(fā)電機

在電力領域，利用超導線圈磁體可以將發(fā)電機的磁場強度提高到5萬～6萬高斯，并且?guī)缀鯖]有能量損失，這種發(fā)電機便是交流超導發(fā)電機。超導發(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％

第30頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四超導限流器

超導限流器是利用超導體的超導/正常態(tài)轉變特性，有效限制電力系統(tǒng)故障短路電流，能夠快速和有效地達到限流作用的一種電力設備。超導限流器集檢測、觸發(fā)和限流于一體，反應速度快，正常運行時的損耗很低，能自動復位，克服了常規(guī)熔斷器只能使用一次的缺點。第31頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四日本超導磁懸浮列車MAGLEV

高溫超導磁懸浮實驗車“世紀號”

（2）超導技術在交通運輸方面的應用第32頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四（3）超導技術在電子工程方面的應用

用超導技術制成各種儀器，具有靈敏度高、噪聲低、反應快、損耗小等特點，如用超導量子干涉儀可確定地熱、石油、各種礦藏的位置和儲量，并可用于地震預報

圖8超導量子干涉儀

第33頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四超導數(shù)字電路

超導數(shù)字電路利用約瑟夫森結在零電壓態(tài)和能隙電壓態(tài)之間的快速轉換來實現(xiàn)二元信息。應用約瑟夫森效應的器件可以制成開關元件，其開關速度可達10-11秒左右的數(shù)量級，比半導體集成電路快100倍，但功耗卻要低1000倍左右，為制造亞納秒電子計算機提供了一個途徑第34頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四（4）超導技術在生物醫(yī)療方面的應用

核磁共振斷層掃描儀其原理乃是利用核磁共振原理，觀察體內某一種原子核的變化分布(主要是氫原子)，將結果顯像為人體斷層掃描圖，以觀察身體中病灶組織的變化。圖9核磁共振斷層掃描儀與人體斷層掃描圖

第35頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四（5）超導技術在軍事上的應用

(a)超導粒子束武器和自由電子激光器

(b)超導電磁炮(c)超導電磁推進系統(tǒng)和超導陀螺儀

超導技術在軍事工業(yè)中也可以發(fā)揮其特有的作用，超導掃雷具就是其中之一。超導掃雷具的工作原理是：超導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生磁場，或者在船上安裝一個電磁體產生磁場，從而得以將磁水雷引爆

第36頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四(6)科學工程和實驗室應用

科學工程和實驗室是超導技術應用的一個重要方面，它包括高能加速器、核聚變裝置等。高能加速器用來加速粒子產生人工核反應以研究物質內部結構，是基本粒子物理學研究的主要裝備。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空間內的條件下，原子核就能夠越過電子的排斥而互相碰撞產生核聚變反應。在這些應用中，超導磁體是高能加速器和核聚變裝置不可缺少的關鍵部件。

第37頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四(7)

農業(yè)上的應用農作物種子由于其富含蛋白質和有機酶，在強磁場作用下，能夠影響種子的萌發(fā)、苗期生長、作物產量和品質、遺傳特性等

一般而言，磁場強度和磁場作用時間對農作物種子的影響比較大，其作用機制是：磁場→基因→酶→代謝→結構與功能。實驗研究的結果表明，經(jīng)過強磁場作用的農作物種子，其最終產量將能夠提高5-10%。

第38頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四六、高溫超導體的發(fā)現(xiàn)

(1)高溫超導體的發(fā)現(xiàn)自1911年出現(xiàn)第一個超導體水銀到1973年出現(xiàn)合金超導體鍺三鈮，前后的時間長達62年，但臨界溫度TC總共只提高了20K左右，平均每年增長1/3（K）；1964年開始在金屬氧化物中尋找超導材料，到1975年，臨界溫度只達到13K，遠不及鍺三鈮。后來美國Bell貝爾實驗室一個叫William.L.Mcmilam（威廉.L.麥克米蘭）的人提出：金屬超導臨界溫度上限值為30（K），這一斷言使一部分科學家對金屬材料失去信心。

1980年后有人開始轉向在有機材料中發(fā)現(xiàn)超導體，美國霍普金斯研究小組首先合成一種有機材料（TMTSF）2X，它在TC=1時成為超導體。此后短短5年中，有機超導材料臨界溫度提高到8（K）。盡管有機超導體的臨界溫度有待大幅度地提高，但有機材料易加工成型，易于人工合成，價格便宜，重量輕，故仍具有不可抗拒的誘惑力。

第39頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四高溫超導體的發(fā)現(xiàn)

1986年4月，正當提高金屬、合金有機材料的臨界溫度都遇到困難的時候，瑞士學者繆勒和西德學者柏努茲發(fā)現(xiàn)多相氧化物或稱為陶瓷材料超導，激起人們對新陶瓷材料的高度熱情，在不到一年時間內，中國、日本，美國等競相努力，使陶瓷超導體的臨界溫度提高到300K以上。

1987年初，中國的趙忠賢獲得SrLaCuO的超導臨界溫度為48.6K，短短數(shù)月內就又提高至近300K，平均每月增長50K！出現(xiàn)了超導史上空前振奮人心的局面。

第40頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四著名高溫超導物理學家第41頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四(1)高Tc超導體的主要性質

1.晶體結構有強低維特點，3個晶格常數(shù)相差3～4倍；2.輸運系數(shù)具有很大的各向異性；3.磁場穿透深度較大；4.相干長度較短或者庫珀對的空間局域性較強；5.載流子濃度較低，且為空穴型導電；6.隧道實驗表明電子對存在；7.邁斯納效應不完全；8.同位素效應弱甚至無。

第42頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四(1)必須在一個確定的溫度實現(xiàn)零電阻轉變；(2)在零電阻轉變溫度的附近必須觀察到完全抗磁性（邁斯納效應）；(3)這一現(xiàn)象必須具有一定的穩(wěn)定性和再現(xiàn)性；(4)這一現(xiàn)象必須為其它實驗室所重復和驗證。

(2)高溫超導體的四項判斷準則第43頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四(3)高溫超導理論研究現(xiàn)狀1.BCS理論

2.共振價鍵理論（RVB）

3.雙極化子機制

4.激子機制

5.等離子體機制

6.雜質躍遷

盡管如此，也還是沒有一種理論能得到大家的一致公認。誰能最后揭開高TC超導之謎，誰就將是科學王國中的佼佼者

第44頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四(4)高溫超導陶瓷的制作工藝

(1)干法(2)濕法(3)電子束蒸發(fā)此外，還有直流磁控濺射和單晶生成等工藝。第45頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四

目前，第一代超導線材——鉍氧化物線材已達到商業(yè)化水平。東京電力公司試制成功長100米、3相、66千伏的超導電纜，美國不久也將進行100米超導電纜的安裝試驗。日本正在加緊研究開發(fā)高性能的超導電纜、超導變壓器、超導限流器和超導蓄電裝置等，預計5年后達到目標。日本磁懸浮列車線圈的超導化目前也在計劃當中，預計將從明年開始進行研究和試制。目前各國都在積極研究開發(fā)第二代超導線材——釔系列線材。其中，包含釔的YBCO(釔鉍銅氧)和包含釹的NBCO(釹鉍銅氧)這兩種線材，由于有更好的磁場特性，將來有