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1、超导材料及超导性材料工程 李益俊超导体的基本特性1.完全导电性（1）完全电导性又称零电阻效应，指温度降低至某一温度以下，电阻突然消失的现 象。（2）完全电导性适用于直流电，超导体在处于交变电流或交变磁场的情况下，会出 现交流损耗，且频率越高，损耗越大。交流损耗是超导体实际应用中需要解决的一 个重要问题。在宏观上，交流损耗由超导材料内部产生的感应电场与感生电流密度 不同引起；在微观上，交流损耗由量子化磁通线粘滞运动引起 。交流损耗是表征超 导材料性能的一个重要参数。如果交流损耗能够降低，则可以降低超导装置的制冷 费用，提高运行的稳定性。超导体的基本特性2.完全抗磁性（1）完全抗磁性又称迈斯纳效应
2、。1933年，荷兰的迈斯纳和奥森菲尔德共同发现了 超导体的另一个极为重要的性质当金属处在超导状态时，超导体内的磁感应强 度为零，却把原来存在于体内的磁场排挤出去。对单晶锡球进行实验发现：锡球过 渡到超导态时，锡球周围的磁场突然发生变化，磁力线似乎一下子被排斥到超导体 之外去了，人们将这种现象称之为“迈斯纳效应”。 “抗磁性”指在磁场强度低于 临界值的情况下，磁力线无法穿过超导体，超导体内部磁场为零的现象，“完全” 指降低温度达到超导态、施加磁场两项操作的顺序可以颠倒。完全抗磁性的原因是 ，超导体表面能够产生一个无损耗的抗磁超导电流，这一电流产生的磁场，抵消了 超导体内部的磁场。（2）超导体电阻
3、为零的特性为人们所熟知，但超导体并不等同于理想导体。从电磁 理论出发，可以推导出如下结论：若先将理想导体冷却至低温，再置于磁场中，理 想导体内部磁场为零；但若先将理想导体置于磁场中，再冷却至低温，理想导体内 部磁场不为零。对于超导体而言，降低温度达到超导态、施加磁场这两种操作，无 论其顺序如何，超导体超导体内部磁场始终为零，这是完全抗磁性的核心，也是超 导体区别于理想导体的关键。超导体的基本特性3.通量量子化（1）通量量子化又称约瑟夫森效应，指当两层超导体之间的绝缘层薄至原子尺寸时 ，电子对可以穿过绝缘层产生隧道电流的现象，即在超导体（super conductor） 绝缘体（insulato
4、r）超导体（super conductor）结构可以产生超导电流。（2）约瑟夫森效应分为直流约瑟夫森效应和交流约瑟夫森效应。直流约瑟夫森效应 指电子对可以通过绝缘层形成超导电流。交流约瑟夫森效应指当外加直流电压达到 一定程度时，除存在直流超导电流外，还存在交流电流，将超导体放在磁场中，磁 场透入绝缘层，超导结的最大超导电流随外磁场大小作有规律的变化。超导体的临界参数（1）临界转变温度Tc： 当温度低于临界转变温 度Tc时，材料处于超导 态；超过临界转变温度 Tc，超导体由超导态恢 复为正常状态。（2）临界电流密度Jc： 当通过超导体的电流密 度超过临界电流密度Jc时 ，超导体由超导体恢复 为正
5、常状态。临界电流 密度Jc与温度、磁场强度 有关。（3）临界磁场强度Hc： 当外界磁场强度超过临 界磁场强度Hc时，超导 体由超导体恢复为正常 状态。带有表格的两栏内容版式此处为第一个要点 此处为第二个要点 此处为第三个要点组 1组 2类 18295类 27688类 38490理论解释为阐明超导体的机理，科学家提出了多种理论：（1）1950年提出的，用于描述超导电流与强磁场（接近临界磁场强度）关 系的GL（Ginzburg-Landau）理论；（2）1957年提出的，从微观机制上解释第一类超导体的BCS（Bardeen- Cooper-Schrieffer）理论等。BCS理论（1）BCS理论是
6、以近自由电子模型为基础，以弱电子声子相互作用为前提建立的 理论。理论的提出者是巴丁（J.Bardeen）、库珀（L.V.Cooper）、施里弗（ J.Schrieffer）。（2）BCS理论认为，金属中自旋和动量相反的电子可以配对形成库珀对，库珀对在 晶格当中可以无损耗的运动，形成超导电流。对于库珀对产生的原因，BCS理论做出 了如下解释：电子在晶格中移动时会吸引邻近格点上的正电荷，导致格点的局部畸 变，形成一个局域的高正电荷区。这个局域的高正电荷区会吸引自旋相反的电子， 和原来的电子以一定的结合能相结合配对。在很低的温度下，这个结合能可能高于 晶格原子振动的能量，这样，电子对将不会和晶格发生
7、能量交换，没有电阻，形成 超导电流。（3）BCS理论很好地从微观上解释了第一类超导体存在的原因，理论的提出者巴 丁、库珀、施里弗因此获得1972年诺贝尔物理学奖。但BCS理论无法解释第二类超导 体存在的原因，尤其是根据BCS理论得出的麦克米兰极限温度（超导体的临界转变温 度不能高于40K），早已被第二类超导体突破。GL理论1.单晶生长技术2.高质量薄膜技术超导材料制备方法新超导化合物单晶样品有多种生长方法。溶液生长和气相传输生长法 是制备从金属间氧化物到有机物各类超导体的强有力工具。溶液生长的优点就是其多功能性和生长速度, 可制备出高纯净度和镶 嵌式样品。目前, 薄膜超导体技术包括活性分子束外延(MBE)、溅射、化学气 相沉积和脉冲激光沉积等。MBE尤其能制造出足以与单个晶体性能相媲 美的外延超导薄膜。标题和图表
