超导电性及其应用

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1、超导电性及其应用李碧荷（物理与信息技术学院 宁夏师范学院 宁夏固原 76300）摘 要：比较系统地回顾了超导电性的发现和发展状况，简要综述了超导体的基本特征 和超导电性的微观机理，并有选择性地介绍了一些影响比较大或者技术比较成熟的超导体 的应用，同时指出目前对于高温超导电性的认识在理论、实验观察和应用研究上都是初步 的 ,还需要进行更多的和更深入全面的研究。关键词:超导电性；零电阻效应；迈斯纳效应；Josephson效应；超导应用（加超导或超导电 性）1 超导电性的发现和发展概况1908年,，荷兰莱登实验室在Kamerlin Onnes （字体不对）的指导下经过长期努力， 用液氢预冷的节流效应

2、首次实现了氦气的液化，从而使实验温度可低到41K的极低温区, 并开始在这样的低温区测量各种纯金属的电阻率。 由于汞比其它金属更容易提纯。之后, 他立即开始研究在这个温度范围内汞的电阻率变化。1911年,Kamerlin 0nnes1（文献标法 不对，一般放在句末，而且用上标；你全改成上标即可）发现了一个非同寻常的现象：随 着温度下降汞的电阻不是平滑地下降，而是在4.15K （4.15K）下突然降到零（当时能测到 的电阻率下限为10-16Q m（10-16Q），这是人们第一次看到的超导电性。后来的实验 证明，电阻突变温度与汞的纯度无关，只是汞越纯，突变越尖锐。随后，人们在Pb及其它 材料中也发现

3、这种特性:在满足临界条件（临界温度Tc、临界电流Ic、临界磁场He）时物 质的电阻突然消失，这种现象称为超导电性的零电阻现象。应该指出，只是在直流电情况下 才有零电阻现象。从此，诞生了一门新兴的学科超导。在低温下，随着电阻的消失，材 料已出现了一种新的状态，这种状态被称作超导态，这种材料被称为超导体，超导体发生电 阻跃变时的温度，叫做临界温度或转变温度，用T表示。进一步的实验表明，在外加强磁场 c的作用下，超导体将从超导态转变为正常态。使超导体从超导态转变到正常态的磁场称为 临界磁场。一直到20世纪50年代，超导只是作为探索自然界存在的现象和规律在研究，1957年 Bardeen、Cooper

4、和Schrieffer2提出了著名的BCS理论，揭示了漫长时期不清楚的超导 起因。1961年Kunzler将Nb3Sn制成高场磁体，开辟了超导在强电中的应用，特别是1962 年Josephson （字体不对，用Times New Roman字体）效应的出现，将超导应用推广 到一个崭新的领域。到20世纪70年代超导在电力工业和微弱信号检测应用方面的进展显示了它无比的优越性,但由于临界温度低,必须使用液氦,这就极大地限制了它的优越性。 从20世纪70年代起人们就将注意力转向寻找高温超导体上,在周期表上排列、组合成各 种二元、三元合金或化合物,但进展一直不大,人们又去找四元化合物,仍无成效,1973

5、年找 到的最高临界温度是23.2K的Nb3Ge薄膜。直到1986年4月当瑞士苏黎世的IBM研究室 的学者Bednorz和Muller3报道了 La- Ba- Cu- O体系的超导转变温度为36K时，人们 是多么的激动,从而在世界范围内掀起了研究、探索高温超导材料的热潮。最引人注目的 突破性进展是几个系列高温超导氧化物的相继问世。1987年初，美国的朱经武等3和中科 院物理所的赵忠贤等4分别独立地发现了 Tc超过90K的Y-Ba- Cu- O超导体，这是第一 个液氮温区超导体,实现了 Tc超出液氮沸点的重要突破。1988年又发现了更高Tc的两个 系列超导氧化物：110K 的 Bi- Sr- Ca

6、- Cu- O5和 125K 的 Tl- Ba- Ca- Cu- O6系统， 随后,Hg- Ba- Ca-Cu- O8等高温超导材料相继问世，。1993年12月法国国家科研中心宣 布也是在HgBaCaCuO体系中(估计是1234或1245结构)出现了 - 43C3C的超导现象，如果这一结果得到其他实验室的独立证实，那将是一种非常接近室温超导的材料。2000 年,Schoen等人7报道采用在场效应晶体管结构下通过栅极诱导的空穴掺杂使C60的空 穴密度显著增大，从而在很宽的空穴密度范围内观察到超导电性。2001 年 1 月，Nagamatsu等人8报道发现了一种新的超导材料MgB2。它是简单的二元

7、金属化合物， Tc=39K左右。在非铜氧化物和没有C60基的超导材料中，其Tc已相当高，并且制作方法简 单，因此在全世界范围内掀起了对其基础性质和实际应用进行研究的极大兴趣。2 超导体的基本特征超导体有三个基本特征：一是零电阻效应；二是迈斯纳效应，三是Josephson效应。2.1 零电阻效应2.1.1 超导体的临界温度如前所述，超导电性是通过观察汞在4.2K附近电阻突然消失而发现的。我们把这个 电阻突然消失的温度称为超导体的临界温度，用T表示。T是物态常数，同一种材料在相 CC同的条件下有严格的确定值。到目前为止，人们发现周期表中相当一部分元素在各种条件 下出现超导电性。2.1.2 超导体的

8、临界磁场Onnes在发现超导体之后，立刻想到做一个没有耗损的磁体。但是他用一个磁场加到 超导体上之后，当磁场达到某一定值时，超导体就回复了电阻，回到了正常态。假如把磁 场平行的加到一根细长的超导棒上，在一定的磁场强度下，棒的电阻突然恢复，使这个电 阻突然恢复的磁场值称为临界磁场，用H表示。实验表明，对一定的超导体，临界磁场是C温度的函数，可以近似地表示为抛物线关系：H(T) = H 1 -仝，式中H是绝对零度时 c co T 2 coC宁夏师范学院2010届 本科生毕业论文的临界磁场。可见，当T达到临界温度T时，临界磁场为零。C2.1.3 临界电流实验发现，当对超导线通以电流时，无阻的超流态要

9、受到电流大小的限制，当电流达 到某一临界值之后，超导体将恢复到正常态，对大多数超导金属元素正常态的恢复是突变 的，我们称这个电流为临界电流，用 Ic 表示。C2.2 迈斯纳效应超导电性发现之后20年来，人们一直认为磁场对超导体的作用如同对理想导体的作 用。直到1933年德国物理学家Meissner和Ochsenfeld对锡单晶球超导体做磁场分布测量 时在弱磁场中把金属冷却进入超导态时的磁感应线似乎一下子被排斥出，保持体内磁感应 强度等于零。超导体的这一性质被称为迈斯纳效应，又称完全抗磁性。2.3Josephson 效应作为超导载体的Cooper对能以一定几率贯穿能垒，称此为隧道效应。例如，在两

10、层超 导物质间夹有厚度为纳米量级的绝缘层,若通过连线导入电流,该电流则以电阻为零的状 态流动，称其为Josephson效应93 超导电性的微观机理自1911年发现超导电性开始，人们一直在努力探索产生超导电性的微观机制。大量实 验表明，超导电性是由于电子气的行为发生了某种深刻变化引起的，特点是无阻地运动，电 子气处在这种高度有序的状态意味着电子之间的相互作用是吸引的。1957 年， Bardeen、 Cooper和Schrieffer三人提出了一种完整的超导微观理论，简称为BCS理论BCS理论是 第一个成功的微观理论，它很好地解释了大多数金属元素的超导电性的起因及其重要性质， 由它预言的结果与实

11、验很好地符合。BCS理论认为:超导体中的传导电流的超导电子是结合成对的，叫Cooper对。Cooper 对不能互相独立地运动，而只能以关联的形式作集体运动。当某一电子对受到扰动，就要涉 及到这个电子对所在空间范围内的所有其它电子对。这个范围内的所有Cooper对,在动量 上彼此关联成为有序的集体，因此超导电子对在运动时，就不像其它正常电子那样，被晶体 缺陷和振动散射产生电阻，从而呈现零电阻现象。同时还能抗拒外来磁场的进入而导致 Meissner 效应。就在BCS理论成功地解释了超导现象近30年之际，新的高温超导电性被发现，首先在理 论上对传统的超导机制发起了挑战。对于高温超导，总的来说至今还没

12、有一个理论能比较 成功地阐明已经发现了的高温超导电性的机理问题。不过，围绕Cooper电子如何配对的问 题，已提出了几十种唯象模型，除了电- 声机制，还提出了诸如各种交换作用的激子机制、 双极化子模型、共振价键态机制(RVB),以及电子-负u中心模型等。有关高温超导电性的上述理论模型都能解释一些实验现象,都存在一定意义上的合理 性。但是,用它们来解释具体超导体时,都遇到了许多困难。这一切均说明人们目前对于高 温超导电性的认识在理论上是初步的。因此,要想对高温超导现象作出正确的描写,不但在 理论上要进行深入探讨,而且还需要更多的和更深入全面的实验研究。4 超导体的应用超导体的特性 ,如零电阻性、

13、 完全抗磁性、 隧道效应等以及在强磁场中能承受很大 的超导电流和它在发生超导态- 正常态转变时的物理性能的变化 ,已开始在能源、工业、 交通、 医疗、 航天、 国防和科学实验等领域中得到应用 ,并显示出突出的优点和广阔 的前景。下面简要介绍一些影响比较大或者技术比较成熟的应用。4.1 超导磁悬浮列车随着国民经济的发展, 社会对交通运输的要求越来越高, 因而需要有时速达数百公 里的快列车。磁悬浮列车1具有高速(500km/h)、安全、噪音低等优点，是未来理想的 交通工具。磁悬浮列车是利用磁悬浮作用使车轮与地面脱离接触悬浮于轨道之上, 并利用 直线电机动列车运动的一种新型交通工具。超导磁悬浮列车的

14、设想是美国于 1966 年首先 提出的。具体方案是在轨道上安装一系列电机电枢绕组， 这些绕组从电网获得电能并与车 体内超导磁产生的磁场相互作用，并产生推力推动列车前进。在列车静止和低速运行时 ， 它仍利用车轮支撑，当列车加速到一定速度时，通过铺设在轨道上的悬浮线圈和车体内的 超导磁体相互作用产生足够的推斥力， 将列车悬浮起来。2002年12月31日举世瞩目的上 海磁浮列车线进行了首次试运行， 它是世界上第一条投入商业运营的磁浮列车线 ， 全长 共30Km,单向运行约8min4.2 超导电子器件利用超导隧道效应可制成各种电子器件和电路。特别是在精密测量，电压标准监视， 微波和远红外应用以及超导电

15、子计算机的逻辑存贮电路方面，超导器件将产生巨大的影 响。目前在电子学技术中，利用超导的高频讯号特性可作为微波通讯中的混频器件。在电 子计算机中，由于超导电子器件的超灵敏度，超高精度，超快速和低功耗。能使电子计算 机运算速度比现在的速度提高几十倍，而且功耗大大降低，体积也大大减少。又如超导量 子干涉器件(简称SQUID)是一种高灵敏度的传感器。用它可以测出人心脏或人脑中所发出 的磁讯号。在军事方面，它可以探测出潜艇在海底时引起的地磁变化.4.3超导磁能存储(SMES)超导线圈在通过直流电流时没有焦耳热损耗 ,因此,如果将电网交流电整流为直流电宁夏师范学院2010届 本科生毕业论文 输入到超导储能

16、线圈中,则线圈就可以长时间无损耗地储存能量,待到需要时再将其取出。 超导储能线圈所储存的是电磁能,它可传输的平均电流密度比一般常规线圈要高出12个 数量级，且可产生很强的磁场，因此可达很高的能量密度，约为108J / m3。在军事上 ,聚能武器即定向能武器是把能量汇聚成极细的能束 ,沿着指定的方向 , 以光速向外发射 ，来摧毁目标。这里需要解决的技术问题是如何在瞬间提供大量的能量。 超导材料的零电阻特性和高载流能力 ，使超导储能线圈能长时间、 大容量地储存能量 ， 储存的能量可以多种形式发射出去。近年来 ，俄罗斯推出用等离子体团拦截导弹的新构思 11。这种方法的主要优点是利用超导储能线圈所备的大量的能量 ，这些能量能产生能量 极高的能束 ，利用彼此交叉的大功率能束改变弹头的飞行环境 ，使飞行中的导弹偏离原 有的方向而失去目标。