超导体研究讲解

1、简介处于超导状态的导体称之为 “超导体”。 超导体的直流电阻率在一定的低温下突然消失， 被称作零电阻效应。导体没有了电阻，电流流经超导体时就不发生热损耗，电流可以毫无阻力地在导线中形成强大的电流，从而产生超强磁场。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，这一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”。后来人们还做过这样一个实验：在一个浅平的锡盘中，放入一个体积很小但磁性很强

2、的永久磁体，然后把温度降低，使锡盘出现超导性，这时可以看到，小 磁铁竟然离开锡盘表面，慢慢地飘起，悬浮不动。迈斯纳效应有着重要的意义，它可以用来判别物质是否具有超导性。为了使超导材料有实用性，人们开始了探索高温超导的历程，从1911 年至1986年，超导温度由水银的4.2K提高到23.22K （0K=-273.15 C ； K开尔文温标， 起点为绝对零度）。 1986年 1 月发现钡镧铜氧化物超导温度是30K， 12月 30 日，又将这一纪录刷新为40.2K, 1987年1月升至43K,不久又升至46K和53K, 2 月15日发现了 98K超导体。高温超导体取得了巨大突破，使超导技术走向大规

3、模应用。超导材料和超导技术有着广阔的应用前景。超导现象中的迈斯纳效应使人们可以用此原理制造超导列车和超导船，由于这些交通工具将在悬浮无摩擦状态下运行，这将大大提高它们的速度和安静性，并有效减少机械磨损。利用超导悬浮可制造无磨损轴承，将轴承转速提高到每分钟10 万转以上。超导列车已于70 年代成功地进行了载人可行性试验，1987 年开始，日本国开始试运行，但经常出现失效现象，出现这种现象可能是由于高速行驶产生的颠簸造成的。超导船已于 1992 年 1 月 27 日下水试航，目前尚未进入实用化阶段。利用超导材料制造交通工具在技术上还存在一定的障碍，但它势必会引发交通工具革命的一次浪 潮。超导材料的

4、零电阻特性可以用来输电和制造大型磁体。超高压输电会有很大的损耗， 而利用超导体则可最大限度地降低损耗，但由于临界温度较高的超导体还未进入实用阶段，从而限制了超导输电的采用。随着技术的发展，新超导材料的不断涌现，超导输电的希望能在不久的将来得以实现。超导体特性零电阻性超导材料处于超导态时电阻为零，能够无损耗地传输电能。如果用磁场在超导环中引发感生电流，这一电流可以毫不衰减地维持下去。这种“持续电流”已多次在实验中观察到。超导现象是20 世纪的重大发明之一。科学家发现某物质在温度很低时，如铅在7.20K（ -265.95 摄氏度）以下，电阻就变成了零。完全抗磁性超导材料处于超导态时，只要外加磁场不

5、超过一定值，磁力线不能透入，超导材料内的磁场恒为零。约瑟夫森效应两超导材料之间有一薄绝缘层（厚度约 1nm而形成低电阻连接时， 会有电子对穿过绝缘层形成电流，而绝缘层两侧没有电压，即绝缘层也成了超导体。当电流超过一定值后，绝缘层两侧出现电压U （也可加一电压U）,同时，直流电流变成高频交流电，并向外辐射电磁波，其频率为，其中h 为普朗克常数，e 为电子电荷。这些特性构成了超导材料在科学技术领域越来越引人注目的各类应用的依据。同位素效应超导体的临界温度Tc与其同位素质量M有关。M越大，Tc越低，这称为同 位素效应。例如，原子量为199.55的汞同位素，它的Tc是4.18开，而原子量 为203.4

6、的汞同位素，Tc为4.146开。超流现象当液态氦从4.2K 降至 2.2K 附近时， 氦原子的运动速度减小到氦原子在宇宙背景温度时的运动速率以下。由于这时的氦原子动能很小，占有的空间也很小，所以它能从非常小的空隙漂移过去。由于这时的氦原子动能很小，不会破坏氦原子与相接触物体间的分子间力，所以毛细现象更为明显，另外，当氦原子的温度低于宇宙背景温度时，氦原子周围易子密度增大， 氦原子在小范围内产生排斥力，就象前面讲到的万有引力会出现排斥一样，并且出现爬膜现象。液氦进入超流现象时，缓慢地旋转容器，超流部分不会随之转动，而是相对于恒星保持静止，准确地说是相对宇宙保持静止，同时产生大量涡旋线。涡旋线相互

7、排斥，超流体绕 着涡旋线的核心转动。就像永久磁铁产生多气旋磁场一样，由于进入超流状态后，氦原子只能在固定的很小范围内活动，超流体的原子核与电子之间，电子与电子之间没有接触， 没有直接的能量交换，而是通过易子气与周围物体接触，也就是说物体是悬浮在易子气中。周围物体旋转时，由于分子间的微弱作用力，不能拉动整个液态氦旋转，只能带动电子绕原子核转动。许多个旋转合并在一起，就形成了原子旋涡，产生涡旋线。临界温度外磁场为零时超导材料由正常态转变为超导态(或相反)的温度，以Tc 表示。 Tc 值因材料不同而异。已测得超导材料的最低Tc是鸨，为0.012K。到1987年，临界温度最高值已提高到 100K 左右

8、。临界磁场Hc 表示。 Hc 与温度 T 的使超导材料的超导态破坏而转变到正常态所需的磁场强度，关系为 Hc=H01-(T/Tc)2 ，式中 H0 为 0K 时的临界磁场。临界电流和临界电流密度通过超导材料的电流达到一定数值时也会使超导态破态而转变为正常态，以Ic 表示。Ic 一般随温度和外磁场的增加而减少。单位截面积所承载的Ic称为临界电流密度，以 Jc表示。超导材料的这些参量限定了应用材料的条件，因而寻找高参量的新型超导材料成了人们研究的重要课题。以Tc为例，从1911年荷兰物理学家 H.开默林昂内斯发现超导电性(Hg,Tc=4.2K)起，直到1986年以前，人们发现的最高的Tc才达到23

9、.2K(Nb3Ge , 1973)。1986年瑞士物理学家K.A.米勒和联邦德国物理学家J.G贝德诺尔茨发现了氧化物陶瓷材料的超导电 性，从而将Tc提高到35K。之后仅一年时间，新材料的Tc已提高到100K左右。这种突破为超导材料的应用开辟了广阔的前景，米勒和贝德诺尔茨也因此荣获 1987 年诺贝尔物理学奖金。超导现象出现原因物体在低温出现超导现象是因为在温度很低的时候，原子核的运动被束缚在很小的范围内， 原子与原子形成弹性晶格状，原子只能在晶格中有微弱的振动，内层电子在这些晶格之间做振动，外层自由电子无法将能量传递给原子核，自由电子与巨大的弹性晶格相碰撞，无法将自己的能量转变成巨大弹性晶格的

10、内能，所以无能量损失。在磁场中，只有超导体的外部直接与磁场接触的部分可以被磁化，超导体表现出完全抗磁性。超导材料分类超导元素在常压下有28种元素具超导电性，其中锯(Nb)的Tc最高，为9.26K。电工中实际应 用的主要是铝和铅(Pb, Tc=7.201K),已用于制造超导交流电力电缆、高Q值谐振腔等。合金材料超导元素加入某些其他元素作合金成分，可以使超导材料的全部性能提高。如最先应用的锯错合金(Nb-75Zr)，其Tc为10.8K, Hc为8.7特。继后发展了铝钛合金，虽然Tc稍低了些，但Hc高得多，在给定磁场能承载更大电流。其性能是Nb-33Ti , Tc=9.3K , Hc=11.0特；N

11、b-60Ti , Tc超导材料性质研究=9.3K, Hc=12特(4.2K)。目前铝钛合金是用于 78特磁场下的主要超导磁体材料。铝钛合 金再加入铝的三元合金，性能进一步提高，Nb-60Ti-4Ta的性能 是，Tc=9.9K, Hc=12.4特(4.2K); Nb-70Ti-5Ta 的性能是，Tc=9.8K, Hc=12.8 特。超导化合物超导元素与其他元素化合常有很好的超导性能。如已大量使用的 Nb3Sn ,其Tc=18.1K,Hc=24.5 特。其他重要的超导化合物还有 V3Ga, Tc=16.8K, Hc=24 特；Nb3Al , Tc=18.8K, Hc=30特。超导陶瓷20世纪80年

12、代初，米勒和贝德诺尔茨开始注意到某些氧化物陶瓷材料可能有超导电 性，他们的小组对一些材料进行了试验，于1986年在例银铜氧化物中发现了 Tc=35K的超导电性。1987年，中国、美国、日本等国科学家在银一初一铜氧化物中发现Tc处于液氮温区有超导电性，使超导陶瓷成为极有发展前景的超导材料。超导材料应用超导材料具有的优异特性使它从被发现之日起，就向人类展示了诱人的应用前景。但要实际应用超导材料 又受到一系列因素的制约，这首先是它的临界参量，其次还有材料制作的工艺等问题（例如脆性的超导陶瓷如何制成柔细的线材就有一系列工艺问题）。到 80 年代，超导材料的应用主要有：利用材料的超导电性可制作磁体，应用

13、于电机、高能粒子加速器、磁悬浮运输、受控热核反应、储能等；可制作电力电缆，用于大容量输电（功率可达10000MVA）;可制作通信电缆和天线，其性能优于常规材料。利用材料的完全抗磁性可制作无摩擦陀螺仪和轴承。利用约瑟夫森效应可制作一系列精密测量仪表以及辐射探测器、 微波发生器、逻辑元件等。利用约瑟夫森结作计算机的逻辑和存储元件，其运算速度比高性能集成电路的快 1020倍，功耗只有四分之一。超导材料研究历史1911年，荷兰物理学家昂尼斯（18531926）发现，水银的电阻率并不象预料的那样随温度降低逐渐减小，而是当温度降到4.15K 附近时，水银的电阻突然降到零。某些金属、合金和化合物，在温度降到

14、绝对零度附近某一特定温度时，它们的电阻率突然减小到无法测量的现象叫做超导现象，能够发生超导现象的物质叫做超导体。超导体由正常态转变为超导态的温度称为这种物质的转变温度（或临界温度）TC。 现已发现大多数金属元素以及数以千计的合金、化合物都在不同条件下显示出超导性。如鸨的转变温度为0.012K,锌为0.75K,铝为1.196K,铅为 7.193K。超导体得天独厚的特性，使它可能在各种领域得到广泛的应用。但由于早期的超导体存在于液氦极低温度条件下，极大地限制了超导材料的应用。人们一直在探索高温超导体，从1911年到1986年，75年间从水银的4. 2K提高到铝三铺的 23. 22K,才提高了 19

15、K。1986 年，高温超导体的研究取得了重大的突破。掀起了以研究金属氧化物陶瓷材料为对象， 以寻找高临界温度超导体为目标的“超导热 ”。 全世界有260 多个实验小组参加了这场竞赛。1986 年 1 月，美国国际商用机器公司设在瑞士苏黎世实验室科学家柏诺兹和缪勒首先发现钡镧铜氧化物是高温超导体，将超导温度提高到30K； 紧接着，日本东京大学工学部又将超导温度提高到37K； 12 月 30 日，美国休斯敦大学宣布，美籍华裔科学家朱经武又将超导温度提高到40 2K。1987年1月初，日本川崎国立分子研究所将超导温度提高到43K;不久日本综合电子研究所又将超导温度提高到46K和53K。中国科学院物理研究所由赵忠贤、陈立泉领导的研究组，获得了48 6K 的锶镧铜氧系超导体，并看到这类物质有在70K 发生转变的迹象。2月 15 日美国报道朱经武、吴茂昆获得了98K 超导体。2 月 20日，中国也宣布发现100K以上超导体。3 月 3 日，日本宣布发现123K 超导体。3 月 12 日中国北京大学成功地用液氮进行超导磁悬浮