第2章超导材料

1、1超导材料是一种超导材料是一种的材料，既的材料，既能能，减少电能因电阻而消耗的能，减少电能因电阻而消耗的能量，还能把量，还能把起来，供急需时使用。起来，供急需时使用。 2自从世界上以自从世界上以作为作为以来，就遇以来，就遇到两个令人头痛的到两个令人头痛的：、是在输送电流时，不少、是在输送电流时，不少而发热，白白损失了相当的能量。而发热，白白损失了相当的能量。、的电力常常严重不足，而的电力常常严重不足，而的电的电力又大大富余，使得发电机常常白天超负荷运转，力又大大富余，使得发电机常常白天超负荷运转，深夜时却空转，电力白白浪费了。深夜时却空转，电力白白浪费了。3能不能把夜间富余的能不能把夜间富余的

2、起来用以起来用以弥补白天电力不足的难题呢弥补白天电力不足的难题呢?自从有了自从有了以来，解决这个问题以来，解决这个问题就大有希望了。就大有希望了。4 1911年，科学家发现，金属的年，科学家发现，金属的和和它的它的条件有很大关系：条件有很大关系：温度高时，它的电阻就增加，温度低温度高时，它的电阻就增加，温度低时电阻减少。并总结出一个时电阻减少。并总结出一个的理论公式。的理论公式。5当时，荷兰物理学家当时，荷兰物理学家为检验为检验金属电阻与金属电阻与温度之间的关系的理论公式温度之间的关系的理论公式的正确性，就用的正确性，就用作作试验。试验。将水银冷却到将水银冷却到-40时，亮晶晶的液体水银变时，

3、亮晶晶的液体水银变成了固体；然后，他把水银拉成细丝，并继续降低成了固体；然后，他把水银拉成细丝，并继续降低温度，同时测量不同温度下固体水银的电阻，当温温度，同时测量不同温度下固体水银的电阻，当温度降低列度降低列，水银的，水银的。6开始他不太相信这一结果、于是反复试验，开始他不太相信这一结果、于是反复试验，但都是一样。这一发现轰动了世界的物理学界，但都是一样。这一发现轰动了世界的物理学界，后来科学家把这个现象叫后来科学家把这个现象叫，把，把称称，而把出现超导现象的，而把出现超导现象的温度称作超导材料的温度称作超导材料的“临界温度临界温度”。7昂尼斯和许多科学家后来又发现了昂尼斯和许多科学家后来又

4、发现了和和材料。但出现超导现材料。但出现超导现象的临界温度大多在象的临界温度大多在的极低温，没的极低温，没有什么经济价值，因为制造这种极低的温度，本有什么经济价值，因为制造这种极低的温度，本身就很花钱而又很困难。身就很花钱而又很困难。 8为了寻找为了寻找的的的材的材料，世界上无数科学家奋斗了近料，世界上无数科学家奋斗了近60年，也没年，也没有取得什么进展。有取得什么进展。直到直到1973年，英、美一些科学家才找到年，英、美一些科学家才找到一种在一种在出现超导现象的出现超导现象的。此后。此后这一记录又保持了这一记录又保持了10多年。多年。9到了到了1986年，在瑞士年，在瑞士IBM公司研究室工作

5、的公司研究室工作的和和从别人多次失败中总结教训，放从别人多次失败中总结教训，放弃了在弃了在中寻找超导材料的老观念，终中寻找超导材料的老观念，终于发现一种于发现一种材料在材料在这一这一较高温度下出现超导现象。这是一个了不起的成较高温度下出现超导现象。这是一个了不起的成就，因此他们两人同时获得了就，因此他们两人同时获得了1987年的诺贝尔物年的诺贝尔物理学奖。理学奖。 10此后，美籍华人学者此后，美籍华人学者，中国物，中国物理学家理学家在在1987年相继发现了在年相继发现了在 和和时出现超导现象的时出现超导现象的高温高温超导材料。超导材料。不久又发现不久又发现高温超导合高温超导合金，在金，在的温度

6、就有超导现象。的温度就有超导现象。11而后而后发现的发现的合金合金的超导温度更接近室温，达的超导温度更接近室温，达。12 199l年，美国和日本的科学家又发现了年，美国和日本的科学家又发现了球状碳分子球状碳分子在掺在掺、等元素后，等元素后，也有也有。科学家预料，球状碳分子科学家预料，球状碳分子-60掺杂金掺杂金属后，有可能在属后，有可能在现象，那时，现象，那时，超导材料就有可能超导材料就有可能，在世，在世界引起一场工业和技术革命。界引起一场工业和技术革命。131995年美国国立年美国国立实验室的实验室的科学家已经把科学家已经把制成柔韧的细带状，制成柔韧的细带状，由于没有电阻，其导电性是铜丝的由

7、于没有电阻，其导电性是铜丝的1200多倍。多倍。141996年，日本电气公司制出年，日本电气公司制出，电流密度达到，电流密度达到6000A/cm2，这种线材已达到了实用化的这种线材已达到了实用化的水平。水平。15超导材料超导材料工作，可以说工作，可以说是是20世纪内科学技术上的重大突破，也是超世纪内科学技术上的重大突破，也是超导技术发展史上的一个新的里程碑。至今，导技术发展史上的一个新的里程碑。至今，对高温超导材料的研究仍然方兴未艾。对高温超导材料的研究仍然方兴未艾。161911年，荷兰物理学家昂内斯年，荷兰物理学家昂内斯(Onnes H K)在成功地将氦气液化、获得在成功地将氦气液化、获得4

8、.2K的的后，开后，开始研究超低温条件下始研究超低温条件下，结果发现：，结果发现：当温度下降至当温度下降至4.2K时，汞电阻突然消失了！时，汞电阻突然消失了！这就这就是超导现象，此时的温度称为是超导现象，此时的温度称为。17是超导体最基本的特性，它意味是超导体最基本的特性，它意味着着，使电，使电力的无损耗传输成为可能；力的无损耗传输成为可能；同时，零电阻允许有远高于常规导体的同时，零电阻允许有远高于常规导体的，可用以形成，可用以形成或或。 18发现超导电性后，发现超导电性后，即着手用即着手用来来绕制绕制，但出乎他的意料，超导体在通上不，但出乎他的意料，超导体在通上不大的电流后，超导电性就被破坏

9、了，即大的电流后，超导电性就被破坏了，即。此后，又发现了超导体的此后，又发现了超导体的。Ic和和Hc也是也是超导体的基本特性超导体的基本特性，是实现超导，是实现超导体强电应用的必要条件。体强电应用的必要条件。 19Tc）、）、 ）和和 ）是是“约束约束”超导现象的三大临界条件。超导现象的三大临界条件。三者具有明显的相关性，只有三者具有明显的相关性，只有，即处于如图所示的，即处于如图所示的，才具有超导电性。，才具有超导电性。 20三角锥形曲面内侧三角锥形曲面内侧21 超导体从超导体从转变为转变为的温度，以的温度，以Tc表示。表示。是在外部磁场、电流、应力和辐射等条件是在外部磁场、电流、应力和辐射

10、等条件维持足够低时，维持足够低时，时的温度。时的温度。由于由于，这种零电阻转变前后，跨越了一，这种零电阻转变前后，跨越了一个温区。个温区。 22实验发现，超导电性可以被实验发现，超导电性可以被所所破坏，对于温度为破坏，对于温度为T(TTc)的超导体，当外的超导体，当外磁场超过某一数值磁场超过某一数值Hc(T)的时候，超导电性的时候，超导电性就被破坏了，使它由就被破坏了，使它由转变为转变为, 电电阻重新恢复。阻重新恢复。23这种能够破坏超导所需的这种能够破坏超导所需的，叫做叫做 。在临界温度。在临界温度Tc，临界磁临界磁场为零。场为零。一般可以近似地表示为一般可以近似地表示为抛物线关系：抛物线关

11、系：1 )(220CCCTTHTH式中，式中，Hc是绝对零度时的临界磁场。是绝对零度时的临界磁场。24 实验表明，实验表明，在不加磁场的情况下在不加磁场的情况下，超导体中，超导体中也会破坏超导电性，导致破坏也会破坏超导电性，导致破坏超导电性所需要的超导电性所需要的，也就是超导态，也就是超导态允许流动的最大电流，称作允许流动的最大电流，称作。25在临界温度在临界温度Tc，临界电流为零，这个现象可临界电流为零，这个现象可以从以从来说明。来说明。当通过样品的电流在样品表面产生的磁场达当通过样品的电流在样品表面产生的磁场达到到Hc时，超导电性就被破坏这个电流的大小就时，超导电性就被破坏这个电流的大小就

12、是样品的是样品的。有有1)(220CCCTTITI式中，式中，c是绝对零度时的临界电流。是绝对零度时的临界电流。26超导材料基本物理特性：超导材料基本物理特性： 、和和三个临界值。三个临界值。超导材料只有处在这些临界值以下的状态时超导材料只有处在这些临界值以下的状态时才显示超导性，所以才显示超导性，所以，实用性就，实用性就强，利用价值就越高。强，利用价值就越高。2728 当温度当温度T以下时，超导体以下时，超导体的电阻突然变为零，这就称为超导体的的电阻突然变为零，这就称为超导体的，也称为，也称为。下图是汞在液氦温度附近电阻的变化行为。下图是汞在液氦温度附近电阻的变化行为。29汞在液氦温度附近电

13、阻的变化行为汞在液氦温度附近电阻的变化行为超导临界温度超导临界温度Tc虽然与样品纯度虽然与样品纯度无关无关,但是越均匀但是越均匀纯净的样品超导转纯净的样品超导转变时的变时的越越尖锐。尖锐。 30指超导体处于外界磁场中，指超导体处于外界磁场中，无法穿无法穿透，超导体内的透，超导体内的为零。为零。311933年，年，(Meissner W)发现，只要温发现，只要温度低于超导临界温度，则置于度低于超导临界温度，则置于就始终保持其就始终保持其，外部磁场的磁力线，外部磁场的磁力线统统被排斥在超导体之外。统统被排斥在超导体之外。32即便是原来处在磁场中的即便是原来处在磁场中的样品，当温度样品，当温度下降使

14、它变成下降使它变成时，也会把原来在体内的磁场时，也会把原来在体内的磁场完全排出去，即完全排出去，即。这一现象。这一现象被称为被称为，它是超导体的另一个独立的基，它是超导体的另一个独立的基本特性。本特性。33超导体内超导体内总是等于零，即金属在超导电总是等于零，即金属在超导电状态的状态的为为 =M/H=-1, B= 0(1+ )H=0。超导体内的磁化率为超导体内的磁化率为-1(M为磁化强度，为磁化强度，B0 0 H)超导体的完全抗磁性如下图所示：超导体的完全抗磁性如下图所示：34液氮环境下的超导实验液氮环境下的超导实验由迈斯纳效应可知，超导体由迈斯纳效应可知，超导体可可以近似地用以近似地用“”来

15、描述。利用这一特性，来描述。利用这一特性，可以实现可以实现。3536超导体的超导体的：否定了把超导体看作理想导体，还指明否定了把超导体看作理想导体，还指明是一个是一个，与怎样进，与怎样进入超导态的途径无关，从物理上进一步认识入超导态的途径无关，从物理上进一步认识到到。37仅从超导体的仅从超导体的出发，得不到出发，得不到。同样，用。同样，用也不能描也不能描述述。因此，因此，迈斯纳效应迈斯纳效应和和零电阻性质零电阻性质是超导是超导态的态的，衡量一种材料是，衡量一种材料是否具有超导电性必须看是否否具有超导电性必须看是否零电阻零电阻和和迈斯纳效应迈斯纳效应。 38当超导体处于超导态时，在磁场的作用下，

16、当超导体处于超导态时，在磁场的作用下，表面产生表面产生，这个电流产生的磁场，这个电流产生的磁场与原磁场的大小相等，方向相反，因而总合成磁与原磁场的大小相等，方向相反，因而总合成磁场为零。场为零。即，即，对对起着起着，因此又称为，因此又称为。 39根据上述超导材料的两个基本特征，可根据上述超导材料的两个基本特征，可以看出：以看出：是指某种物质冷却到某一温度时是指某种物质冷却到某一温度时，同时物质内部，同时物质内部成成为完全抗磁性的物质。为完全抗磁性的物质。40超导材料的超导材料的有有、和和元素，在元素周期表上的位置如图所示。元素，在元素周期表上的位置如图所示。41在元素周期表相应位置的元素中，有

17、的在元素周期表相应位置的元素中，有的可由可由制成超导材科，但绝大多数超制成超导材科，但绝大多数超导材料是由多种元素构成的导材料是由多种元素构成的、或或。下表中列出了代表性的下表中列出了代表性的及及。42超导材料及超导材料及c值值43在上述在上述被发现后，对超导电性被发现后，对超导电性的的即已开始，但直到即已开始，但直到20世纪世纪50年代年代建立了建立了，人们才对金属，人们才对金属超导体的超导行为获得了满意的解释。超导体的超导行为获得了满意的解释。44二流体模型二流体模型伦敦方程伦敦方程金兹堡金兹堡-朗道理论朗道理论45 同位素效应同位素效应超导能隙超导能隙库柏电子对库柏电子对 相干长度相干长

18、度 BCS理论理论46 早期为了解释超导体的早期为了解释超导体的，1934年年戈持戈持(C. J. Gorter)和卡西米尔和卡西米尔(H. B. G. Casimir)提提出出，它包含以下三个假设：，它包含以下三个假设：47金属处于金属处于超导态超导态时，时，(总数为总数为N)分为两部分：一部分叫分为两部分：一部分叫Nn ；另一部分叫另一部分叫Ns，超流电子在晶格中无阻地流动，它占电子总超流电子在晶格中无阻地流动，它占电子总数的数的Ns/N。两部分电子占据同一体积，在空间上相互两部分电子占据同一体积，在空间上相互渗透，彼此独立地运动，两种渗透，彼此独立地运动，两种是是。 48（二）二）超导态

19、超导态时，时，的性质与的性质与相同，相同，由于受到由于受到而产生电阻，所而产生电阻，所以对熵有贡献。以对熵有贡献。49（三）三）处在一种处在一种，即凝聚到，即凝聚到某一低能态，所以某一低能态，所以是比正常态是比正常态。这个假设的依据主要有下面两点：这个假设的依据主要有下面两点：50、当超导态、当超导态c时，磁场中时，磁场中将转将转变为正常态。故变为正常态。故要比要比低低 0HC2V/2 (是是超导金属的体积超导金属的体积)。、超导态的电子不受、超导态的电子不受，又因为超，又因为超导态是导态是，所以，所以对熵没有贡献。对熵没有贡献。51 对超导体对超导体的解释：的解释：当当TTc时，出现时，出现

20、，它们的运动是，它们的运动是无阻的，无阻的，完全来自完全来自，它们对正常电子起到，它们对正常电子起到短路作用短路作用，正常电子，正常电子不载荷电流，所以样品内部不能存在电场，也就不载荷电流，所以样品内部不能存在电场，也就没有电阻效应。没有电阻效应。52从从出发，可以解释许多超导实出发，可以解释许多超导实验现象，如验现象，如超导转变时超导转变时等，伦敦正是在这个模型的基础上建立了等，伦敦正是在这个模型的基础上建立了。53最具实用价值的超导现象无疑与超导体的最具实用价值的超导现象无疑与超导体的有关。有关。1935年，伦敦兄弟年，伦敦兄弟F.London，HLondon)在在二流体模型的基础上，提出

21、两个描述二流体模型的基础上，提出两个描述与与关系方程，与麦克斯韦方程一起构成了关系方程，与麦克斯韦方程一起构成了。54EmenJtss2伦敦第一方程伦敦第一方程式中，式中，m是是，Js为为，ns是是。55由上式可见：在由上式可见：在下，超导体中的下，超导体中的为为常值时，常值时， ，则，则E0。即，在稳态下，超导体内的即，在稳态下，超导体内的等于零，等于零，因此，它说明了因此，它说明了。0sJtEmenJtss256伦敦第二方程伦敦第二方程 （ Js）= -B式中，式中， (mnse2)。 m是是，Js为为，ns是是 磁场在超导体中的磁场在超导体中的和和考虑一维考虑一维情形，设超导情形，设超导

22、体占据体占据x0的的空间，空间，x0的的区域为真空区域为真空(如如图所示图所示)。57由式由式 （ Js）= -B ，结合麦克斯韦结合麦克斯韦方程，可以求得在超导体内，方程，可以求得在超导体内，B以以为零。为零。58伦敦第一方程和伦敦第二方程可以概括伦敦第一方程和伦敦第二方程可以概括和和，并预言了超导体，并预言了超导体表面上的表面上的 l。59下表列举了几种下表列举了几种金属超导体金属超导体的的。在在0 K下的磁场穿透深度下的磁场穿透深度 l601950年金兹堡年金兹堡(Ginsberg)和朗道和朗道(Landau)将朗将朗道的道的应用于超导体，对于应用于超导体，对于给予了更为适当的描述，构成

23、给予了更为适当的描述，构成金兹堡金兹堡朗道理论。朗道理论。该理论也能预言该理论也能预言，并且还可以反映，并且还可以反映的一系列特征。的一系列特征。61二流体模型二流体模型、伦敦方程伦敦方程和和金兹堡金兹堡-朗道理论朗道理论作作为唯象理论，在解释为唯象理论，在解释方面取得方面取得了很大成功，然而这些理论无法结出了很大成功，然而这些理论无法结出。20世纪世纪50年代初，年代初，、等关等关键性的发现，提供了揭开超导电性之谜的线索。键性的发现，提供了揭开超导电性之谜的线索。621950年，年，E. Maxwell和和C. A. Raynold各自独立地各自独立地测量了测量了的的，结果发现：，结果发现：

24、。对。对实验数据处理后得到原于质量实验数据处理后得到原于质量M和临界温度和临界温度Tc的简单的简单关系：关系： M Tc=常数常数其中，其中， =0.50 0.03 这种这种就是就是同位素效应。同位素效应。63如果构成晶格的离子质量不同，在给定如果构成晶格的离子质量不同，在给定波长的情况下，波长的情况下，晶格振动的频率晶格振动的频率就会依就会依不同而发生变化，即不同而发生变化，即。64从式从式 M Tc=常数常数可看出，离子质量反映了可看出，离子质量反映了晶体的性质，临界温度晶体的性质，临界温度Tc反映了电子性质，所以，反映了电子性质，所以，把把联系起来了。联系起来了。而在固体理论中，描述而在

25、固体理论中，描述称称之为之为，因此，从同位素效应可知，因此，从同位素效应可知，与与有密切关系。有密切关系。 65人们发现，导电性良好的人们发现，导电性良好的由于其由于其，故都不是超，故都不是超导体。而导体。而常温下导电性不好的材料常温下导电性不好的材料，在，在低温低温却却有可能成为超导体，有可能成为超导体，此外此外，由于其，由于其电子电子-声子相互作用强声子相互作用强，故常温下导电性较差。，故常温下导电性较差。66弗洛里希弗洛里希(HFrolich)曾经提出，曾经提出，是是高温下引起电阻高温下引起电阻的原因，而在的原因，而在低温下低温下导致超导电性导致超导电性。因此，因此，支持了弗洛里希提出的

26、电支持了弗洛里希提出的电子子-声子相互作用的探讨方向。声子相互作用的探讨方向。67 在在20世纪世纪50年代，许多实验表明，当金属年代，许多实验表明，当金属处于超导态时，超导态的处于超导态时，超导态的与正常金属与正常金属不同，下图是在不同，下图是在T0K的电子能谱示意图。的电子能谱示意图。68从上图可知：超导态时，从上图可知：超导态时，附近出现了一附近出现了一个个。在这个能量范围内，没有。在这个能量范围内，没有电子占据。人们把这个电子占据。人们把这个 叫做叫做，能隙大小的，能隙大小的数量级约在数量级约在10-310-4 eV。69在绝对零度，能量处于在绝对零度，能量处于全被占全被占据，而据，而

27、则全空着，这就是则全空着，这就是。70 当频率为当频率为 的的照射到照射到上时，由于超上时，由于超导能隙导能隙Eg的存在，只有当照射频率满足式的存在，只有当照射频率满足式 h Eg时，时，激发过程才会发生。激发过程才会发生。当照射频率当照射频率 = 0=Eg/h时，超导体就会开始时，超导体就会开始。临界频率。临界频率 0 一般处于微波或远红一般处于微波或远红外频谱部分。外频谱部分。当当h Eg时，相当于把时，相当于把Eg看成等于零。超导看成等于零。超导体在这些频段的行为，等同于正常金属。体在这些频段的行为，等同于正常金属。 71实验表明，超导体的实验表明，超导体的 ，与超导体的与超导体的有一定

28、联系。有一定联系。不同的超导体，其不同的超导体，其Eg不同，且不同，且，当温度达到临界温度，当温度达到临界温度Tc时，有时，有Eg=0， 00。实验结果表明，一般超导体的实验结果表明，一般超导体的为为1011 Hz ，相应的超导体能隙的数量级为，相应的超导体能隙的数量级为10-4 eV左右。左右。72 L. N. Cooper发现，如果带电粒子的发现，如果带电粒子的()等于零，那么很容易等于零，那么很容易从超导电流密度的基本关系从超导电流密度的基本关系Jc = -ns e.V 得到伦敦得到伦敦方程。方程。 由此可见，由此可见，超导态是由超导态是由组成组成的，它是的，它是动量空间的凝聚现象动量空

29、间的凝聚现象。要发生。要发生凝聚现象，必须凝聚现象，必须存在。存在。73如右图所示：如右图所示：电子在晶格点阵中运动，它对周围的正离子有电子在晶格点阵中运动，它对周围的正离子有吸引作用，从而造成吸引作用，从而造成，导致，导致对另外电子的吸引作用。这样对另外电子的吸引作用。这样两个电子两个电子。 74库柏认为，只要两个电子之间有库柏认为，只要两个电子之间有，不管这种作用力多么微弱，它们都不管这种作用力多么微弱，它们都。这种这种有可能超过电子之间的有可能超过电子之间的，而表现为，而表现为，这样的两个电子被，这样的两个电子被称为库柏电子对。称为库柏电子对。从能量上看，组成从能量上看，组成的两个电子由

30、于相互作的两个电子由于相互作用将导致势能降低。用将导致势能降低。是现代超导理论的基是现代超导理论的基础。础。75 皮帕德皮帕德(A.B. Pippard)证明，当一个电子证明，当一个电子从金属的从金属的移动到移动到时，其波函数时，其波函数不能从它的不能从它的突然转变为突然转变为，这种转变只能这种转变只能上，上， 被称为被称为。76可见，实际的可见，实际的并非局限并非局限在非常小的空间在非常小的空间里，里，而是扩展在而是扩展在的空间宽度上，这里的空间宽度上，这里 就称为就称为，它描述了，它描述了。 和和 一样，都是超导体的一样，都是超导体的特征特征参量参量。下表列举了一些有代表性的超导体的相干长

31、度。下表列举了一些有代表性的超导体的相干长度。77几种物质在几种物质在0K下的超导相干长度下的超导相干长度 78美国的美国的巴丁巴丁(JBardeen)、库柏库柏(L NCooper)和和施瑞弗施瑞弗(JRSchrieffer)在在1957年提出了年提出了超导电性超导电性量子理论量子理论，被称为，被称为。它可以解释。它可以解释的各种实验事实，从而获得的各种实验事实，从而获得1972年诺年诺贝尔物理奖。贝尔物理奖。79 (1)电子间的相互吸引作用形成的电子间的相互吸引作用形成的会会。超导体超导体临界场临界场、热学性质热学性质及大多数及大多数电磁性质电磁性质都是都是这种这种的结果。的结果。80)(

32、/ 1exp14. 1FDCEUNT(2)元素或合金的元素或合金的与费米面附近与费米面附近N(EF)和和有有关，它们可以从关，它们可以从来估计，当来估计，当UN(EF)1时，时，BCS理论预测临界温度为：理论预测临界温度为：式中，式中， D为德拜温度。有关为德拜温度。有关Tc的理论结果在定的理论结果在定性上满足实验数据。性上满足实验数据。81另外，从上式中得到这样一个有趣的结论：另外，从上式中得到这样一个有趣的结论：一种金属如果一种金属如果在室温下在室温下具有具有(因为室温电阻率是电子因为室温电阻率是电子-声子相互作用的量度声子相互作用的量度)，冷却时冷却时就有更大可能成为就有更大可能成为。)

33、(/ 1exp14. 1FDCEUNT82BCS理论可以得到磁通量子化的结论，即，理论可以得到磁通量子化的结论，即，有效单位是有效单位是2e而不是而不是e。由于由于BCS基态涉及的是基态涉及的是，所，所以以磁通量子化磁通量子化中的中的2e是是BCS理论理论的一个推论。的一个推论。 83BCS理论是第一个成功地解释了超导现象的微理论是第一个成功地解释了超导现象的微观理论，也是目前惟一成功的超导微观理论。观理论，也是目前惟一成功的超导微观理论。后来，虽然又有了一些后来，虽然又有了一些，但但则没有更大的改变。则没有更大的改变。84在在中，若两个中，若两个空间区域空间区域被一个被一个分隔开，则只有分隔

34、开，则只有粒子具有足够的能量越粒子具有足够的能量越过势垒过势垒时，它才会从一个空间进入另一个空时，它才会从一个空间进入另一个空间区域中去。间区域中去。85在在中，情况却并非如此，中，情况却并非如此，粒子要具有足够的能量不再是一个必要粒子要具有足够的能量不再是一个必要条件。一个能量不大的粒子也可能会条件。一个能量不大的粒子也可能会“穿过穿过”势垒，这就是所谓势垒，这就是所谓的的。 86考虑被考虑被绝缘体绝缘体I 隔开的两个隔开的两个金属金属，如下图所，如下图所示。示。绝缘体绝缘体通常通常阻挡阻挡从一种金属流向另一种金属的从一种金属流向另一种金属的传导电子传导电子。如果阻挡层足够薄，则由于隧道效应

35、，。如果阻挡层足够薄，则由于隧道效应，电子具有相当大的几率电子具有相当大的几率穿越绝缘层。穿越绝缘层。87当两个金属都处于当两个金属都处于，夹层结构，夹层结构(或隧道结或隧道结)的电流的电流-电压曲线电压曲线是欧姆型的，即电流正是欧姆型的，即电流正比于电压，如图所示：比于电压，如图所示：88贾埃弗贾埃弗(I. Giaever)发现，如果发现，如果金属中的一个变金属中的一个变为超导体为超导体时，电流时，电流-电压的特性曲线会变化如下：电压的特性曲线会变化如下：89可以用可以用来解释正常金属来解释正常金属-绝绝缘体缘体-超导体超导体 (）结和超导体结和超导体1-绝缘体绝缘体-超导体超导体2 ()结

36、的结的。90 上面所述的上面所述的NIS结和结和SIS结，其结，其都都是是。正常电子导电正常电子导电，通过，通过绝缘介质层绝缘介质层的的隧道隧道电流电流是是有电阻有电阻的。这种情况的的。这种情况的绝缘介质厚绝缘介质厚约约到到。91如果如果SIS隧道结的隧道结的只有只有1nm左左右，那么理论和实验都证实了将会出现一种右，那么理论和实验都证实了将会出现一种，即，即，电子对穿过位垒电子对穿过位垒后仍后仍状态。状态。92在研究在研究通过通过超导金属间的绝超导金属间的绝缘层时缘层时指出，当两块超导体之间的绝缘层薄至接指出，当两块超导体之间的绝缘层薄至接近原子尺寸近原子尺寸(10-20 )时，时，可以可以

37、穿过绝缘穿过绝缘层层，即超导体，即超导体-绝缘体绝缘体-超导体这样超导体这样的的 (约瑟夫逊结或约瑟夫逊结或SIS结结) 。93约瑟夫森结约瑟夫森结当当大于大于时，超导结两端会时，超导结两端会出现电位差出现电位差U，这时除有这时除有外，还存外，还存在频率在频率f = 2ev/h (h为普朗克常量为普朗克常量) 的的。94当一频率为当一频率为f的电磁波信号照射到超导结上，在的电磁波信号照射到超导结上，在其直流其直流I-U曲线上，电压曲线上，电压U = nhf / 2e (n为整数为整数)的地的地方将出现方将出现(shapiro台阶台阶)，称为，称为，它为超导电性的它为超导电性的电子学电子学(弱电

38、弱电)应用应用奠定了基础。奠定了基础。 95效应：在不存在任何电场效应：在不存在任何电场时，有时，有通过结。通过结。通过结的通过结的对电流对电流J和对位相和对位相 的的依赖关系是依赖关系是)sin(sin1200JJJ 其中，其中，J0正比于迁移相互作用。电流正比于迁移相互作用。电流J0是是能够通过结的能够通过结的最大零电压电流最大零电压电流。96效应：当在超导结的效应：当在超导结的两端两端时，电流会发生振荡，时，电流会发生振荡，其频率是：其频率是：/2eV 1uv的直流电压，产生振荡的频率为的直流电压，产生振荡的频率为 483.6 M Hz。97上式说明上式说明，其能量为：。，其能量为：。e

39、V2/2eV 这个效应被用于这个效应被用于he的精确测量。的精确测量。另外，如果与直流电压另外，如果与直流电压，则能产生通过超导结的，则能产生通过超导结的。98直流磁场直流磁场加到加到，会使，会使呈现呈现的干涉效应，的干涉效应，就是利用这个效应工作的。就是利用这个效应工作的。99半导体的半导体的一般在一般在ev数量级，数量级，而而通常仅为通常仅为l m ev左右，只需左右，只需很小的信号就能使很小的信号就能使产生很产生很大变化。大变化。因此与半导体相比，超导电子器件具因此与半导体相比，超导电子器件具有有、和和等优点。等优点。 100 常规超导体常规超导体 高温超导体高温超导体(HTS) 其它类

40、型超导体其它类型超导体101相对于相对于而言，而言，元素元素、合金和合金和化合物化合物的的 (以液氮温度以液氮温度77K为界为界)，因此这类超导体被称为，因此这类超导体被称为。102一些元素一些元素具有超导具有超导电性能，另外一些元素电性能，另外一些元素显示显示出超导电性。由于出超导电性。由于，所以元素超导体很难实用化。，所以元素超导体很难实用化。 103104在技术上有重要价值，它们具有在技术上有重要价值，它们具有和和以及以及。超导合金具有。超导合金具有，等优点。等优点。105最早出售的最早出售的是是Nb-Zr系，用于制系，用于制造造。Nb-Zr合金具有合金具有的的特点。特点。1965年后被

41、年后被、的的Nb-Ti所取代。所取代。目前目前Nb-Ti系合金实用的线材使用最广，系合金实用的线材使用最广，Nb-Zr-Ti，Nb-Ti-Ta，Nb-Ti-Zr-Ta用于用于磁磁流体发电机流体发电机。 106 和和 是最先引起人们的注意的，是最先引起人们的注意的，其次是其次是、。实际能够实用的只有实际能够实用的只有和和两种。两种。其它的化合物因其它的化合物因还不能实用。还不能实用。 107复合法制备复合法制备Nb3Sn,V3Ga线材线材108 一些复杂的一些复杂的具有具有，其临界温度超过了，其临界温度超过了77K，可在液氮的温可在液氮的温度下工作，称为度下工作，称为。109从已经发现的氧化物超

42、导体的晶体结构从已经发现的氧化物超导体的晶体结构得知，它们都是由得知，它们都是由、与与3种种相互重复连接而成相互重复连接而成的复杂晶体物质。的复杂晶体物质。 110(C)萤石萤石(F型型)(AX2) (a)岩盐岩盐(R型型)(AX) (b)钙钛矿钙钛矿(P型型)(ABX)111许多许多是由是由R型、型、P型与型与F型型依次联结依次联结构筑而成，通常构筑而成，通常都是都是而得，每个单元而得，每个单元中有中有两个以上。两个以上。112 (a) (Nd1-xSrx)(Nd1-yCey)CuO4-x (b) (La1-xAx)CuO4 (A=Ca,Sr,Ba) (c)YBa2Cu4O8 1131141

43、15C60具有极高的稳定性，当具有极高的稳定性，当C60中中时，时，人们发现人们发现在一些特定成分上在一些特定成分上可以形成富勒烯结构。可以形成富勒烯结构。通过与各种碱金属原子的结合，通过与各种碱金属原子的结合，AxC60的的已经提高到已经提高到以上，超导温度最高以上，超导温度最高RbCs2C60的临界转变温度为的临界转变温度为33K。116第一个被发现的第一个被发现的是是(TMTSF)2PF6，尽尽管这种有机盐的管这种有机盐的只有只有，但是，它但是，它的发现预示了一个的发现预示了一个的出现。的出现。117具有具有、和和，已引起了众多科学家的，已引起了众多科学家的注意。注意。118(TMTSF

44、)2PF6The first organic superconductor discovered. 119组成有机超导体的四类化合物组成有机超导体的四类化合物： 120非晶态超导体的研究主要包括非晶态超导体的研究主要包括及其及其和和及其及其。它们具有它们具有、等优点。等优点。121非晶态结构的非晶态结构的对其对其的影的影响很大，能使有些物质的超导转变温度响很大，能使有些物质的超导转变温度Tc提高，提高，这是由于这是由于非晶态超导体与晶态超导体的不同非晶态超导体与晶态超导体的不同所引所引起的。起的。的性质比的性质比更更为复杂。为复杂。122 重费米子超导体是重费米子超导体是20世纪世纪70年代年

45、代末期发现的，它的末期发现的，它的只有只有。123由于这类超导体的由于这类超导体的非常大，非常大，是普通金属的几百甚至几千倍。因此，推断出这是普通金属的几百甚至几千倍。因此，推断出这类超导体的类超导体的比比重几百甚至几千倍，因此称重几百甚至几千倍，因此称。的研究对于的研究对于研究研究有重大意义。有重大意义。12420世纪世纪70年代，人们发现年代，人们发现具有超导电性。这类超导体具有超导电性。这类超导体表现出表现出的复杂现象，因此的复杂现象，因此又称为又称为。125在金属间化合物在金属间化合物(RTB)超导体中，超导体中，以以的的超导转变温度最高超导转变温度最高。后来人们又制备出后来人们又制备

46、出YNi4B超导体和超导体和YNi2B2C超导体等等，四元素超导体等等，四元素的超导的超导转变温度达到转变温度达到。126 复合超导材料复合超导材料许多许多与与可以进行可以进行，进而，进而形成形成。可以可以、和和等。等。127有有超导电缆超导电缆、复合线复合线、复合带复合带、超超导细线导细线复合线等等，其主要由复合线等等，其主要由以及以及、以及高强度以及高强度和和六六部分组成。部分组成。128高温超导材料的用途，大致可分为以下三类：高温超导材料的用途，大致可分为以下三类：（）（）应用（强电应用）；应用（强电应用）；（）（）应用（弱电应用）；应用（弱电应用）；（）（）应用。应用。129主要是指主

47、要是指用用于于、和和等三方面。等三方面。包括包括、等；等；主要应用于主要应用于和和等。等。130超导材料最诱人的应用是超导材料最诱人的应用是、和和。由于超导材料由于超导材料在超导状态下在超导状态下具有具有和和，因此只需，因此只需，就可以获得，就可以获得10万万高斯以上的高斯以上的。而用而用做磁体，要产生这么大的磁场，需做磁体，要产生这么大的磁场，需要消耗要消耗3.5兆瓦的兆瓦的及及，投资巨大。，投资巨大。131可以制作可以制作:、132在电力领域，利用在电力领域，利用可以将可以将发电机的磁场强度发电机的磁场强度提高到提高到5万万6万高斯，并万高斯，并且几乎且几乎，这种发电机便是，这种发电机便是

48、。133超导发电机超导发电机的的比比常规常规发电机发电机提高提高510倍，达倍，达1万兆瓦，而万兆瓦，而却减少却减少1/2，整机，整机减轻减轻1/3，提高提高50。 134、同样离不开同样离不开的的帮助。磁流体发电机发电，是利用帮助。磁流体发电机发电，是利用（等离子体）作（等离子体）作，并，并磁磁场强度为场强度为5万万6万高斯的万高斯的而发电。而发电。135磁流体发电机的磁流体发电机的非常非常，用于磁流体发电的用于磁流体发电的还还可可。 136超导材料还可以用于制作超导材料还可以用于制作和和，从而把，从而把几乎无损几乎无损耗地耗地给用户。给用户。137据统计，目前的据统计，目前的导线输电，约有

49、导线输电，约有15%的电能损耗在的电能损耗在上，光是在中国，上，光是在中国，每年的电力损失即达每年的电力损失即达1000多亿度。若改为超多亿度。若改为超导输电，节省的电能相当于新建数十个大型导输电，节省的电能相当于新建数十个大型发电厂。发电厂。 138超导材料超导材料在在时，不会损耗电时，不会损耗电力，故用它可把作力，故用它可把作可以可以做得很小做得很小。139例如一台普通大型发电机需用例如一台普通大型发电机需用1520吨铜丝绕吨铜丝绕成线圈，如果用成线圈，如果用超导材料超导材料作线圈，只要几百克就够作线圈，只要几百克就够了，而发出的电力却一样。因此，了，而发出的电力却一样。因此，是一种是一种

50、极好的极好的和和。1401987年，美国国防部为适应年，美国国防部为适应“星球大战星球大战”的的需要，决定建立一个需要，决定建立一个。在和平时期可向居民供电，在有导弹袭来时，可在和平时期可向居民供电，在有导弹袭来时，可，用激光摧毁导弹。，用激光摧毁导弹。 141因为因为没有电阻，它的没有电阻，它的，可，可以回收以回收98的多余电力，而且的多余电力，而且。一旦需。一旦需要电力，在要电力，在0.3秒秒内就可从内就可从中把电流引中把电流引出来送到任何电网。这对星球大战时出来送到任何电网。这对星球大战时所需电力所需电力是非是非常重要的。常重要的。142美国已设计并着手建造一个可以储存美国已设计并着手建

51、造一个可以储存500万千万千瓦小时的瓦小时的。它的直径有。它的直径有1568米，储存的电米，储存的电力足以供几十万人口的城市照明用电。力足以供几十万人口的城市照明用电。143超导材料之所以能超导材料之所以能是因为是因为，只要，只要，。144高速计算机要求高速计算机要求集成电路集成电路和和密集排列，但密集排列，但在工在工作时会作时会，而，而是超大规模集是超大规模集成电路面临的难题。成电路面临的难题。145超导计算机中的超大规模超导计算机中的超大规模，其，其用用和和来制作，不存在散热问题，同时计算机的来制作，不存在散热问题，同时计算机的大大提高。大大提高。此外，科学家正研究用此外，科学家正研究用来

52、制来制造造晶体管晶体管，甚至完全用，甚至完全用来制作来制作。 146利用超导材料的利用超导材料的，将，将放放在一块在一块的上方，由于磁体的磁力线的上方，由于磁体的磁力线不能穿过超导体，不能穿过超导体，磁体和超导体之间磁体和超导体之间会产生会产生，使超导体，使超导体在磁体上方。利用这在磁体上方。利用这种种可以制作高速超导磁悬浮列车。可以制作高速超导磁悬浮列车。 147磁悬浮列车上的磁悬浮列车上的不是常见的那种永不是常见的那种永久磁铁，而是久磁铁，而是。电磁铁外电磁铁外有一个用导线绕成的有一个用导线绕成的，线，线圈中有电流通过时，铁就产生磁力，只要线圈中有电流通过时，铁就产生磁力，只要线圈中一断电

53、，铁就立即失去磁力。圈中一断电，铁就立即失去磁力。148有两种，一种是有两种，一种是绕绕成的，另一种则是用成的，另一种则是用制成的。制成的。要想把几十上百吨的列车悬空浮起来，电磁铁要想把几十上百吨的列车悬空浮起来，电磁铁之间的排斥力起码得有几十上百吨。之间的排斥力起码得有几十上百吨。而电磁铁之间的而电磁铁之间的和通过电磁线圈中的和通过电磁线圈中的有直接关系，也就是说，只有通过很大的电流，有直接关系，也就是说，只有通过很大的电流，才能产生很大的磁力。才能产生很大的磁力。149 但普通的但普通的，铜导线就，铜导线就会会，电流过大时，还可能使，电流过大时，还可能使。所以。所以铜导线通过的电流大小受到

54、限制，例如直径铜导线通过的电流大小受到限制，例如直径1毫米毫米的铜导线，只能通过的铜导线，只能通过6安培左右的电流，否则就会安培左右的电流，否则就会过热烧毁。过热烧毁。 150为了使为了使，需要，需要，这样就会使，这样就会使本身本身的重量的重量，这对提高列车的行驶速度不利。，这对提高列车的行驶速度不利。怎样才能使磁悬浮列车本身的重量减轻，又能怎样才能使磁悬浮列车本身的重量减轻，又能让电磁铁产生很大的磁力呢让电磁铁产生很大的磁力呢?这似乎是一个难以克这似乎是一个难以克服的固难。但自从有了超导材料后，就克服了这一服的固难。但自从有了超导材料后，就克服了这一困难。困难。 151因为因为，多大的电流通

55、过它，多大的电流通过它也也，也，也。因此，目前世界上许多国家都在争先恐后地研究因此，目前世界上许多国家都在争先恐后地研究和开发和开发。超导磁悬浮列车因为超导磁悬浮列车因为，只有空气产生的阻力，因此时速可达到，只有空气产生的阻力，因此时速可达到650公里，和普通的民航飞机的速度差不多。公里，和普通的民航飞机的速度差不多。152如果将如果将装在装在中运行，中运行，速度可达每小时速度可达每小时1600公里，比超音速飞机还快。公里，比超音速飞机还快。但建造这种隧道很难，因而不易实现。但建造这种隧道很难，因而不易实现。153我国在我国在开始研制磁悬浮列车，并在开始研制磁悬浮列车，并在“八五八五”末期研制

56、出第一辆末期研制出第一辆，它没有车轮，依靠磁斥力使车体浮起来它没有车轮，依靠磁斥力使车体浮起来左左右，用直线电动机推进。右，用直线电动机推进。这辆磁浮列车是由这辆磁浮列车是由制造制造的，的，、等单位共同参加了等单位共同参加了研制。研制。154核聚变反应时，核聚变反应时，达达1亿亿2亿亿，没有任何常规材料可以包容这些物质。而没有任何常规材料可以包容这些物质。而可以作为可以作为“”，将热核反，将热核反应堆中的应堆中的包围包围、约束约束起来，然后起来，然后慢慢释放，从而使慢慢释放，从而使成为成为21世纪前世纪前景广阔的新能源。景广阔的新能源。155高温超导材料在其它方面的用途高温超导材料在其它方面的

57、用途（）（）技术技术（）（）方面方面156在在方面，超导体方面，超导体主要是利用主要是利用从食物和各种原材从食物和各种原材料料(如刚玉、方解石、砂石等如刚玉、方解石、砂石等)中把中把清除出去。故超导体被称作清除出去。故超导体被称作。157的的如下：如下：把需要处理的把需要处理的，送进一个，送进一个装满不锈钢绒毛的容器内，由于装满不锈钢绒毛的容器内，由于能产能产生生，浆料中的，浆料中的就被吸住留在容器内，被就被吸住留在容器内，被则则从低部的管道从低部的管道流出来。流出来。158超导材料超导材料，可以用来制造，可以用来制造一种能测量一种能测量的电子元的电子元件，叫做件，叫做。159可以测量小到可以

58、测量小到100亿亿亿分之一伏特的亿分之一伏特的和和100亿亿分之一安亿亿分之一安培的培的(每秒仅通过几个电于每秒仅通过几个电于)，也可以测，也可以测量小于量小于100万亿分之一特斯拉的万亿分之一特斯拉的(仅相自仅相自于地磁场的于地磁场的100亿分之一亿分之一)。160由于由于有有病变时病变时会改变会改变信号，因此可用信号，因此可用诊断心脏诊断心脏和脑部的疾病。和脑部的疾病。就是利用就是利用的这一性能，的这一性能，它可以检测出稍大于它可以检测出稍大于10万亿分之一特拉斯的万亿分之一特拉斯的，并能确定几毫米范围内的神经信号源。因此，并能确定几毫米范围内的神经信号源。因此，超导材料在医学上被称作超导

59、材料在医学上被称作161从从可以看出，人类的可以看出，人类的生活中已经切实感受到了生活中已经切实感受到了，因此人类的未来离不开，因此人类的未来离不开及其及其的发展。的发展。162超导电技术将会在越来越广泛的范围里超导电技术将会在越来越广泛的范围里造福人类，而且对造福人类，而且对的了解，的了解，将对将对产生极为深远的影产生极为深远的影响。在二十一世纪的今天，响。在二十一世纪的今天，将会将会变得更为重要。变得更为重要。163 人们在探索具有人们在探索具有的的超导陶瓷材超导陶瓷材料料方面取得突破，发现方面取得突破，发现体系和体系和体系的体系的超导陶瓷材料超导陶瓷材料，实现了，实现了液氮温度液氮温度超

60、导。超导。现在许多人正在研究现在许多人正在研究的超导陶瓷的超导陶瓷材料。材料。164一系列一系列群体突破了群体突破了液氮温液氮温度度壁垒，开辟了壁垒，开辟了超导应用超导应用的新途径。的新途径。例如，制成例如，制成。可以将。可以将新型陶瓷新型陶瓷材料材料成功地拉制成成功地拉制成柔软的细丝柔软的细丝用作超导线材，这用作超导线材，这些成功，为些成功，为超导陶瓷材料超导陶瓷材料开辟了新的应用领域。开辟了新的应用领域。165 超导陶瓷材料由于种类繁多，很难分类，但如超导陶瓷材料由于种类繁多，很难分类，但如果果来说，可以依据来说，可以依据化合物化合物的的、来分类。来分类。目前目前有有、，也有，也有和和之分