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超导及超导应用陈俊郧阳师范高等专科学校二OO四年十一月1/51超导研究获诺贝尔物理学奖情况1913年H.K.昂尼斯(荷兰)在低温下研究物质性质并制成液态氦1972年J.巴丁(美)L.N.库珀(美)J.R.斯莱弗(美)提出所谓BCS理论超导性理论1973年B.D.约瑟夫森(英)关于固体中隧道现象发觉,从理论上预言了超导电流能够经过隧道阻挡层(即约瑟夫森效应)1987年J.G.柏诺兹(美)K.A.穆勒(美)发觉新超导材料2/51目录

一、超导现象发觉二、三个主要物理参数三、超导体物理特征四、超导微观机制(BCS理论)五、超导技术应用六、高温超导体发觉七、超导材料八、结束语3/51

1908年，荷兰物理学家昂纳斯首次成功地把称为“永久气体”氦液化，因而取得4.2K低温源，为超导发觉准备了条件。三年后即1911年，在测试纯金属电阻率低温特征时，昂纳斯又发觉，汞直流电阻在4.2K时突然消失，屡次精密测量表明，汞柱两端压降为零，他认为这时汞进入了一个以零阻值为特征新物态，并称为“超导态”。昂纳斯在1911年12月28日宣告了这一发觉。但此时他还没有看出这一现象普遍意义，仅仅当成是相关水银特殊现象。一、超导发觉4/51荷兰物理学家昂纳斯

(HeikeKamerlinghOnnes)

卡末林·昂尼斯(KamerlinghOnnes)低温物理学家1853年9月21日生于荷兰格罗宁根，1926年2月21日卒于荷兰莱顿．因制成液氦和发觉超导现象象1913年获诺贝尔物理学奖．5/51金属Hg电阻随温度改变规律

如图所表示横坐标表示温度，纵坐标表示在该温度下汞电阻与0℃时汞电阻之比：R/R0

R0：

T=273K电阻6/51超导体分类

依据超导体界面能正负，我们能够将超导体分为第一类超导体和第二类超导体。大多数纯超导金属元素界面能为正，称为第一类超导体。对于许多超导合金和少数几个纯超导金属元素来说，其界面能为负，称为第二类超导体。现在主要研究是第二类超导体。在第二类超导体中，又能够依据因为磁通流动而产生电阻（流阻）将其进行分类。

7/51超导体分类

在常压下含有超导电性元素金属有32种（如图元素周期表中青色方框所表示）,而在高压下或制成薄膜状时含有超导电性元素金属有14种（如图元素周期表中绿色方框所表示）

8/51第I类超导体

第I类超导体主要包含一些在常温下含有良好导电性纯金属，如铝、锌、镓、鎘、锡、铟等，该类超导体溶点较低、质地较软，亦被称作“软超导体”。其特征是由正常态过渡到超导态时没有中间态，而且含有完全抗磁性。第I类超导体因为其临界电流密度和临界磁场较低，因而没有很好实用价值。

9/51第II类超导体

(1)第II类超导体由正常态转变为超导态时有一个中间态

(2)第II类超导体混合态中有磁通线存在，而第I类超导体没有

(3)第II类超导体比第I类超导体有更高临界磁场、更大临界电流密度和更高临界温度

10/51第II类超导体分类第II类超导体依据其是否含有磁通钉扎中心而分为理想第II类超导体和非理想第II类超导体

11/51二、三个主要物理参数

实现超导必须具备一定条件，如温度、磁场、电流都必须足够低。超导态三大临界条件：临界温度、临界电流和临界磁场，三者亲密相关，相互制约。

12/51三个主要物理参数

临界温度(Tc):超导体电阻突然变为零温度临界电流(Ic):超导体无阻载流能力是有限，当经过超导体中电流抵达某一特定值时，又会重新出现电阻，使其产生这一相变电流称为临界电流

临界磁场(Hc):逐步增大磁场抵达一定值后，超导体会从超导态变为正常态，把破坏超导电性所需最小磁场13/51临界温度(Tc)14/51逐步增大磁场抵达一定值后，超导体会从超导态变为正常态，把破坏超导电性所需最小磁场称为临界磁场，记为Hc。有经验公式：

Hc(T)=Hc(0)(1-T2/Tc2)正常态HHc(0)TcT超导态临界磁场15/51

超导体无阻载流能力也是有限，当经过超导体中电流到达某一特定值时，又会重新出现电阻，使其产生这一相变电流称为临界电流，记为Ic。当前，惯用电场描述Ic(V)，即当每厘米样品长度上出现电压为1V时所输送电流。Ic(V)IV失超临界电流16/51三、超导体物理特征

(1)零电阻现象(ZeroResistance)T>Tc在超导环上加磁场

(b)T<Tc圆环转变为超导态(c)突然撤去外电场，超导环中产生连续电流

17/51

(2)迈斯纳效应迈斯纳效应又叫完全抗磁性，1933年迈斯纳发觉，超导体一旦进入超导状态，体内磁通量将全部被排出体外，磁感应强度恒为零，且不论对导体是先降温后加磁场，还是先加磁场后降温，只要进入超导状态，超导体就把全部磁通量排出体外。NNS降温降温加场加场S注：S表示超导态N表示正常态超导体物理特征218/51在锡盘上放一条永久磁铁，当温度低于锡转变温度时，小磁铁会离开锡盘飘然升起，升至一定距离后，便悬空不动了，这是因为磁铁磁力线不能穿过超导体，在锡盘感应出连续电流磁场，与磁铁之间产生了排斥力，磁体越远离锡盘，斥力越小，当斥力减弱到与磁铁重力相平衡时，就悬浮不动了。观察迈纳斯效应磁悬浮试验19/51德国物理学家迈纳斯20/51超导体物理特征(3)二级相变效应

1932年，荷兰学者Keesom和Kok发觉，在超导转变临界温度TC处，比热出现了突变。Keesom-Kok试验表明，在超导态，电子对比热贡献约为正常态3倍。假如发生相变时，体积不改变，也无相变潜热，而比热、膨胀系数等物理量却发生改变，则称这种相变为二级相变。正常导体向超导体转变是一个二级相变。

21/51超导体物理特征(4)同位素效应同位素效应指出超导体临界温度随同位素质量而改变。

同位素效应揭示出超导电性与电子和晶格振动相关

22/51超导体物理特征(5)单电子隧道效应

当一个电子在势垒中运动时，电子能够借助真空，从真空吸收一个虚光子，使自己能量增大而越过势垒，电子一旦越过势垒，便将虚光子送还给真空。同时，电子能量也返回到原来值,量子理论称它为隧道效应。

23/51超导体物理特征(6)约瑟夫森效应（双电子隧道效应）

1962年，约瑟夫森（Josephson）提出，应有电子对经过超导-绝缘层-超导隧道元件，即一对对电子成伴地从势垒中贯经过去。电子对穿过势垒能够在零电压下进行，所以约瑟夫森效应与单电子隧道效应不一样，可用试验对它们加以判别。零电压下约瑟夫森效应又称直流约瑟夫森效应。另外还有交流约瑟夫森效应。它们含有共同特点，都是双电子隧道效应。

24/51四、超导微观机制(BCS理论)

1957年在伊利诺大学B.D.Bardeen(巴丁)、L.N.Cooper(库柏)及J.R.Schrieffer(施里弗)为了正确解释超导现象，发表了著名且完整超导微观理论（量子理论），称为BCS理论。BCS理论是由美国物理学家巴丁、库珀和施里弗于1957年首先提出，并以三位科学家姓名第一个大写字母命名这一理论

25/51巴丁、库柏、施里弗

巴丁、库柏、施里弗取得了1972年诺贝尔物理奖

26/51BCS理论三个观点

1.在一定温度下，金属中参加导电电子结成库珀对，这是一个相变过程；2.库珀对电子凝聚在费密面附近；3.费密面以上将出现一个宽度为Δ能隙。

27/51五、超导技术应用

（1）在电力工程方面应用

图1超导导线(含2120根微米直径之铌钛合金纤维)

超导输电在标准上能够做到没有焦耳热损耗，因而可节约大量能源；用超导线圈储存能量在军事上有重大应用，超导线圈用于发电机和电动机能够大大提升工作效率、降低损耗，从而造成电工领域重大变革.28/51超导储能装置

超导储能装置是利用超导线圈将电磁能直接储存起来，需要时再将电磁能返回电网或其它负载一个电力设施。普通由超导线圈、低温容器、制冷装置、变流装置和测控系统几个部件组成。其中超导线圈是超导储能装置关键部件，它能够是一个螺旋管线圈或是环形线圈

29/51超导发电机

在电力领域，利用超导线圈磁体能够将发电机磁场强度提升到5万～6万高斯，而且几乎没有能量损失，这种发电机便是交流超导发电机。超导发电机单机发电容量比常规发电机提升5～10倍，达1万兆瓦，而体积却降低1/2，整机重量减轻1/3，发电效率提升50％

30/51超导限流器

超导限流器是利用超导体超导/正常态转变特征，有效限制电力系统故障短路电流，能够快速和有效地到达限流作用一个电力设备。超导限流器集检测、触发和限流于一体，反应速度快，正常运行时损耗很低，能自动复位，克服了常规熔断器只能使用一次缺点。31/51日本超导磁悬浮列车MAGLEV

高温超导磁悬浮试验车“世纪号”

（2）超导技术在交通运输方面应用32/51（3）超导技术在电子工程方面应用

用超导技术制成各种仪器，含有灵敏度高、噪声低、反应快、损耗小等特点，如用超导量子干涉仪可确定地热、石油、各种矿藏位置和储量，并可用于地震预报

图8超导量子干涉仪

33/51超导数字电路

超导数字电路利用约瑟夫森结在零电压态和能隙电压态之间快速转换来实现二元信息。应用约瑟夫森效应器件能够制成开关元件，其开关速度可达10-11秒左右数量级，比半导体集成电路快100倍，但功耗却要低1000倍左右，为制造亚纳秒电子计算机提供了一个路径34/51（4）超导技术在生物医疗方面应用

核磁共振断层扫描仪其原理乃是利用核磁共振原理，观察体内某一个原子核改变分布(主要是氢原子)，将结果显像为人体断层扫描图，以观察身体中病灶组织改变。图9核磁共振断层扫描仪与人体断层扫描图

35/51（5）超导技术在军事上应用

(a)超导粒子束武器和自由电子激光器

(b)超导电磁炮(c)超导电磁推进系统和超导陀螺仪

超导技术在军事工业中也能够发挥其特有作用，超导扫雷具就是其中之一。超导扫雷具工作原理是：超导扫雷具模拟舰船磁场特征，采取两根大电流电缆在海水中形成电极，并与海水组成闭合电路产生磁场，或者在船上安装一个电磁体产生磁场，从而得以将磁水雷引爆

36/51(6)科学工程和试验室应用

科学工程和试验室是超导技术应用一个主要方面，它包含高能加速器、核聚变装置等。高能加速器用来加速粒子产生人工核反应以研究物质内部结构，是基本粒子物理学研究主要装备。核聚变装置是人们长久以来梦想处理能源问题一个主要方向，其路径是将氘和氚加热后，使原子和弥散电子成为一个等离子状态，而且在将这种高温等离子体约束在适当空间内条件下，原子核就能够越过电子排斥而相互碰撞产生核聚变反应。在这些应用中，超导磁体是高能加速器和核聚变装置不可缺乏关键部件。

37/51(7)农业上应用农作物种子因为其富含蛋白质和有机酶，在强磁场作用下，能够影响种子萌发、苗期生长、作物产量和品质、遗传特征等

普通而言，磁场强度和磁场作用时间对农作物种子影响比较大，其作用机制是：磁场→基因→酶→代谢→结构与功效。试验研究结果表明，经过强磁场作用农作物种子，其最终产量将能够提升5-10%。

38/51六、高温超导体发觉

(1)高温超导体发觉自1911年出现第一个超导体水银到1973年出现合金超导体锗三铌，前后时间长达62年，但临界温度TC总共只提升了20K左右，平均每年增加1/3（K）；1964年开始在金属氧化物中寻找超导材料，到1975年，临界温度只到达13K，远不及锗三铌。以后美国Bell贝尔试验室一个叫William.L.Mcmilam（威廉.L.麦克米兰）人提出：金属超导临界温度上限值为30（K），这一断言使一部分科学家对金属材料失去信心。

1980年后有些人开始转向在有机材料中发觉超导体，美国霍普金斯研究小组首先合成一个有机材料（TMTSF）2X，它在TC=1时成为超导体。今后短短5年中，有机超导材料临界温度提升到8（K）。尽管有机超导体临界温度有待大幅度地提升，但有机材料易加工成型，易于人工合成，价格廉价，重量轻，故仍含有不可抗拒诱惑力。

39/51高温超导体发觉1986年4月，正当提升金属、合金有机材料临界温度都碰到困难时候，瑞士学者缪勒和西德学者柏努兹发觉多相氧化物或称为陶瓷材料超导，激起人们对新陶瓷材料高度热情，在不到一年时间内，中国、日本，美国等竞相努力，使陶瓷超导体临界温度提升到300K以上。1987年初，中国赵忠贤取得SrLaCuO超导临界温度为48.6K，短短数月内就又提升至近300K，平均每个月增加50K！出现了超导史上空前振奋人心局面。

40/51著名高温超导物理学家41/51(1)高Tc超导体主要性质

1.晶体结构有强低维特点，3个晶格常数相差3～4倍；2.输运系数含有很大各向异性；3.磁场穿透深度较大；4.相干长度较短或者库珀正确空间局域性较强；5.载流子浓度较低，且为空穴型导电；6.隧道试验表明电子对存在；7.迈斯纳效应不完全；8.同位素效应弱甚至无。

42/51(1)必须在一个确定温度实现零电阻转变；(2)在零电阻转变温度附近必须观察到完全抗磁性（迈斯纳效应）；(3)这一现象必须含有一定稳定性和再现性；(4)这一现象必须为其它试验室所重复和验证。

(2)高温超导体四项判断准则43/51(3)高温超导理论研究现实状况1.BCS理论

2.共振价键理论（RVB）

3.双极化子机制

4.激子机制

5.等离子体机制

6.杂质跃迁

尽管如此，也还是没有一个理论能得到大家一致公认。谁能最终揭开高TC超导之谜，谁就将是科学王国中佼佼者

44/51(4)高温超导陶瓷制作工艺

(1)干法(2)湿法(3)电子束蒸发另外，还有直流磁控溅射和单晶生成等工艺。45/51

当前，第一代超导线材——铋氧化物线材已到达商业化水平。东京电力企业试制成功长100米、3相、66千伏超导电缆，美国很快也将进行100米超导电缆安装试验。日本正在加紧研究开发高性能超导电缆、超导变压器、超导限流器和超导蓄电装置等，预计5年后到达目标。日本磁悬浮列车线圈超导化当前也在计划当中，预计将从明年开始进行研究和试制。当前各国都在主动研究开发第二代超导线材——钇系列线材。其中，包含钇YBCO(钇铋铜氧)和包含钕NBCO(钕铋铜氧