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超導體
某一溫度下電阻為零的導體
超導體（英文名：superconductor），又稱(chēng)為超導材料，指在某一溫度下，電阻為零的導體。在實(shí)驗中，若導體電阻的測量值低于10負25次方歐，可以認為電阻為零。
超導體不僅具有零電阻的特性，另一個(gè)重要特征是完全抗磁性。
人類(lèi)最初發(fā)現超導體是在1911年，這一年荷蘭科學(xué)家?？恕た┝帧ぐ簝人?/a>（Heike Kamerlingh Onnes）等人發(fā)現，汞在極低的溫度下，其電阻消失，呈超導狀態(tài)。此后超導體的研究日趨深入，一方面，多種具有實(shí)用潛力的超導材料被發(fā)現，另一方面，對超導機理的研究也有一定進(jìn)展。
背景
超導體的發(fā)現與低溫研究密不可分。在18世紀，由于低溫技術(shù)的限制，人們認為存在不能被液化的“永久氣體”，如氫氣、氦氣等。1898年，英國物理學(xué)家杜瓦制得液氫。1908年，荷蘭萊頓大學(xué)萊頓低溫實(shí)驗室的卡末林·昂內斯教授成功將最后一種“永久氣體”——氦氣液化，并通過(guò)降低液氦蒸汽壓的方法，獲得1.15~4.25K的低溫。低溫研究的突破，為超導體的發(fā)現奠定了基礎。
在19世紀末20世紀初，對金屬的電阻在絕對零度附近的變化情況，有不同的說(shuō)法。一種觀(guān)點(diǎn)認為純金屬的電阻應隨溫度的降低而降低，并在絕對零度時(shí)消失。另一種觀(guān)點(diǎn)，以威廉·湯姆遜（開(kāi)爾文男爵）為代表，認為隨著(zhù)溫度的降低，金屬的電阻在達到一極小值后，會(huì )由于電子凝聚到金屬原子上而變?yōu)闊o(wú)限大。
1911年2月，掌握了液氦和低溫技術(shù)的卡末林·昂尼斯發(fā)現，在4.3K以下，鉑的電阻保持為一常數，而不是通過(guò)一極小值后再增大。因此卡末林·昂尼斯認為純鉑的電阻應在液氦溫度下消失。為了驗證這種猜想，卡末林·昂尼斯選擇了更容易提純的汞作為實(shí)驗對象。首先，卡末林·昂尼斯將汞冷卻到零下40℃，使汞凝固成線(xiàn)狀；然后利用液氦將溫度降低至4.2K附近，并在汞線(xiàn)兩端施加電壓；當溫度稍低于4.2K時(shí)，汞的電阻突然消失，表現出超導狀態(tài)。
基本特性
完全導電性
完全電導性適用于直流電，超導體在處于交變電流或交變磁場(chǎng)的情況下，會(huì )出現交流損耗，且頻率越高，損耗越大。交流損耗是超導體實(shí)際應用中需要解決的一個(gè)重要問(wèn)題，在宏觀(guān)上，交流損耗由超導材料內部產(chǎn)生的感應電場(chǎng)與感生電流密度不同引起；在微觀(guān)上，交流損耗由量子化磁通線(xiàn)粘滯運動(dòng)引起。交流損耗是表征超導材料性能的一個(gè)重要參數，如果交流損耗能夠降低，則可以降低超導裝置的制冷費用，提高運行的穩定性。
完全抗磁性
完全抗磁性又稱(chēng)邁斯納效應，“抗磁性”指在磁場(chǎng)強度低于臨界值的情況下，磁力線(xiàn)無(wú)法穿過(guò)超導體，超導體內部磁場(chǎng)為零的現象，“完全”指降低溫度達到超導態(tài)、施加磁場(chǎng)兩項操作的順序可以顛倒。完全抗磁性的原因是，超導體表面能夠產(chǎn)生一個(gè)無(wú)損耗的抗磁超導電流，這一電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，抵消了超導體內部的磁場(chǎng)。
超導體電阻為零的特性為人們所熟知，但超導體并不等同于理想導體。從電磁理論出發(fā)，可以推導出如下結論：若先將理想導體冷卻至低溫，再置于磁場(chǎng)中，理想導體內部磁場(chǎng)為零；但若先將理想導體置于磁場(chǎng)中，再冷卻至低溫，理想導體內部磁場(chǎng)不為零。對于超導體而言，降低溫度達到超導態(tài)、施加磁場(chǎng)這兩種操作，無(wú)論其順序如何，超導體超導體內部磁場(chǎng)始終為零，這是完全抗磁性的核心，也是超導體區別于理想導體的關(guān)鍵。
通量量子化
通量量子化又稱(chēng)約瑟夫森效應，指當兩層超導體之間的絕緣層薄至原子尺寸時(shí)，電子對可以穿過(guò)絕緣層產(chǎn)生隧道電流的現象，即在超導體（superconductor）—絕緣體（insulator）—超導體（superconductor）結構可以產(chǎn)生超導電流。
約瑟夫森效應分為直流約瑟夫森效應和交流約瑟夫森效應。直流約瑟夫森效應指電子對可以通過(guò)絕緣層形成超導電流。交流約瑟夫森效應指當外加直流電壓達到一定程度時(shí)，除存在直流超導電流外，還存在交流電流，將超導體放在磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)透入絕緣層，超導結的最大超導電流隨外磁場(chǎng)大小作有規律的變化。
臨界參數
（1）臨界轉變溫度Tc：當溫度低于臨界轉變溫度Tc時(shí)，材料處于超導態(tài)；超過(guò)臨界轉變溫度Tc，超導體由超導態(tài)恢復為正常狀態(tài)。
（2）臨界磁場(chǎng)強度Hc：當外界磁場(chǎng)強度超過(guò)臨界磁場(chǎng)強度Hc時(shí)，超導體由超導體恢復為正常狀態(tài)。臨界磁場(chǎng)強度Hc與溫度有關(guān)，關(guān)系式如下：
（3）臨界電流密度Jc：當通過(guò)超導體的電流密度超過(guò)臨界電流密度Jc時(shí)，超導體由超導體恢復為正常狀態(tài)。臨界電流密度Jc與溫度、磁場(chǎng)強度有關(guān)。
理論解釋
為闡明超導體的機理，科學(xué)家提出了多種理論，包括：1935年提出的，用于描述超導電流與弱磁場(chǎng)關(guān)系的London方程；1950~1953年提出的，用于完善London方程的Pippard理論；1950年提出的，用于描述超導電流與強磁場(chǎng)（接近臨界磁場(chǎng)強度）關(guān)系的GL（Ginzburg-Landau）理論；1957年提出的，從微觀(guān)機制上解釋第一類(lèi)超導體的BCS（Bardeen-Cooper-Schrieffer）理論等。其中比較重要的理論有BCS理論、GL理論。
BCS理論
BCS理論認為，金屬中自旋和動(dòng)量相反的電子可以配對形成庫珀對，庫珀對在晶格當中可以無(wú)損耗的運動(dòng)，形成超導電流。對于庫珀對產(chǎn)生的原因，BCS理論做出了如下解釋?zhuān)弘娮釉诰Ц裰幸苿?dòng)時(shí)會(huì )吸引鄰近格點(diǎn)上的正電荷，導致格點(diǎn)的局部畸變，形成一個(gè)局域的高正電荷區。這個(gè)局域的高正電荷區會(huì )吸引自旋相反的電子，和原來(lái)的電子以一定的結合能相結合配對。在很低的溫度下，這個(gè)結合能可能高于晶格原子振動(dòng)的能量，這樣，電子對將不會(huì )和晶格發(fā)生能量交換，沒(méi)有電阻，形成超導電流。
BCS理論很好地從微觀(guān)上解釋了第一類(lèi)超導體存在的原因，理論的提出者巴丁、庫珀、施里弗因此獲得1972年諾貝爾物理學(xué)獎。但BCS理論無(wú)法解釋第二類(lèi)超導體存在的原因，尤其是根據BCS理論得出的麥克米蘭極限溫度（超導體的臨界轉變溫度不能高于40K），早已被第二類(lèi)超導體突破。
分類(lèi)
超導體的分類(lèi)方法有以下幾種：
（1）根據材料對于磁場(chǎng)的響應：第一類(lèi)超導體和第二類(lèi)超導體。從宏觀(guān)物理性能上看，第一類(lèi)超導體只存在單一的臨界磁場(chǎng)強度；第二類(lèi)超導體有兩個(gè)臨界磁場(chǎng)強度值，在兩個(gè)臨界值之間，材料允許部分磁場(chǎng)穿透材料。從理論上看，如上文“理論解釋”中的GL理論所言，參數κ是劃分兩類(lèi)超導體的標準。
（2）根據解釋理論：傳統超導體（可以用BCS理論或其推論解釋?zhuān)┖头莻鹘y超導體（不能用BCS理論解釋?zhuān)?/span>
發(fā)展史
20世紀中前期
1911年，荷蘭科學(xué)家卡末林—昂內斯用液氦冷卻汞，當溫度下降到4.2K（﹣268.95℃）時(shí)，汞的電阻完全消失，卡末林將這種現象稱(chēng)為超導電性?？┝忠虼双@得1913年諾貝爾獎。
1933年，邁斯納和奧克森菲爾德兩位科學(xué)家發(fā)現超導體的完全抗磁性，后人稱(chēng)之為“邁斯納效應”。
超導體
1962年，劍橋大學(xué)研究生約瑟夫森在理論上預言，電子能通過(guò)兩塊超導體之間薄絕緣層，在不到一年的時(shí)間內，安德森和羅厄耳等人從實(shí)驗上證實(shí)了約瑟夫森的預言。這一重要發(fā)現為超導體中電子對運動(dòng)提供了證據，使對超導現象本質(zhì)的認識更加深入。約瑟夫森效應成為微弱電磁信號探測和其他電子學(xué)應用的基礎。
20世紀70年代
1979年，在日本的試驗鐵路——宮崎線(xiàn)上，超導列車(chē)成功地進(jìn)行了載人可行性試驗，時(shí)速達517千米。
20世紀80年代
1980年，丹麥的Bechgaard等人合成出第一個(gè)有機超導體(TMTSF)2PF6。
1986年，繆勒和柏諾茲發(fā)現一種成分為鋇、鑭、銅、氧的陶瓷性金屬氧化物L(fēng)aBaCuO4具有高溫超導性，臨界溫度可達35K（﹣240.15℃）。由于陶瓷性金屬氧化物通常是絕緣物質(zhì)，因此這個(gè)發(fā)現的意義很大，繆勒和柏諾茲因此而榮獲了1987年度諾貝爾物理學(xué)獎。此后，高溫超導的研究迅速發(fā)展。
1987年，美國華裔科學(xué)家、休斯頓大學(xué)教授朱經(jīng)武以及中國科學(xué)家趙忠賢相繼研制出釔－鋇－銅－氧系材料，臨界超導溫度提高到90K（﹣185.15℃）以上，打破液氮的“溫度壁壘”（77K）。
1987年底，發(fā)現鉈－鋇－鈣－銅－氧系材料的臨界溫度達125K（﹣150.15℃）。從1986－1987年的短短一年多的時(shí)間里，臨界超導溫度提高了近100K。
1988年，日本日立制作所發(fā)現，汞系超導材料的臨界溫度達135K，在高壓條件下，其臨界溫度將能達到164K。
20世紀90年代
1991年3月，日本住友電氣工業(yè)公司展示了世界上第一個(gè)超導磁體。
1999年，德國普朗克研究所的Bernhard等人發(fā)現，釕銅化合物RuSr2GdCu2O8-δ同時(shí)具有超導性和鐵磁有序性，其超導臨界溫度為15~40K，鐵磁性轉變溫度為133~136K。由于該化合物同時(shí)具有超導性和鐵磁有序性，在計算機數據存儲上有較大應用潛力。
21世紀初
2004年1月29日，美國標準技術(shù)研究院和美國科羅拉多大學(xué)的科學(xué)家組成的聯(lián)合研究小組提出一種新的物質(zhì)形態(tài)——費米子凝聚態(tài)（fermionic condensate），并預言它將幫助人類(lèi)做出下一代超導體。
2012年9月，德國萊比錫大學(xué)發(fā)現石墨顆粒能在室溫下表現出超導性。
研究表示
銅氧超導體
銅氧超導體是最早發(fā)現的高溫超導體，20世紀八十年代繆勒、柏諾茲合成的鋇－鑭－銅－氧系高溫超導體和朱經(jīng)武、趙忠賢合成的釔－鋇－銅－氧系高溫超導體均屬于此范疇。
目前，對銅氧超導體的研究呈現以下趨勢：首先，銅氧超導體已經(jīng)較為成熟，如由鉈－鋇－鈣－銅－氧超導薄膜制成的裝置，已應用于移動(dòng)電話(huà)的發(fā)射塔，以增加容量，減少斷線(xiàn)和外界干擾。其次，銅氧超導體的基礎研究處在瓶頸階段，轉變溫度一直以來(lái)不能突破164K。再次，對銅氧超導體的機理研究有所進(jìn)展，如2002年，德國、法國和俄羅斯的科學(xué)家利用中子散射技術(shù)，在單銅氧層Tl2Ba2CuO6+δ中觀(guān)察到磁共振，有助于對探明銅氧化物超導體的機理。
鐵基超導體
自從2006年發(fā)現鐵基超導體以來(lái)，對鐵基超導體日趨深入，比較突出的成果有：2008年，日本科學(xué)家細野秀雄發(fā)現摻雜F的LaFeOP超導體具有26K的臨界溫度；2008年，中國科學(xué)家趙忠賢、陳仙輝、王楠林、聞?；?、方忠發(fā)現臨界溫度達43K的SmFeAs1-xFx超導體和臨界溫度達55K的ReFeAs1-xFx超導體，在鐵基超導體的領(lǐng)域首次突破40K的麥克米蘭極限溫度。
鐵基超導體之所以受到關(guān)注，原因有兩點(diǎn)：其一，Fe離子是磁性離子，打破了磁性離子不利于超導的觀(guān)點(diǎn)，為探索新的超導體提供了一種思路；其二，類(lèi)似于銅氧超導體，鐵基超導體也存在強的電子與自旋相互作用，對探明高溫超導機理有參考價(jià)值。
硼化鎂超導體
雖然MgB2的臨界溫度較低，但與銅氧超導體、鐵基超導體相比，仍有很多優(yōu)勢，包括：結構簡(jiǎn)單、易于制備；原料來(lái)源廣泛、成本較低；易于加工。尤其是易于加工的特性，成為MgB2的重要優(yōu)勢。因為具有高臨界溫度的銅氧超導體本質(zhì)上屬于陶瓷材料，陶瓷材料硬度大，加工困難，成為制約銅氧超導體發(fā)展的一個(gè)因素，MgB2超導體可以彌補這一不足。
應用
強電應用
超導發(fā)電機：目前，超導發(fā)電機有兩種含義。一種含義是將普通發(fā)電機的銅繞組換成超導體繞組，以提高電流密度和磁場(chǎng)強度，具有發(fā)電容量大、體積小、重量輕、電抗小、效率高的優(yōu)勢。另一種含義是指超導磁流體發(fā)電機，磁流體發(fā)電機具有效率高、發(fā)電容量大等優(yōu)點(diǎn)，但傳統磁體在發(fā)電過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生很大的損耗，而超導磁體自身?yè)p耗小，可以彌補這一不足。
弱電應用
超導計算機：高速計算機要求集成電路芯片上的元件和連接線(xiàn)密集排列，但密集排列的電路在工作時(shí)會(huì )發(fā)生大量的熱，而散熱是超大規模集成電路面臨的難題。超導計算機中的超大規模集成電路，其元件間的互連線(xiàn)用接近零電阻和超微發(fā)熱的超導器件來(lái)制作，不存在散熱問(wèn)題，同時(shí)計算機的運算速度大大提高。此外，科學(xué)家正研究用半導體和超導體來(lái)制造晶體管，甚至完全用超導體來(lái)制作晶體管。
抗磁性應用
臨界溫度
超導材料臨界溫度
超導材料臨界溫度Tc總表 | ||||
材料 | 符號 | Tc(K) | 晶胞中Cu-O平面數目 | 結構 |
YBa2Cu3O7 | 123 | 92 | 2 | 正交晶系 |
Bi2Sr2CuO6 | Bi-2201 | 20 | 1 | 四方晶系 |
Bi2Sr2CaCu2O8 | Bi-2212 | 85 | 2 | 四方晶系 |
Bi2Sr2Ca2Cu3O6 | Bi-2223 | 110 | 3 | 四方晶系 |
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理論進(jìn)展
2012年9月，德國萊比錫大學(xué)的研究人員宣布了一項進(jìn)展：石墨顆粒能在室溫下表現出超導性。研究人員將石墨粉浸入水中后濾除干燥，置于磁場(chǎng)中，結果一小部分（大約占0.01%）樣本表現出抗磁性，而抗磁性是超導材料的標志性特征之一。雖然表現出超導性的石墨顆粒很少，但這一發(fā)現仍然具有重要意義。迄今為止，超導體只有在溫度低于－70°C下才能夠發(fā)揮作用。如果像石墨粉這樣便宜且容易獲得的材料真能在室溫下實(shí)現超導，將引發(fā)一次新的現代工業(yè)革命。
用途
超導磁體可用于制作交流超導發(fā)電機、磁流體發(fā)電機和超導輸電線(xiàn)路等。目前超導量子干涉儀（SQUID）已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化。另外，作為低溫超導材料的主要代表NbTi合金和Nb3Sn，在商業(yè)領(lǐng)域主要應用于醫學(xué)領(lǐng)域的MRI（核磁共振成像儀）。作為科學(xué)研究領(lǐng)域，已經(jīng)應用于歐洲的大型項目LHC項目，幫助人類(lèi)尋求宇宙的起源等科學(xué)問(wèn)題。
產(chǎn)生磁場(chǎng)
常規導體做磁體時(shí)，要產(chǎn)生10萬(wàn)高斯以上的穩態(tài)強磁場(chǎng)，需要消耗3.5兆瓦的電能及大量的冷卻用水，投資巨大；而超導材料在超導狀態(tài)下具有零電阻和抗磁性，因此只需消耗極少的電能，就可以獲得這么大的穩態(tài)強磁場(chǎng)。
參考資料
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超導技術(shù) 超凡脫俗2017-12-24T14:57:00+08:00[引用日期2022-06-09 18:36:39]
[2]
趙忠賢：五十年磨一劍 鑄就超導強國夢(mèng)2017-01-09T12:02:57+08:00[引用日期2022-06-10 18:32:08]
[3]
我國鐵基超導材料向高磁場(chǎng)應用邁進(jìn)2021-02-25T09:00:01+08:00[引用日期2022-06-10 18:32:29]
[4]
趙忠賢：五十年磨一劍 鑄就超導強國夢(mèng)2017-01-09T12:02:57+08:00[引用日期2022-06-10 18:32:43]
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打開(kāi)低溫的大門(mén)2020-01-02T18:36:58+08:00[引用日期2022-06-10 19:25:35]
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