超导体（某一温度下电阻为零的导体）
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更新时间：2023-05-20
超导体
某一温度下电阻为零的导体
超导体（英文名：superconductor），又称为超导材料，指在某一温度下，电阻为零的导体。在实验中，若导体电阻的测量值低于10负25次方欧，可以认为电阻为零。
超导体不仅具有零电阻的特性，另一个重要特征是完全抗磁性。
人类最初发现超导体是在1911年，这一年荷兰科学家海克·卡末林·昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）等人发现，汞在极低的温度下，其电阻消失，呈超导状态。此后超导体的研究日趋深入，一方面，多种具有实用潜力的超导材料被发现，另一方面，对超导机理的研究也有一定进展。
背景
超导体的发现与低温研究密不可分。在18世纪，由于低温技术的限制，人们认为存在不能被液化的“永久气体”，如氢气、氦气等。1898年，英国物理学家杜瓦制得液氢。1908年，荷兰莱顿大学莱顿低温实验室的卡末林·昂内斯教授成功将最后一种“永久气体”——氦气液化，并通过降低液氦蒸汽压的方法，获得1.15~4.25K的低温。低温研究的突破，为超导体的发现奠定了基础。
在19世纪末20世纪初，对金属的电阻在绝对零度附近的变化情况，有不同的说法。一种观点认为纯金属的电阻应随温度的降低而降低，并在绝对零度时消失。另一种观点，以威廉·汤姆逊（开尔文男爵）为代表，认为随着温度的降低，金属的电阻在达到一极小值后，会由于电子凝聚到金属原子上而变为无限大。
1911年2月，掌握了液氦和低温技术的卡末林·昂尼斯发现，在4.3K以下，铂的电阻保持为一常数，而不是通过一极小值后再增大。因此卡末林·昂尼斯认为纯铂的电阻应在液氦温度下消失。为了验证这种猜想，卡末林·昂尼斯选择了更容易提纯的汞作为实验对象。首先，卡末林·昂尼斯将汞冷却到零下40℃，使汞凝固成线状；然后利用液氦将温度降低至4.2K附近，并在汞线两端施加电压；当温度稍低于4.2K时，汞的电阻突然消失，表现出超导状态。
基本特性
完全导电性
完全电导性适用于直流电，超导体在处于交变电流或交变磁场的情况下，会出现交流损耗，且频率越高，损耗越大。交流损耗是超导体实际应用中需要解决的一个重要问题，在宏观上，交流损耗由超导材料内部产生的感应电场与感生电流密度不同引起；在微观上，交流损耗由量子化磁通线粘滞运动引起。交流损耗是表征超导材料性能的一个重要参数，如果交流损耗能够降低，则可以降低超导装置的制冷费用，提高运行的稳定性。
完全抗磁性
完全抗磁性又称迈斯纳效应，“抗磁性”指在磁场强度低于临界值的情况下，磁力线无法穿过超导体，超导体内部磁场为零的现象，“完全”指降低温度达到超导态、施加磁场两项操作的顺序可以颠倒。完全抗磁性的原因是，超导体表面能够产生一个无损耗的抗磁超导电流，这一电流产生的磁场，抵消了超导体内部的磁场。
超导体电阻为零的特性为人们所熟知，但超导体并不等同于理想导体。从电磁理论出发，可以推导出如下结论：若先将理想导体冷却至低温，再置于磁场中，理想导体内部磁场为零；但若先将理想导体置于磁场中，再冷却至低温，理想导体内部磁场不为零。对于超导体而言，降低温度达到超导态、施加磁场这两种操作，无论其顺序如何，超导体超导体内部磁场始终为零，这是完全抗磁性的核心，也是超导体区别于理想导体的关键。
通量量子化
通量量子化又称约瑟夫森效应，指当两层超导体之间的绝缘层薄至原子尺寸时，电子对可以穿过绝缘层产生隧道电流的现象，即在超导体（superconductor）—绝缘体（insulator）—超导体（superconductor）结构可以产生超导电流。
约瑟夫森效应分为直流约瑟夫森效应和交流约瑟夫森效应。直流约瑟夫森效应指电子对可以通过绝缘层形成超导电流。交流约瑟夫森效应指当外加直流电压达到一定程度时，除存在直流超导电流外，还存在交流电流，将超导体放在磁场中，磁场透入绝缘层，超导结的最大超导电流随外磁场大小作有规律的变化。
临界参数
（1）临界转变温度Tc：当温度低于临界转变温度Tc时，材料处于超导态；超过临界转变温度Tc，超导体由超导态恢复为正常状态。
（2）临界磁场强度Hc：当外界磁场强度超过临界磁场强度Hc时，超导体由超导体恢复为正常状态。临界磁场强度Hc与温度有关，关系式如下：
（3）临界电流密度Jc：当通过超导体的电流密度超过临界电流密度Jc时，超导体由超导体恢复为正常状态。临界电流密度Jc与温度、磁场强度有关。
理论解释
为阐明超导体的机理，科学家提出了多种理论，包括：1935年提出的，用于描述超导电流与弱磁场关系的London方程；1950~1953年提出的，用于完善London方程的Pippard理论；1950年提出的，用于描述超导电流与强磁场（接近临界磁场强度）关系的GL（Ginzburg-Landau）理论；1957年提出的，从微观机制上解释第一类超导体的BCS（Bardeen-Cooper-Schrieffer）理论等。其中比较重要的理论有BCS理论、GL理论。
BCS理论
BCS理论认为，金属中自旋和动量相反的电子可以配对形成库珀对，库珀对在晶格当中可以无损耗的运动，形成超导电流。对于库珀对产生的原因，BCS理论做出了如下解释：电子在晶格中移动时会吸引邻近格点上的正电荷，导致格点的局部畸变，形成一个局域的高正电荷区。这个局域的高正电荷区会吸引自旋相反的电子，和原来的电子以一定的结合能相结合配对。在很低的温度下，这个结合能可能高于晶格原子振动的能量，这样，电子对将不会和晶格发生能量交换，没有电阻，形成超导电流。
BCS理论很好地从微观上解释了第一类超导体存在的原因，理论的提出者巴丁、库珀、施里弗因此获得1972年诺贝尔物理学奖。但BCS理论无法解释第二类超导体存在的原因，尤其是根据BCS理论得出的麦克米兰极限温度（超导体的临界转变温度不能高于40K），早已被第二类超导体突破。
分类
超导体的分类方法有以下几种：
（1）根据材料对于磁场的响应：第一类超导体和第二类超导体。从宏观物理性能上看，第一类超导体只存在单一的临界磁场强度；第二类超导体有两个临界磁场强度值，在两个临界值之间，材料允许部分磁场穿透材料。从理论上看，如上文“理论解释”中的GL理论所言，参数κ是划分两类超导体的标准。
（2）根据解释理论：传统超导体（可以用BCS理论或其推论解释）和非传统超导体（不能用BCS理论解释）。
发展史
20世纪中前期
1911年，荷兰科学家卡末林—昂内斯用液氦冷却汞，当温度下降到4.2K（﹣268.95℃）时，汞的电阻完全消失，卡末林将这种现象称为超导电性。卡末林因此获得1913年诺贝尔奖。
1933年，迈斯纳和奥克森菲尔德两位科学家发现超导体的完全抗磁性，后人称之为“迈斯纳效应”。
超导体
1962年，剑桥大学研究生约瑟夫森在理论上预言，电子能通过两块超导体之间薄绝缘层，在不到一年的时间内，安德森和罗厄耳等人从实验上证实了约瑟夫森的预言。这一重要发现为超导体中电子对运动提供了证据，使对超导现象本质的认识更加深入。约瑟夫森效应成为微弱电磁信号探测和其他电子学应用的基础。
20世纪70年代
1979年，在日本的试验铁路——宫崎线上，超导列车成功地进行了载人可行性试验，时速达517千米。
20世纪80年代
1980年，丹麦的Bechgaard等人合成出第一个有机超导体(TMTSF)2PF6。
1986年，缪勒和柏诺兹发现一种成分为钡、镧、铜、氧的陶瓷性金属氧化物LaBaCuO4具有高温超导性，临界温度可达35K（﹣240.15℃）。由于陶瓷性金属氧化物通常是绝缘物质，因此这个发现的意义很大，缪勒和柏诺兹因此而荣获了1987年度诺贝尔物理学奖。此后，高温超导的研究迅速发展。
1987年底，发现铊－钡－钙－铜－氧系材料的临界温度达125K（﹣150.15℃）。从1986－1987年的短短一年多的时间里，临界超导温度提高了近100K。
1988年，日本日立制作所发现，汞系超导材料的临界温度达135K，在高压条件下，其临界温度将能达到164K。
20世纪90年代
1991年3月，日本住友电气工业公司展示了世界上第一个超导磁体。
1999年，德国普朗克研究所的Bernhard等人发现，钌铜化合物RuSr2GdCu2O8-δ同时具有超导性和铁磁有序性，其超导临界温度为15~40K，铁磁性转变温度为133~136K。由于该化合物同时具有超导性和铁磁有序性，在计算机数据存储上有较大应用潜力。
研究表示
铜氧超导体
铜氧超导体是最早发现的高温超导体，20世纪八十年代缪勒、柏诺兹合成的钡－镧－铜－氧系高温超导体和朱经武、赵忠贤合成的钇－钡－铜－氧系高温超导体均属于此范畴。
目前，对铜氧超导体的研究呈现以下趋势：首先，铜氧超导体已经较为成熟，如由铊－钡－钙－铜－氧超导薄膜制成的装置，已应用于移动电话的发射塔，以增加容量，减少断线和外界干扰。其次，铜氧超导体的基础研究处在瓶颈阶段，转变温度一直以来不能突破164K。再次，对铜氧超导体的机理研究有所进展，如2002年，德国、法国和俄罗斯的科学家利用中子散射技术，在单铜氧层Tl2Ba2CuO6+δ中观察到磁共振，有助于对探明铜氧化物超导体的机理。
应用
弱电应用
超导计算机：高速计算机要求集成电路芯片上的元件和连接线密集排列，但密集排列的电路在工作时会发生大量的热，而散热是超大规模集成电路面临的难题。超导计算机中的超大规模集成电路，其元件间的互连线用接近零电阻和超微发热的超导器件来制作，不存在散热问题，同时计算机的运算速度大大提高。此外，科学家正研究用半导体和超导体来制造晶体管，甚至完全用超导体来制作晶体管。
临界温度
超导材料临界温度
超导材料临界温度Tc总表 | ||||
材料 | 符号 | Tc(K) | 晶胞中Cu-O平面数目 | 结构 |
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 |
展开表格
理论进展
用途
参考资料
[1]
超导技术 超凡脱俗2017-12-24T14:57:00+08:00[引用日期2022-06-09 18:36:39]
[2]
赵忠贤：五十年磨一剑 铸就超导强国梦2017-01-09T12:02:57+08:00[引用日期2022-06-10 18:32:08]
[3]
我国铁基超导材料向高磁场应用迈进2021-02-25T09:00:01+08:00[引用日期2022-06-10 18:32:29]
[4]
赵忠贤：五十年磨一剑 铸就超导强国梦2017-01-09T12:02:57+08:00[引用日期2022-06-10 18:32:43]
[5]
打开低温的大门2020-01-02T18:36:58+08:00[引用日期2022-06-10 19:25:35]
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