第九章 超导电性
第九章 超导电性
1911年荷兰物理学家昂内斯(H.R.Onnes)在研究水银在低温下的电阻时，发现当温度降低至4.2K 以下后，水银的电阻突然消失，呈现零电阻状态。昂内斯便把这种低温下物质具有零电阻的性能称为超导电性。1933年迈斯纳(W. Meissner)和奥克森菲尔德(R. Ochsenfeld)发现，不仅是外加磁场不能进入超导体的内部，而且原来处在外磁场中的正常态样品，当温度下降使它变成超导体时，也会把原来在体内的磁场完全排出去。到1986年，人们已发现了常压下有28种元素、近5000种合金和化合物具有超导电性。常压下，Nb 的超导临界温度T c =9.26K 是元素中最高的。合金和化合物中，临界温度最高的是Nb 3Ge ，T c =23.2K 。此外，人们还发现了氧化物超导材料和有机超导材料。 1987年2月，美国的朱经武等宣布发现了T c ～93K 的氧化物超导材料，同月21日和23日，中国科学院物理所的赵忠贤、陈立泉等人和日本的S. Hikami 等人也都独立地发现Y-Ba-Cu-O 化合物的T c ～90K 。中国学者率先公布了材料的化学成份。液氮温区超导材料的出现激起了全世界范围的对高临界温度超导材料研究的热潮。
发现超导电性是二十世纪物理学特别是固体物理学的重要成就之一。在超导电性领域的研究工作中，先后有九位科学家前后四次荣获诺贝尔物理学奖。
§9.1 超导电性的基本性质
物质由常态转变为超导态的温度称其为超导临界温度，用T c 表示。超导临界温度以绝对温度来度量。超导体与温度、磁场、电流密度的大小密切相关。这些条件的上限分别称为临界温度(critical temperature, T c )、临界磁场(critical magnetic field, H c )和临界电流密度(critical electric current density, J c )。超导电性有两个最基本的特性：完全导电性和完全抗磁性。
9.1.1 完全导电性
对于超导体来说，在低温下某一温度T c 时，电阻会突然降为零，显示出完全导电性。图9.1表示汞在液氦温度附近电阻的变化行为。在4.2K 下对铅环做的实验证明，超导铅的电阻率小于3.6×10-25Ω·cm ，比室温下铜的电阻率的4.4×10-16分之一还小。实验发现，超导电性可以被外加磁场所破坏，对于温度为T (T ＜T c ＝的超导体，当外磁场超过某一数值H c (T )的时候，超导电性就被破坏了，H c (T )称为临界磁场。在临界温度T c ，临界磁场为零。H c (T )随温度的变化一般可以近似地表示为抛物线关系：
?????????=21)(c co c T T H T H （9.1）
式中H co 是绝对零度时的临界磁场。
图9.1 汞在液氦温度附近电阻的变化行
实验还表明，在不加磁场的情况下，超导体
中通过足够强的电流也会破坏超导电性，导致破
坏超导电性所需要的电流称作临界电流I c (T )。
在临界温度T c ，临界电流为零，这个现象可以从磁
场破坏超导电性来说明，当通过样品的电流在样
品表面产生的磁场达到H c 时，超导电性就被破
坏，这个电流的大小就是样品的临界电流。与式
（9.1）类似，临界电流随温度变化的关系有：
?????????=21)(c co c T T I T I (9.2) 式中I co 是绝对零度时的临界电流。
9.1.2 完全抗磁性
在超导状态，外加磁场不能进入超导体的内部。原来处在外磁场中的正常态样品，变成超导体后，也会把原来在体内的磁场完全排出去，保持体内磁感应强度B 等于零，超导体的这一性质被称为迈斯纳效应，如图9.2所示。超导体内磁感应强度B 总是等于零，即金属在超导电状态的磁化率为：
0)1(,1/0=+=?==H B H M χμχ （9.3）
超导体内的磁化率为-1(M 为磁化强度，B 0=μ0H )。超导体在静磁场中的行为可以近似地用“完全抗磁体”来描述。超导体的迈斯纳效应说明超导态是一个热力学平衡的状态，与怎样进入超导态的途径无关。仅从超导体的零电阻现象出发得不到迈斯纳效应，同样用迈斯纳效应也不能描述零电阻现象，因此，迈斯纳效应和零电阻性质是超导态的两个独立的基本属性，衡量一种材料是否具有超导电性必须看是否同时具有零电阻和迈斯纳效应。
T > T c T < T c 图9.2 迈斯纳效应：当T < T C 时，磁通被完全排斥出超导体
迈斯纳效应通常又称为完全抗磁性。实际上磁场还是能穿透到超导样品表面上一个薄层内的。薄层的厚度叫做穿透深度λ，它与材料和温度有关，典型的大小是几十个纳米。
当外磁场超过某一临界值H c 时，材料的超导电性会被破坏。
§9.2 超导电性的基本理论
为了解释超导电性的物理本质，许多科学家进行了不懈的努力，建立了一系列的理论模型，并成功解释了许多超导现象。
9.2.1 唯象理论
1、二流体模型
1934年戈特(C.J.Gorter)和卡西米尔(H.B.G .Casimir)提出了超电导性的二流体模型：
(1)金属处于超导态时，共有化的自由电子(总数为N)分为两部分：一部分叫正常电子N n ，另一部分叫超流电子N s ，超流电子在晶格中无阻地流动，它占电子总数的N s /N 。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，两种电子相对的数目是温度的函数。
(2)正常电子的性质与正常金属自由电子气体相同，受到振动晶格的散射而产生电阻，所以对熵有贡献。
(3)超流电子处在一种凝聚状态，即凝聚到某一低能态，所以超导态是比正常态更加有序的状态。超导态的电子不受晶格散射，又因为超导态是低能量状态，所以超流电子对熵没有贡献。
二流体模型对超导体零电阻特性的解释是：当T ＜T c 时，出现超流电子，它们的运动是无阻的，超导体内部的电流完全来自超流电子的贡献，它们对正常电子起到短路作用，所以样品内部不能存在电场，也就没有电阻效应。从这个模型出发可以解释许多超导实验现象，如超导转变时电子比热的“λ”型跃变等。
2、伦敦方程
1935年，伦敦兄弟(F. London and H. London)在二流体模型的基础上，提出两个描述超导电流与电磁场关系方程，与麦克斯韦方程一起构成了超导体的电动力学基础。
伦敦第一方程为：
E m e n J t s s *2=?? （9.4）
式中m*是电子的有效质量，J s 是超流电流密度，n s 是超导电子密度。由上式可见：在稳态下，即超导体中的电流为常值时，0=??s t
J ，则E = 0。表明在稳态下，超导体内的电场强度等于零，它说明了超导体的零电阻性质。
将伦敦第一方程代入麦克斯韦方程：
t ???
=×?B E (9.5)
可以得到：
t m e n t s ???=×???B *2s J (9.6)
伦敦兄弟从式（9.6）中选择出与初始条件无关的特殊形式：：
B J s *2
s m e n ?=×? (9.7)
称为伦敦第二方程。
考虑一维情形，设超导体占据x ≥0的空间，x ＜0
的区域为真空(如图9.3所示)。由式（9.7）结合麦克
斯韦方程，可以求得在超导体内，表面的磁感应强度
B 以指数形式迅速衰减为零。两个伦敦方程可以概括
零电阻效应和迈斯纳效应，并预言了超导体表面上的
磁场穿透深度λL 为：
2s 0e n μm*=L λ (9.8)
图9.3 磁场在超导体中的磁感应强
度分布和穿透深度
3、金兹堡－朗道理论
1950年金兹堡(V .L.Ginzberg)和朗道(https://www.360docs.net/doc/2010532794.html,ndau)将朗道的二级相变理论应用于超导体，对于在一个恒定磁场中的超导体行为给予了更为适当的描述，建立了金兹堡－朗道理论。该理论也能预言迈斯纳效应，并且还可以反映超导体宏观量子效应的一系列特征。1957年阿布里科索夫（A.A.Abrikosov ）对金兹堡－朗道方程进行了详细求解，提出超导体按照其磁特性可以分为两类。元素金属超导体主要是第一类超导体，Nb 等少数元素金属、多数合金及氧化物超导体为第二类超导体，它有上、下两个临界磁场。1959年戈科夫(L.P.Gorkov)从超导性的微观理论证明了金兹堡－朗道理论的正确性。
9.2.2 超导体的微观机制
二流体模型，伦敦方程和金兹堡－朗道理论作为唯象理论在解释超导电性的宏观性质方面取得了很大成功，然而这些理论无法给出超导电性的微观图像。20世纪50年代初同位素效应、超导能隙等关键性的发现为揭开超导电性之谜奠定了基础。
1、同位素效应
1950年麦克斯韦(E. Maxwell)和雷诺(C. A. Raynold)各自独立地测量了水银同位素的临界转变温度，发现随着水银同位素质量的增高，临界温度降低。对实验数据处理后得到原子质量M 和临界温度T c 有以下简单关系
=?c T M α常数 (9.9)
其中，α=0.50±0.03。这种转变温度T c 依赖于同位素质量M 的现象称为同位素效应。式中，离子质量M 反映了晶格的性质，临界温度T c 反映了电子性质，同位素效应把晶格
与电子联系起来，说明了电子－声子的相互作用与超导电性有密切关系。
人们发现导电性良好的碱金属和贵金属都不是超导体，其电子—晶格相互作用很微弱。而常温下导电性不好的材料，在低温却有可能成为超导体，此外临界温度比较高的金属，常温下导电性较差。这些材料的电子—声子相互作用强。因此弗洛里希(H. Frolich)提出电子—声子相互作用是高温下引起电阻的原因，而在低温下导致超导电性。
2、超导能隙
实验表明，当金属处于超导态时，超导态的电子能谱与正常金属不同，图9.8是T 为0 K的电子能谱示意图。它的显著特点是：在费米能E F附近出现了一个半宽度为△的能量间隔，在这个能量内不能有电子存在，人们把这个△叫做超导能隙，能隙大约是10-3～10-4电子伏特数量级。在绝对零度，能量处于能隙下边缘以下的各态全被占据，而能隙以上的各态则全空着，这就是超导基态。超导能隙的出现反映了电子结构在从正常态向超导态转变过程中发生了深刻变化，这种变化就是F.伦敦指出的“电子平均动量分布的固化或凝聚”。
图9.8 T=0K下的正常态和超导态电子能谱
3、库柏电子对
1956年库柏(L. N. Cooper)发现如果带电粒子的正则动量(机械动量与场动量之和)等于零，则可以从超导电流密度的基本关系J s=-n s e*V得到伦敦方程。由此可见，超导态是由正则动量为零的超导电子组成的，它是动量空间的凝聚现象。要发生凝聚现象，必须有吸引的作用存在。库柏证明：当电子间存在这种净的吸引作用时，费米面附近存在一个以动量大小相等而方向相反且自旋相反的两电子束缚态，记为(k↑，-k↓)；它的能量比两个独立的电子的总能量低，这种束缚态电子对称为库柏对。库柏对是现代超导理论的基础。
4、相干长度
皮帕德(A. B. Pippard)证明，当一个电子从金属的正常区移动到超导区时，其波函数不能从它的正常态值突然转变为超导态的值，这种转变只能发生在一个距离ξ上。库柏电子对并非局限在非常小的空间里，而是扩展在ξ～10-6m的空间宽度上，ξ称为超导态的相干长度，它描述了配对电子间的距离。相干长度ξ和穿透深度λ一样，也是超导体的特征参量。表9.1列举了一些有代表性的超导体的相干长度。
表9.1 几种物质在0K下的超导相干长度ξ
物 质 相干长度ξ/nm
物 质 相干长度ξ/nm Al 1600 Nb 38
Sn 210 Nb-Ti 30
Tl 270
5、BCS 理论
巴丁(J. Bardeen)、库柏(L. N. Cooper)和施瑞弗(J. R. Schrieffer)在1957年发表的经典性的论文中提出了超导电性量子理论，被称为BCS 超导微观理论。 他们的基本概念是超导发生的凝结是在动量空间的配对凝结，配对的状态是(K r ，
↑；-K r ，
↓ )。由于牵涉到的粒子数目很大，他们认为可以用平均场近似，每个(K , ↑；-K r ，↓)对态的占有状况只和其它('K r ，↑；-'K r ，↓)对态的占有率的平均值有关，所以他们在一个粒子数可变的巨正则系统中来处理这个问题。在对电子间的吸引作用作一定的简化以及假定费米面是各向同性后，他们得到弱耦合条件下的超导临界温度是：
)g(E 1exp(13.1T k F B V D c ?≈ωh (9.10)
式中ωD 为德拜频率、－V 为库柏对之间的相互作用参量、g(E F )为正常态时金属费米能E F 的状态密度、k B 为玻尔兹曼常数。
式（9.10）说明了超导临界温度T c 与ωD 、V 和g(E F )有关。ωD 高的材料，其T c 必然较高。因此，金属氢可能是高T c 的材料。由于ωD 与原子的质量M 的平方根成反比，所以BCS 理论能够解释同位素效应。电子间的有效吸引能为-V ，因此电子间的吸引作用越大，
其T c 越高。
这与弗洛里希的结论—在正常态下导电性差的材料，其T c 可能较高比较吻合。在E F 处的状态密度g(E F )高的材料，其T c 也越高。这就解释了马梯阿斯（B.T.Matthias ）经验法则：每个原子的平均价电子数为4.7或6.5的材料，其T c 较高。
由BCS 理论可以推证出基态和激发态之间的能隙△是T/T c 的函数。在T c 附近，能隙△可近似表达为：
2/1(1)(0(74.1)(c
c T T T T ?Δ≈Δ c T k .)(B 7610≈Δ
(9.11)
图9.9给出了)(c
T T Δ的计算结果。严格说来，图中的普适曲线只有在弱耦合的极限下才成立，但在大多数情况下，它仍是一个很好的近似。这个体系的能谱，或者说激发的准粒子的状态密度也有很大变化，在能隙的近旁它可以近似为：
图9.9 能隙对温度的依赖关系
??
???>?<=0 Δ(0)Δ 0, )(22F E E E g E E g
(9.12) 在有不太强的外磁场情况下，以BCS 理论可以推导出唯象理论给出的J 、λ(T)、ξ等的具体近似表达式。
BCS 理论虽然是对电子能态和电子间相互作用都做了很简化的模型假设推导出来的结果，但却和多数实验事实符合得很好。有许多实验可以直接或间接的推算出能隙的值甚至于激发态的状态密度的具体形式，对多种元素来说甚至连定量上都符合得相当好。说明BCS 理论的基本概念图象的确抓住了超导电性的本质：超导体中存在着多粒子的凝聚态波函数—它是某些多粒子状态的相位相干的叠加，具有振幅和相位，而且在宏观的距离内可以保持相位相干。库珀电子对扮演着类似于单个玻色子的角色。超导态是长程有序的状态，而能隙起着序参量的作用。
由于BCS 理论能够解释许多超导现象并与已有的超导理论共洽，因此BCS 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。后来又有了一些形式上的发展和完善，但基本思想和物理图像则没有更大的改变。直到1986年之后，出现了新的高温超导材料，BCS 理论才遇到了真正的挑战。
§9.3 第Ⅰ类超导体和第Ⅱ类超导体
9.3.1 两类超导体
超导体按其磁化特性可分为两类。第Ⅰ类超导体只有一个临界磁场H c ，其磁化曲线如图9.10所示。很明显在超导态，磁化行为满足M/H =-1，具有迈斯纳效应。除钒、铌、钽外，其他超导元素都是第Ⅰ类超导体。第Ⅱ类超导体有两个临界磁场，即下临界磁场H C1和上临界磁场H C2，如图9.10所示。当外磁场H 0小于H C1时，同第Ⅰ类超导体一样，
磁通被完全排出体外，此时，第Ⅱ类超导体处于迈斯纳状态，体内没有磁通线通过。当外场增加至H C1和H C2之间时，第Ⅱ类超导体处于混合态，也称涡旋态。这时体内有部分磁通穿过，体内既有超导态部分，又有正常态部分，磁通只是部分地被排出。
a —第Ⅰ类超导体；
b —第Ⅱ类超导体
图9.10 两类超导体的磁化曲线
9.3.2 混合态
1957年，阿布里科索夫提出了混合态结构的物理模型。当超导体处于混合态时，在正常区中的磁通量是量子化的，其单位为磁通量子Φ0=(h /2e )=0.20678×10-15Wb 。在正常区的能量正比于Φ2=n 2Φ20，因此一个磁通量为n Φ0的多量子磁通线束分裂成n 个单量子磁通线后，在能量上是有利的。第Ⅱ类超导体的混合态中，单量子磁通线组成了一个二维的周期性的磁通格子，理论和实验都得到磁通点阵是一个三角形排列。
孤立的量子磁通线结构如图9.11所示，每个磁通线只有一个正常的芯，芯的半径为相干长度ξ，磁通量子由环流的超导电流所维持，这个超导电流在距芯为λ的半径上衰减。如果在单位面积中有N 个量子磁通线，则超导体的磁感应强度为B =N Φ0，相邻两个磁通线之间的距离d 为
:
B
d 032Φ= (9.13) 随着外磁场B 的增加，磁通线间距d 缩短。第Ⅱ
类超导体在混合态时具有部分抗磁性。当外磁场增
加时，每个圆柱形的正常区并不扩大，而是增加正
常区的数目。达到上临界磁场H C2时，相邻的正常区
圆柱体彼此接触，超导区消失，整个金属变成正常
态。金属钡、铌、锝以及大多数合金或化合物超导
体都属于第Ⅱ类超导体。
9.3.3 界面能
超导体分为第Ⅰ类超导体和第Ⅱ类超导体的关键
是超导态和正常态之间存在界面能。超导态与正常态
界面能的起源来自界面上凝聚能与磁能的竞争。当超导体的相干长度ξ大于磁场穿透深图9.11 孤立的量子磁通线结构
度λ时，界面能为正值，表明超导态－正常态界面的出现使体系的能量上升，因此将不会出现超导态与正常态共存的混合态，因此这类超导体从超导态向正常态过渡时不经过混合态，被称作第Ⅰ类超导体。另一种超导体的ξ＜λ，界面能为负值，表明超导态—正常态界面的出现对降低体系的能量有利，体系中将出现混合态，这类超导体被称作第Ⅱ类超导体。在T c 附近，由金兹堡—朗道理论可以得到:
(T)eH (T)λ2ξλc 2L L h
==κ (9.14) 利用金兹堡—朗道方程计算界面能可以得到： 21
<κ时，界面能σns ＞0，为第Ⅰ类超导体；21
>κ时，σns ＜0，为第Ⅱ类超导体。 只有当临界温度、临界磁场和临界电流三者都高时，超导体才有实用价值。第Ⅰ类超导体的临界磁场(μ0H C )较低，一般在0.1T 量级，因此第Ⅰ类超导体的应用十分有限。目前有实用价值的超导体都是第Ⅱ类超导体，因为第Ⅱ类超导体的上临界磁场很高，如Nb 3Sn 的上临界磁场μ0H C2超过20T ，明显地高于第Ⅰ类超导体。在第Ⅱ类超导体中引入各种尺寸与相干长度ξ接近的缺陷，如第二相的沉淀、化学杂质、大量空位、位错群等，对磁通线有钉扎作用，能够有效地提高临界电流，这些缺陷被称作钉扎中心。引入具有强钉扎作用的缺陷可以大幅度提高超导体的临界电流密度。
§9.4 超导隧道效应
考虑被绝缘体隔开的两个金属，如图9.12所示。绝缘体通常对于从一种金属流向另一种金属的传导电子起阻挡层的作用。如果阻挡层足够薄，则由隧道效应，电子具有相当大的几率穿越绝缘层。当两个金属都处于正常态，夹层结构(或隧道结)的电流－电压曲线在低电压下是欧姆型的，即电流正比于电压，如图9.13所示。1960年贾埃弗(I. Giaever)首先发现如果金属中的一个变为超导体时，即形成正常金属（normal metal ）－绝缘体(insulator)－超导体(superconductor)(NIS)结时，电流－电压的特性曲线由图9.13(a)的直线变为图9.13(b)的曲线。
约瑟夫逊(B. D. Josephson)1962年提出，由于库珀电子对的隧道效应，超导体－绝缘体－超导体(SIS)结在电压为零时也会有超导电流；如在结上加上电压V ，会出现频率为2eV/的交流超导电流。不久实验便证实了他的预言。
h
图9.12 正常金属N 、绝缘层I 和超导 a —被氧化层隔开的正常金属结构的电流－电压曲线；
体S 组成的结 b —被氧化层隔开的正常金属与金属超导体结构的电
流－电压曲线
图9.13 不同情形下的电流－电压曲线
9.4.1直流约瑟夫逊效应
如图9.14所示，设超薄绝缘层两侧的超导体的波函数分别为：
)exp(i n );exp(i n 222111?ψ?ψ== （9.15）
其中n 1、n 2,为超导体S 1、S 2中的电子密度；21??,为超导体S 1、S 2中波函数的相位。
图9.14 在约瑟夫森结两边超导态波函数的耦合
当两块超导体分得很开，每块都可以有自己独立的位相，当两块超导体接近，中间有一定的弱连接时，它们的电子对波函数可穿过弱连接而耦合，系统将由于这个耦合而降低能量。有以下两个方程：
2111K ψψE t ψi +=??h
（9.16） 1222K ψψE t ψi +=??h （9.17）
其中K 为超导态之间的耦合系数。如两边的超导体都处于零电位，即E 1=E 2。
将式代入式，再分别取实、虚部，有以下等式：
)sin(n n K 2t n t n 212121???=???=??h
（9.18）
?????????=????=??(b)
)cos(n n K
t (a))cos(n n K 1221212121??????h h t （9.19） 式（9.18）是系统电荷守恒定律的表示式。说明超导体S 1中库柏对的增加是由于超导体S 2中的库柏对减少的缘故。式（9.19）是超导体中相位变化的关系。
当n 1=n 2=n s ; 12????=时，通过约瑟夫逊结的超导电流密度为：
???sin sin K en 4sin n n eK 4t n e 2s 210J J s ===??=h
h （9.19） 相位方程为：
0=??t ? （9.20） 这表明结两边的超导态的相位不能各自独立变化，必须维持相位差不随时间变化。 依照约瑟夫逊的预言，处于超导体S 1和S 2之间的极薄的绝缘体可以让超导电流通过而不出现电阻。，其允许通过的最大电流为密度为J 0。在他预言几个月后，P.W.Anderson 和J.M.Rowell 便在研究Sn-SnO x -Sn 隧道结电流－电压特性的实验中验证了约瑟夫逊的预言。
9.4.2 交流约瑟夫逊效应
如果在超导隧道结两端加上直流电压V ，两边波函数与时间有关的项会有所不同，相互干涉就会产生交变的电流。如令：
eV 2E E 12=?
（9.21）
此时，式（9.18）依然有效，而式（9.19）变为： ??????????=?????=??(b)
)cos(n n K E t (a))cos(n n K E 122122121211??????h h t （9.22） 当n 1=n 2=n s 时，相位差12????=满足方程：
h V 2e t =??? （9.23）
因此，在超导隧道结两端加上直流电压V 后，隧道结两端超导态波函数的相位差为：
0V
2??+=h e （9.24）
将此式代入式（9.19），有：
)t eV
2sin(00?+=h J J s （9.25）
交变电流的频率ν为：
V K h eV
J ==2ν (9.26)
式中K J 为约瑟夫逊常量。如外加电压为1μV ，则在隧道结上产生的电流的振荡频率为483.6MHz 。式(9.26)说明当库柏电子对穿过隧道结时，会放出能量为h ν=2eV 的光子。这个效应可以被用来进行h/e 的精确测量，也可以用来进行电压的精确测量。1988年国际计量组织建议从1990年1月1日起在世界范围使用约瑟夫逊电压标准，取代用标准电池维持的实物标准。
如果在超导隧道结两端在加有直流电压的同时施加一个射频电压，则在结两端能产生一个直流电流。图9.15给出了在直流和交流电压下流与准粒子隧道电流，结两侧的导体都处于正常态
时的隧道电流的比较。虚线表示在微波场下诱发的
台阶。台阶的大小是ΔV =h ν/2e 。微波诱发的电压
台阶是上述直流电压产生交变超导电流的效应的另
一种表现。有时又叫夏皮罗
(Shapiro)效应。图9.15 夏皮罗台阶 SIS 结的零电压下最大约瑟夫逊电
磁场对超导相位的调制作用
导隧道结上加一个外磁，在结平面
上的由于存在磁场，超导体1和2两点之间的相位差增量为：
9.4.3如果在超场超导态波函数的位相便会受到磁场的空间调制。如图9.16(a)所示，超导隧道结平面在xy 面，绝
缘层厚度为2a ，磁场沿x 方向。在绝缘层及其两侧各
厚度为λL 的区间有磁场穿透。
k A i i B y B ;H B 0===000μQ
∫∫+==?=Δ∴2
2λ2a y B 2e
dz A 2e )(d e 22l A ?1L 0z 1h h h （9.27）
流过结的超导电流密度为：
sin[=J J )](L 002λ2a y B 2e
0++h ?s （9.28）
表明通过结的电流密度沿y 轴方向，Js 随y 呈正弦变化。 通过结的超导电流密度为：
0002
/2/2/2/sin )()sin(dxdy ?ππ/ΦΦ/ΦΦj j o d d b b s s I J I ==
∫∫?? （9.29）
式中：e
2h bd;==0ΦJ I 00为磁通量子，)a (Φj L B λ220+=为穿过结区的磁通量。式（9.29）表明，流过超导隧道结的超导电流受到结区的磁通量Φj 的调制。每当Φj 是磁通量子Φ0的整数倍时，就不会有超导电流通过超导隧道结区。如图9.16（b ）所示。
图9.16 超导电流受外磁场B J
S I 0调制
（a ）磁场沿结平面穿过约瑟夫森结； (b)Sn-I-Sn 结的极大超导电流作为磁场的函数 9.4.4 超导量子干涉
如果把两个超导隧道结并联成一个回路，如图9.17(a)所示。在每一支路上有一个弱连接，分别记作a 和b 。a 和b 是两个点接触弱连结，回路的其余部分是超导体。通过这一并联双结回路的最大超导电流I 是回路所包括的磁通量Φ的周期函数。
设磁场垂直于环的平面，绕环一周超导电流的相位差为：
2n πΦ2e a b =?+=?+?=Δ∫?????h h a b d e 2l A （9.30）
式中，b a ??、分别是超导电流通过a 和b 结的相位差。n 为任意整数。
如令n=0，则a 和b 结的相位差分别为：
0000ΦΦ?=ΦΦ+=π??π??b a ; （9.31）
故通过a 和b 结的超导电流分别为：
???
????ΦΦ?==ΦΦ+==)sin(sin )sin(sin 00000000π??π??b b b b a a a a I I I I I I （9.32）
如令I a0=I b0=I s (0)，则通过结区的超导总电流为： cos(sin )0(200ΦΦπ?s b a s I I I I =+= （9.33）
式（9.33）表明，通过并联双结的两路超导电流的相位受到环中的磁通量Φ的调制，并发生相位干涉，使总电流也受到环中的磁通Φ的调制。当Φ是Φ0的整数倍时，总电流达到最大值。图9.17(b)是并联双结的实验结果。可以看到这里有两个周期，大的周期是由结中的磁通量ΦJ =B 0(2a +2λL )d 产生的，而小的周期是由环中的磁通量Φ=B 0S 产生的。显然，ΦJ 比Φ小许多，因此结区的磁通量的调制作用引起的振荡频率比超导环内的磁通量引起的振荡频率小得多。故结区磁通量的调制作用表现为曲线得包络。这是超导量子干涉仪(Superconducting Quantum Interference Device ，简写为SQUID)。图9.17中所示的量子干涉仪叫直流SQUID 。也可以做只有一个弱连接的回路，可在交流条件工作，称为射频SQUID 。双结SQUID ，可以探测10-13T 的弱磁场，而单结SQUID ，则可以探测10-15T 的弱磁场。约瑟夫逊结的IV 特性在适当的偏压下可以用来做信号检波或混频、参数放大等。也可利用约瑟夫逊效应来做计算元件和存贮元件。
图9.17 双结的量子干涉现象
(a)两个并联的约瑟夫森结；(b)一对蒸发薄膜约瑟夫森结的最大电流，显示有干涉和衍射效应
§9.5 低温超导体
大多数元素、合金和化合物超导体的超导转变温度较低（T c＜30K），其超导机理基
本上能在BCS理论的框架内进行解释，因而通常又被称为低温超导体或传统超导体。
9.5.1 元素超导体
已发现的元素超导体近50种，如图9.18所示。在常压下有28种元素具有超导电
性，如表9.2所示。除一些元素在常压及高压下具有超导电性外，另一部分元素在经过
特殊工艺处理(如制备成薄膜，电磁波辐照，离子注入等)后显示出超导电性。其中Nb的
T c最高(9.2K)，与一些合金超导体相接近，而制备工艺要简单得多。Nb膜的T c对氧杂质
十分敏感，因而在超高真空(氧分压＜10-6Pa)条件下，才能制备优良的Nb薄膜。
9.5.2 合金及化合物超导体
具有超导电性的合金及化合物多达几千种，真正能够实际应用的并不多。表9.3列
出了一些典型合金及化合物的T c(最大值)。其中A—15超导体Nb3Sn是20世纪50年代马
梯阿斯首次发现的。在1986年以前发现的超导体中，这类化合物中的T C居于领先地位，
它们之中临界温度最高的是Nb3Ge薄膜，为23.2K。此外，C—15超导体的临界温度约
10K，上临界场H C2(约1.6×107A/m)高于超导合金NbTi，而在力学性质方面优于Nb3Sn，
易于加工成型，中子辐照对它的超导电性影响较小，因而是目前受控热核反应
表9.2 超导元素的临界温度和0K时的临界磁场
元素T c(K) H c(Oe) 元素T c(K) H c(Oe)
Rh 0.0002 Al 1.174 99
W 0.012 α-Th 1.37 162 Be 0.026 Pa 1.4 Ir 0.14 19 Re 1.7 193 α-Hf 0.165 Tl 2.39 171 α-Ti 0.49 56 In 3.416 293 Ru 0.49 66 β-Sn 3.72 309 Cd 0.515 30 α-Hg 4.15 412 Os 0.65 65 Ta 4.43 830 α-U 0.68 V 5.3 1020 α-Zr 0.73 47 β-La 5.98 1600 Zn 0.844 52 Pb 7.201 803 Mo 0.92 98 Tc 8.22 1410 Ga 1.1 59 Nb 9.26 1950
图9.18 周期表中的超导元素
用高场超导磁体的理想材料。B1型化合物超导体是碳C、氮N、氧O等元素与Ⅲb、Ⅳb、ⅤB和Ⅵb族过渡元素结合成具有氯化钠(NaCl)结构的物质。其中重要的有NbN及NbC x N1-x、MoN等。NbN有比较优异的热稳定性和较高机械强度，而且能在低温下生长成薄膜，具有抗中子辐照的优点，已制成可靠性高的约瑟夫逊器件。同时，这种晶轴取向一致的微晶薄膜H C2高达43T，可以与A15化合物超导材料的最大值媲美。
表9.3 一些合金及化合物的临界温度
化合物结构类型对称性T C/K
Nb0.75Zr0.25A-2 立方 11.0
Nb0.75Ti0.25A-2 立方 10.0
Nb3Ge A-15 立方 23.2
Nb3Sn A-15 立方 18.0 (Hf0.5Zr0.5)V2C-15 立方 10.1 NbTc3A-12 立方 10.5
Vru B-2 立方 5.0
RhZr2C-16 四角 11.1
ZrRe2C-14 六角 6.4 Mo0.38Re0.62D-8b 四角 14.6
NbRe3L-I2立方 15-16
BiNi B-81六角 4.25
GeIr B-31 斜方 4.70
Ge2Y C c四角 3.8
RhZr3E-93立方 11.0
NbGe2C-40 六角 15.0
AuSn4D-1c斜方 2.38
NbN B-1 立方 15
MoN B-1 立方 29
NbC B-1 立方 11.6
三元系化合物超导材料主要有硫系化合物超导材料和氧化物超导材料。前者如PbMo6S8、CuMo6S8，后者如BaPb1-x Bi x O3等。PbMo6S8是具有最高H C2(60T，0K)的超导材料，可用溅射法在低温下制备PbMo6S8超导薄膜；用蒸发法或溅射法制备CuMo6S8超导薄膜。BaPb1-x Bi x O3是BaPb6O3和BaBiO3形成的固熔体，具有钙钛矿晶体结构。x在0.05和0.3之间出现超导性，当x=0.3时，T c的最大值为13K。因为这种材料是氧化物，所以在氧气氛中稳定性极好，可制高稳定性的约瑟夫森器件。
9.5.3 其他类型的超导体
1、金属间化合物超导体
早在20世纪70年代，菲狄革(Feitig)等人就报道了稀土－过渡族元素－硼所组成的金属间化合物的超导电性，如ErRh4B4(T c=8.7K)、TmRh4B4(T c=9.86K)和YRh4B4(T c=11.34K)。这类金属间化合物超导体中以铅钼硫(PbMo6S8)的超导转变温度最高，T c达14.7K。1993年2月，马扎丹(C. Mazumdan)等制备出YNi4B超导体，它的超导转变温度为12K，具有CeCo4B型结构，晶格参数为a=1.496nm和c=0.695nm。同年9月，纳戈瑞金(R. Nagarajan)等人在Y-Ni-B体系中加入了C，制备出了YNi2B3C0.2，使超导转变温度提高到13.5K，晶体属六角密排型结构，晶格参数为a=0.4982nm和c=0.6948nm。1994年1月贝尔实验室的卡瓦(Cava)等人制备出了YNi2B3C超导体，其超导转变温度又提高到16.6K。2001年4月，日本科学家制备的MgB2金属间化合物，超导转变温度提高到39K。早期认为磁有序性和超导电性是两种对立的特性。但1977年人们发现ErRh4B4和HoMo6S6在低温下可以从超导态转变到铁磁态。随后又发现La系、Ac系都存在超导电性和铁磁性的相互转变的现象。这些材料称为磁性超导体。如铁磁态转化温度为T m。则当T c> T m,超导态与铁磁态不能共存；而T c< T m，超导态与铁磁态可以共存。
2、有机超导体和碱金属掺杂的C60超导体
第一个被发现的有机超导体是(TMTSF)2PF6，尽管这种有机盐的超导转变温度只有0.9K，但是有机超导体的低维特性、低电子密度和电导的异常频率关系引起了人们的注意，有机超导体的发现预示了一个新的超导电性研究领域的出现。随后，新的有机超导体(BEDT－TIF)2ReO4被合成，它的超导转变温度T c为 2.5K。此后又有一些新的有机超导体陆续被发现，如κ-(BEDT-TTF)2Cu(NCS)2，其超导转变温度10.4K；κ-(BEDT-TTF)2Cu[N(NC)2]Br，超导转变温度12.4K；κ-(BEDT-TTF)2Cu[N(NC)2]Cl在300MPa压强下的超导转变温度12.8K。
C60的结构如图1.17所示。当在C60中掺入碱金属(如K，Na，Rb，Cs)时，人们发现只在一些特定的成分上才能形成有富勒烯结构，如K3C60和K6C60。K3C60是T c～20K的超导体，而K6C60是绝缘体。通过与各种碱金属原子的结合，A x C60的超导转变温度已从最初的18K提高到30K以上。目前在众多的A x C60化合物中，超导转变温度最高的是RbCs2C60，T c=33K。2000年11月，美国贝尔实验室的希恩(J. H. Schon)等人在C60中实现了空穴掺杂，并把超导温度T c提高到52K。
3、重费米子超导体
重费米子超导体CeCu2Si2是斯泰格里希(Steglich)在20世纪70年代末首先发现的，它的超导转变温度只有0.7K。这类超导体的比热测量显示其低温电子比热系数γ非常
大，是普通金属的几百甚至几千倍。由此可以推断这类超导体的电子有效质量m*比自由电子(费米子)的质量重几百甚至几千倍，由此被称为重费米子超导体。目前有关重费米子超导体的超导机制尚不清楚。尽管目前发现的一些重费米子超导体如UB13、UPt3、UPu2Si等的转变温度都比较低，在1K以下，但是对重费米子超导体的研究，对于超导电性机制研究有特别重要的意义。人们发现了一族新的重费米子超导体其中包括UNi2Al3和UPd2Al3，前者的T c是1K而后者的T c为2K。根据电子比热系数γ～150mJ/(mol·K2)的结果，计算得到有效质量m*/m0≈65～70。
4、其他系列超导体
人们还发现了一系列新结构的超导体，如超晶格超导体、非晶态超导体、等。用人工方法控制晶态材料的结构周期而制成的超导体称为超晶格超导体，如NbGe、NbCu、Vag、VNi等。有趣的是Au不是超导体、Cr是反铁磁体，但AuCrAu超晶格薄膜却是超导体，T c为1～3K。将非超导体材料制成非晶态薄膜后有可能成为超导体，如Bi不是超导体，但Bi的非晶态薄膜却是超导体，T c为6.1K。
§9.6 高温超导体
9.6.1 寻找高临界温度超导材料之路
1932年发现T c为11K的NbC，1941年发现T c为15K的NbN，1953年发现T c为17K的NbN0.7C0.3，这些都是具有NaCl结构或B-1结构的材料，可以说是第一代高T c超导材料。1953年发现T c为17K的V3Si，1954年发现T c为18K的Nb3Sn，1973年发现T c为23.2K的Nb3Ge，这些都是具有β－钨结构或A15结构的材料，可以说是第二代的高T c超导材料。从1973年到1986年，Nb3Ge一直是T c最高的材料。围绕寻找高T c超导材料，对固体中电子—声子作用、低维固体的理论等方面进行了大量的研究工作。
1964年发现了氧化物超导材料SrTiO3-x；1965年发现了Na x WO3；1973年发现了Li1-x Ti2-x O4；1975年发现了T c～13K的BaPb1-x Bi x O3。1986年4月，贝德诺兹和缪勒观察到在La-Ba-Cu-O化合物中，近于35K时就出现超导转变的迹象，但零电阻是在～12K才得到的。随后他们又实验证明了材料有迈斯纳效应。这一发现不仅打破了当时具有A15结构的超导体的超导转变温度23.2K的最高纪录，更重要的是在人们面前展现了一种具有新型结构的氧化物超导材料。正是由于他们开创性的工作，在世界范围内掀起了一场超导热浪，并为这一领域中带来突破性进展。美国、中国和日本的科学家随即都发现La2-x Sr x CuO4有比La2-x Ba x CuO4更高的T c。
1987年2月，美国休斯敦大学的朱经武教授宣布找到了T C～93K的氧化物超导材料。同月21日和23日，中国科学院物理所赵忠贤、陈立泉和日本的S. Hikami等人也都独立地发现Y-Ba-Cu-O化合物的T c～90K。中国学者率先公布了超导材料的化学成份。
1987年底，马依达(H. Maeda)等人发现Bi-Sr-Ca-O化合物系列有～115K的高T c相。随后证实了它的组成是Bi2Sr2Ca2Cu3O10+x。同时，盛正直和赫曼(Z. Z. Sheng, A. H. Hermann)发现Tl-Ba-Ca-Cu-O化合物系列，后来，在T1系中得到了T c～125K的相，并证
实其组成是Tl2Ba2Ca2Cu3O10+y。
La－基，Y－基，Bi－基和T1－基这四种高TC氧化物超导材料都是铜氧化物，而且导电类型都是空穴型的。1988年发现了电子型导电的铜氧化物超导材料Na2-x Ce x CuO4和Nb2-x-y Ce x Sr y CuO4，以及非铜氧化物材料Ba1-x K x BiO3。
1993年5月司麒麟(A. Schilling)和普特林(S. N. Putilin)等人又成功地合成了HgBa2Ca2Cu3O8＋δ（Hg-1223）超导体，其T c达134K。朱经武等将Hg-1223相加压至45Gpa，其T c达到了164K。
图9.19列示了人类探索提高超导转变温度的历程。
图9.19 提高超导转变温度（T c）的历史进程
（图中标出了几种通用冷冻剂的沸点，“*”指高压下）
9.6.2 高温超导体的结构与性质
到目前为止，已经发现了三代高温超导材料，第一代为镧系高温超导材料，第二代为钇系高温超导材料，第三代为铋系、铊系及汞系高温超导材料。高温超导体的材料体系中的超导相如表9.4所示。
从高温超导体结构的公共特征来看，都具有层状的类钙钛矿型结构组元，整体结构分别由导电层和载流子库层组成，导电层是指分别由Cu-O6八面体、Cu-O5四方锥和Cu-O4平面四边形构成的铜氧层，这种结构组元是高温氧化物超导体所共有的，也是对超导电
性至关重要的结构特征，它决定了氧化物超导体在结构上和物理特性上的二维特点。超导主要发生在导电层(铜氧层)上。其他层状结构组元构成了高温超导体的载流子库层，它的作用是调节铜氧层的载流子浓度或提供超导电性所必需的耦合机制。导电层(CuO 2面或CuO 2面群)中的载流子数由体系的整个化学性质以及导电层和载流子库层之间的电荷转移来确定，而电荷转移量依赖于体系的晶体结构、金属原子的有效氧化态，以及电荷转移和载流子库层的金属原子的氧化还原之间的竞争来实现。
表9.4 高温氧化物超导体的种类和结构
高温超导体的点阵常数a 和b 都接近0.38nm ，这一数值是由结合较强的Cu-O 键的键强所决定的。而载流子库层的结构则根据来自Cu-O 键长的限制作相应的调整，这正是载流子库层往往具有更多的结构缺陷的原因。
1、镧系高温超导体
具有K 2NiF 4结构的La 2-x M x CuO 4(M=Sr,Ba)是由La 2CuO 4掺杂得到的。其特点是有准二维的结构特征。图9.20给出了La 2-x Sr x CuO 4结构示意图。晶体结构属四方晶系，空间群为－I 174h D 4／mmm ，每个单胞化合式单位为2，即每个单胞包含4个(La ，M)、2个Cu 和8个O 。晶格常数a=0.38nm 和c=1.32nm 。由于Jahn-Teller 畸变，二价铜离子是四方拉长的，即铜离子周围在a-b 平面上有四个短的Cu-O 键，另外两个长的Cu-O 键沿c 轴方向。纯的La 2CuO 4是不超导的，有过量氧的La 2CuO 4+δ却是超导体。另外，当部分La 3+离子被二价的Sr 2+和Ba 2+所替代时才显示出超导性质，超导转变温度在20～40K 之间，取决于掺杂元素M 和掺杂浓度x ，La 2-x Sr x CuO 4的相图如图9.21所示。
当温度从室温降低时，La 2-x M x CuO 4发生位移型相变，由四方相转变为正交相，相
※超导简介与超导材料的历史
神奇的超导：超导简介与超导材料的历史 神奇的超导 罗会仟周兴江 一、什么是超导？ 电阻起源于载流子（电子或空穴）在材料中运动过程中受到的各种各样的阻尼。按照材料的常温电阻率从大到小可以分为绝缘体、半导体和导体。绝大部分金属都是良导体，他们在室温下的电阻率非常小但不为零，在10－12 mΩ?cm量级附近。自然界是否存在电阻为零的材料呢？答案是肯定的，这就是超导体。当把超导材料降到某个特定温度以下的时候，将进入超导态，这时电阻将突降为零（图1），同时所有外磁场磁力线将被排出超导体外，导致体内磁感应强度为零，即同时出现零电阻态和完全抗磁性。超导态开始出现的温度一般称为超导临界温度，一般定义为Tc。微观上来说，当超导材料处于超导临界温度之下时，材料中费米面附近的电子将通过相互作用媒介而两两配对，这些电子对将同时处于稳定的低能组态，叫“凝聚体”。在外加电场驱动下，所有电子对整体能够步调一致地运动，因此超导又属于宏观量子凝聚现象。对于零电阻态，实验上已经证实超导材料的电阻率小于10－23 mΩ?cm，在实验精度允许范围内已经可以认为是零。如果将超导体做成环状并感应产生电流，电流将在环中流动不止且几乎不衰减。超导体的完全抗磁性并不依赖于超导体降温和加场的次序，也称为迈斯纳（Meissner）效应。一个材料是否为超导体，零电阻态和完全抗磁性是必须同时具有的两个独立特征。
超导态下配对的电子对又称库珀（Cooper）对。配对后的电子将处于凝聚体中，打破电子对需要付出一定的能量，称为超导能隙，它反映了电子间的配对强度。一般来说，超导态在低外磁场及低温下是稳定的有序量子态。超导体的一系列神奇特性意味着我们可以在低温下稳定地利用超导体，比如实现无损耗输电、稳恒强磁场和高速磁悬浮车等。正因如此，自从超导发现以来，人们对超导材料的探索脚步一直不断向前，对超导微观机理和超导应用的研究热情也从未衰减。随着对超导研究的深入，一系列新的超导家族不断被发现，它们展现的新奇物理现象也在不断挑战人们对现有凝聚态物理的理解，同时实验技术手段也因此得以加速进步，理论概念更是取得了诸多飞跃。已逾百年的超导研究，在诸多科学家的推动下，依旧不断展示新的魅力！ 金属Hg在4.2K以下的零电阻态
超导材料
一、超导材料 有些材料当温度下降至某一临界温度时，其电阻完全消失，这种现象称为超导电性，具有这种现象的材料称为超导材料。超导体的另外一个特征是：当电阻消失时，磁感应线将不能通过超导体，这种现象称为抗磁性。一般金属（例如：铜）的电阻率随温度的下降而逐渐减小，当温度接近于0K时，其电阻达到某一值。而1919年荷兰科学家昂内斯用液氦冷却水银，当温度下降到4.2K（即-269℃）时，发现水银的电阻完全消失，超导电性和抗磁性是超导体的两个重要特性。使超导体电阻为零的温度称为临界温度（TC）。超导材料研究的难题是突破“温度障碍”，即寻找高温超导材料。以NbTi、Nb3Sn为代表的实用超导材料已实现了商品化，在核磁共振人体成像（NMRI）、超导磁体及大型加速器磁体等多个领域获得了应用；SQUID作为超导体弱电应用的典范已在微弱电磁信号测量方面起到了重要作用，其灵敏度是其它任何非超导的装置无法达到的。但是，由于常规低温超导体的临界温度太低，必须在昂贵复杂的液氦(4.2K)系统中使用，因而严重地限制了低温超导应用的发展。高温氧化物超导体的出现，突破了温度壁垒，把超导应用温度从液氦（4.2K）提高到液氮（77K）温区。同液氦相比，液氮是一种非常经济的冷媒，并且具有较高的热容量，给工程应用带来了极大的方便。另外，高温超导体都具有相当高的磁性能，能够用来产生20T以上的强磁场。超导材料最诱人的应用是发电、输电和储能。利用超导材料制作超导发电机的线圈磁体制成的超导发电机，可以将发电机的磁场强度提高到5~6万高斯，而且几乎没有能量损失，与常规发电机相比，超导发电机的单机容量提高5~10倍，发电效率提高50%；超导输电线和超导变压器可以把电力几乎无损耗地输送给用户，据统计，目前的铜或铝导线输电，约有15%的电能损耗在输电线上，在中国每年的电力损失达1000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发电厂；超导磁悬浮列车的工作原理是利用超导材料的抗磁性，将超导材料置于永久磁体（或磁场）的上方，由于超导的抗磁性，磁体的磁力线不能穿过超导体，磁体（或磁场）和超导体之间会产生排斥力，使超导体悬浮在上方。利用这种磁悬浮效应可以制作高速超导磁悬浮列车，如已运行的日本新干线列车，上海浦东国际机场的高速列车等；用于超导计算机，高速计算机要求在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产生大量的热量，若利用电阻接近于零的超导材料制作连接线或超微发热的超导器件，则不存在散热问题，可使计算机的速度大大提高。 二、能源材料 能源材料主要有太阳能电池材料、储氢材料、固体氧化物电池材料等。太阳能电池材料是新能源材料，IBM公司研制的多层复合太阳能电池，转换率高达40%。氢是无污染、高效的理想能源，氢的利用关键是氢的储存与运输，美国能源部在全部氢能研究经费中，大约有50%用于储氢技术。氢对一般材料会产生腐蚀，造成氢脆及其渗漏，在运输中也易爆炸，储氢材料的储氢方式是能与氢结合形成氢化物，当需要时加热放氢，放完后又可以继续充氢的材料。目前的储氢材料多为金属化合物。如LaNi5H、Ti1.2Mn1.6H3等。固体氧化物燃料电池的研究十分活跃，关键是电池材料，如固体电解质薄膜和电池阴极材料，还有质子交换膜型燃料电池用的有机质子交换膜等。 三、智能材料 智能材料是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料，是现代高技术新材料发展的重要方向之一。国外在智能材料的研发方面取得很多技术突破，如英国宇航公司的导线传感器，用于测试飞机蒙皮上的应变与温度情况；英国开发出一种快速反应形状记忆合金，寿命期具有百万次循环，且输出功率高，以它作制动器时、反应时间仅为10分钟；形状记忆合金还已成功在应用于卫星天线等、医学等领域。另外，还有压电材料、磁致伸缩材料、导电高分子材料、电流变液和磁流变液等智能材料驱动组件材料等功能材料。 四、磁性材料 磁性材料可分为软磁材料和硬磁材料二类。1．软磁材料是指那些易于磁化并可反复磁化的材料，但当磁场去除后，磁性即随之消失。这类材料的特性标志是：磁导率（μ=B/H）高，即在磁场中很容易被磁化，并很快达到高的磁化强度；但当磁场消失时，其剩磁很小。这种材料在电子技术中广泛应用于高频技术。如磁芯、磁头、存储器磁芯；在强电技术中可用于制作变压器、开关继电器等。目前常用的软磁体有铁硅合金、铁镍合金、非晶金属。Fe-(3%~4%)Si的铁硅合金是最常用的软磁材料，常用作低频变压器、电动机及发电机的铁芯；铁镍合金的性能比铁硅合金好，典型代表材料为坡莫合金（Permalloy），其成分为79%Ni-21%Fe，坡莫合金具有高的磁导率（磁导率μ为铁硅合金的10~20倍）、低的损耗；并且在弱磁场中具有高的磁导率和低的矫顽力，广泛用于电讯工业、电子计算机和控制系统方面，是重要的电子材料；非晶金属（金属玻璃）与一般金属的不同点是其结构为非晶体。它们是由Fe、Co、Ni及半金属元素B、Si所组成，其生产工艺要点是采用极快的速度使金属液冷却，使固态金属获得原子无规则排列的非晶体结构。非晶金属具有非常优良的磁性能，它们已用于低能耗的变压器、磁性传感器、记录磁头等。另外，有的非晶金属具有优良的耐蚀性，有的非晶金属具有强度高、韧性好的特点。2．永磁材料（硬磁
传统超导体简介
2014年5月24日 传统超导体简介 LH·ZW 摘要：如今超导体在社会生产中扮演着越来越重要的作用，不管是急速发展着的电子工业 还是磁悬浮列车的发展都与超导体的发展息息相关。并且一直以来有着神秘色彩超导体在我们心目中都是高端得遥不可及的，而当今社会的发展却因之而大放异彩，所以对于超导体的机制及其应用我们还是应该学习的。 关键词：电磁学超导体零电阻现象迈斯纳效应超导发电磁悬浮列车 引言 超导体与电磁相关原理不无关系。超导体没有电阻是一材料宏观表现出来的性质，并且在我们现有的认知当中，当温度到达（升高或降低）该材料的某一临界值时，其温度会变为让人们一直以来都不为理解且震惊的零值，即是不可思议的没有电阻现象。且超导的最具特点与价值的是其完全导电性和完全抗磁性，由此使得其在社会生活生产中扮演着重要的角色。 一．超导体分类 现在对于超导体的分类并没有统一的标准，通常的分类方法有以下几种： ?通过材料对于磁场的相应可以把它们分为第一类超导体和第二类超导体：对于第一类超导体只存在一个单一的临界磁场，超过临界磁场的时候，超导性消失；对于第二类超导体，他们有两个临界磁场值，在两个临界值之间，材料允许部分磁场穿透材料。 ?通过解释的理论不同可以把它们分为：传统超导体（如果它们可以用BCS理论或其推论解释）和非传统超导体（如果它们不能用上述理论解释）。 ?通过材料达到超导的临界温度可以把它们分为高温超导体和低温超导体：高温超导体通常指它们的转变温度达到液氮温度（大于77K）；低温超导体通常指它们需要其他特殊的技术才可以达到它们的转变温度。 ?通过材料可以将它们分为化学材料超导体比如：铅和水银；合金超导体比如：铌钛合金；氧化物超导体,比如钇钡铜氧化物；有机超导体,比如：碳纳米管。 二．一般超导体（即第一类超导体）的微观机制 1.电阻成因：很多宏观现象可以从微观领域中得到解释。电流是导体中电子的定向移动。电子在原子间移动时，由于电子与原子核间的电磁力的作用，会引起原子振动。众所周知，在正常导体中，一些电子没有被束缚到个别原子上，而是可以通过正离子的晶格自由运动。而电流通过晶格运动时），特别是金属中电子与晶格缺陷碰撞散射，以及在运动过程中其会与晶格振动相互作用而带来宏观上的电阻现象（1）（2）。这就是电阻的成因。 2.超导形成：由电阻成因知我们欲形成超导则要使得那电磁力的作用得到消除进而使得原子消除振动，从而使得电阻为零形成超导。并且由科学研究知在低温下核外电子运转速率
超导材料的主要应用
超导材料的主要应用 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。下面是有关于超导材料的主要应用的内容，欢迎阅读。 油田超导热洗技术的应用及效果分析【摘要】油井热洗清蜡是保证油井正常生产，是改善井下杆管泵工作环境的重要手段之一。常规热洗清蜡技术存在几方面的问题：1、是常规热洗含水恢复期长，对产量影响较大。2、是常规热洗容易污染地层。3、常规热洗动用车辆多，笨重，成本高。超导热洗工艺弥补了常规热洗的不足，取得了良好的效果。【关键词】油井清蜡超导热洗效果对比 1超导热洗简介 超导热洗工艺技术原理 超导加热器(俗称清蜡机)是油田抽油井洗井清蜡的专用设备。它采用超导传热技术，用油井套管气(天然气)或柴油为热源，将油井产出液(或其它井补充液或水)加热成高温蒸气(或高温液)注入套管环型空间。使油管内的产出液温度逐渐升高，管壁结蜡自上而下逐渐融化，随产出液进入输油管(或油罐)。内阻减小，以达到稳定、降耗、节约成本、不污染油层的目的。 本加热器可清洗日产液量的抽油机井。超导热洗可采用油井产出液自洗、补充水或其它井产出液方法洗井清蜡。两
种方式均采用低压力，低液量，慢升温的热洗工艺。不改变油层的油、水、气流动规律，不污染油层。 油井套压≥，自产气够用时，可用油井自产气为热源，油井有天然气管网，可用天然气做热源，无天然气可用柴油为热源。 超导热洗装置介绍 (1)产品为移动式设备。加热器安装在专用车上。 (2)本加热器按热源分为燃气型、燃油型、燃气燃油两用型三种。 ①燃气型：洗井现场有天燃气管网(压力)，可配备全自动燃气燃烧器和温度自控系统。洗井现场无天然气管网、但附近油井套压≥，自产气够用时，可配备半自动燃气燃烧器和温度自控系统。 ②燃油型：无天然气或天然气不够用的油井，可用柴油为热源、配备全自动柴油燃烧器和温度自控系统。 ③燃气燃油两用型：在同一洗井区域内，有的井有天然气、有的井无天然气，可选择燃气燃油两用型。配备燃气系统、燃油系统各一套。配备温度自控系统一套，自产气够用就用自产气、自产气不够用则用柴油。 3自动控制系统和安全措施 (1)用加热器出口温控表控制燃烧器。温控装置会按照设定好的温度自动工作。温度高时自动关机停火，温度低时
高温超导材料的特性与表征
四川理工学院 材料物理性能 高温超导材料论文 【摘要】 在本实验中我们的主要目的是通过通过氧化物高温超导材料特性的测量和演示，加深理解超导体的两个基本特性，即零电阻完全导电性和完全抗磁性。我们还通过此实验对不同的温度计（铂电阻温度计和硅二极管温度计）进行比较。我们采用的是四引线测量法，利用低温恒温器和杜瓦容器测量了超导电性，绘制了超导样品的电阻温度曲线，验证了超导在高温冷却电阻突然降为零的电特性。我们也绘制了磁悬浮力与超导体-磁体间距的关系曲线，对其进行了分析。在进行磁悬浮的实验中我们验证了超导体的混合态效应和完全抗磁性。 关键词： 超导体零电阻温度完全磁效应磁场 一、引言： 1911年H.K.Onnes首次发现在4.2K水银的电阻突然消失的超导现象，此温度也被称为临界温度。根据临界温度的不同，超导材料可以被分为：高温超导材料和低温超导材料。
但这里所说的高温，其实仍然是远低于冰点0℃的，对一般人来说算是极低的温度。1933年，迈斯纳和奥克森菲尔德两位科学家发现，如果把超导体放在磁场中冷却，则在材料电阻消失的同时，磁感应线将从超导体中排出，不能通过超导体，这种现象称为抗磁性。经过科学家们的努力，超导材料的磁电障碍已被跨越，下一个难关是突破温度障碍，即寻求高温超导材料1973年，发现超导合金――铌锗合金，其临界超导温度为23.2K，这一记录保持了近13年。此后，科学家们几乎每隔几天，就有新的研究成果出现。1987年底，铊－钡－钙－铜－氧系材料又把临界超导温度的记录提高到125K。 高温超导体具有更高的超导转变温度（通常高于氮气液化的温度），有利于超导现象在工业界的广泛利用。高温超导体的发现迄今已有16年，而对其不同于常规超导体的许多特点及其微观机制的研究，却仍处于相当“初级”的阶段。这一点不仅反映在没有一个单一的理论能够完全描述和解释高温超导体的特性，更反映在缺乏统一的、在各个不同体系上普遍存在的“本征”实验现象。 本实验中，我们通过对氧化物超导材料特性的测量和演示，加深理解超导体的两个基本特性；了解金属和半导体的电阻随温度的变化及温差电动势；了解超导磁悬浮的原理；掌握液氮低温技术。 二、原理： 物理原理： 1.超导现象及临界参数 (1)零电阻现象 1911年，卡麦林·翁纳斯用液氮冷却水银线并通以几毫安电流，在测量其电压时发现，当温度稍低于液氮沸点时，水银电阻突然降为零，这就是零电阻现象或超导现象。具有此现象的物体称为超导体。只有在直流条件下才会存在超导现象，在交流下电阻不为零。 临界温度是指当电流，磁场及其他外部条件保持为零或不影响测量时，超导体呈现超导态的最高温度。我们用电阻法测定超导临界温度。 （2）MERSSNER效应 1933年，迈斯纳和奥克森菲尔德两位科学家发现，如果把超导体放在磁场中冷却，则在材料电阻消失的同时，磁感应线将从超导体中排出，不能通过超导体，而且，不管加磁场的顺序如何，超导体内磁场总为零。这种现象称为抗磁性即MERSSNER效应。 3）超导体分类 超导体分为两类第1类超导体是随温度变化只分为超导态和正常态，第2类是在超导态和正常态中间部分还存在混合态。 纯金属材料的电阻特性 纯金属材料的电阻产生于晶体的电子被晶格本身和晶格中的缺陷的热振动所散射。ρ=ρL（T）+ρ R，其中ρL（T）表示晶格热振动对电子散射引起的电阻率，与温度有关。ρ r表示杂质和缺陷对电子的散射所引起的电阻率，不依赖与温度，与杂质和缺陷的密度成正比，称为剩余电阻率。 半导体材料电阻温度特性 ρi=1/nie(μe+μp) 本征半导体的电阻率ρi与载流子浓度ni及迁移率μ=μe+μp有关, 因ni随温度升高而成指数上升，迁移率μ随温度增高而下降较慢，故本证半导体电阻率随温度上升而电调下降。 实验仪器及其原理：
超导材料论文
超导材料论文 Prepared on 22 November 2020
超导材料 摘要：简要介绍了超导材：的发展历史、现状，对未来的超导材料的发展作了展望，并对目前超导材料的主要研制方法进行了分析。 关键词：超导体研究进展高温低温应用 一前言 超导是超导电性的简称。是一种材料，如某种金属、合金或化合物在温度下降至某一临界温度时，其电阻完全消失，这种现象称为超导电性，具有这种现象的材料称为超导材料。超导体的另外一个特征是：当电阻消失时，磁感应线将不能通过超导体，这种现象称为抗磁性。 超导材料的用途非常广阔，大致可分为三类：大电流应用（强电应用）、电子学应用（弱电应用）和抗磁性应用。大电流应用即超导发电、输电和储能；电子学应用包括超导计算机、超导天线、超导微波器件等；抗磁性主要应用于磁悬浮列车和热核聚变反应堆等 超导材料是在低温条件下能出现超导电性的物质。超导材料最独特的性能是电能在输送过程中几乎不会损失。超导材料的发展经历了从低温到高温的过程，经过无数科学家的努力，超导材料的研究已经取得了巨大的发展。近年来，随着材料科学的发展，超导材料的性能不断优化，实现超导的临界温度也越来越高。高温超导材料的制备工艺也得到了长足的发展，一些制备高温超导材料的材料陆续被科学家发现。现在，超导材料的研究主要集中在超导输电线缆，超导变压器等电力系统方面，还有，利用超导材料可以形成强磁场，是超导材料在磁悬浮列车的研究上有了用武之地，另外，超导材料在医学，生物学领域也取得了很大的成就。超导材料的研究未来，超导材料的研究将会努力向实用化发展。一旦室温超导体达到实用化、工业化，将对现代文明社会中的科学技术产生深刻的影响。 二研究现状 1.超导材料的探索与发展 探索新型超导材料在超导材料研究中始终起着关键的作用，同时也是一项高风险、高投入的研究工作。自1911年荷兰物理学家卡麦林·昂尼斯发现汞在附近的超导电性以来，人们发现的新超导材料几乎遍布整个元素周期表，从轻元素硼、锂到过渡重金属铀系列等。超导材料的最初研究多集中在元素、合金、过渡金属碳化物和氮化物等方面。至1973年，发现了一系列A15型超导体和三元系超导体，如Nb3Sn、V3Ga、Nb3Ge，其中Nb3Ge超导体的临界转变温度(T c)值达到。以上超导材料要用液氦做致冷剂才能呈现超导态，因而在应用上受到很大限制。1986年，德国科学家柏诺兹和瑞士科学家穆勒发现了新的金属氧化物超导材料即钡镧铜氧化物(La-BaCuO)，其T c为35K，第一次实现了液氮温区的高温超导。铜酸盐高温超导体的发现是超导材料研究上的一次重大突破，打开
超导材料的现状及发展趋势分析
超导材料的现状及发展方向自1911年荷兰莱顿实验室的卡末林·昂纳斯首次在4．2K时发现水银零电阻现 象即超导现象以来。人们相继在超导 材料方面取得很多突破，后来在梅斯 勒发现超导体的抗磁性之后， 1934 —1985年后超导物理学理论逐步发 展，超导材料逐步应用于实际科学技 术领域。但由于种种原因，至今超导 物理学理论也不够完善。在这一阶段 人们研究的超导材料临界转变温度 较低。 后来进入高温超导研究阶段，高温超导材料指的是：钇系(92 K)、铋系(110 K)、铊系(125 K)和汞系(135 K)以及2001年1月发现的新型超导体二硼化镁(39 K)。高温超导体属于非理想的第II类超导体。临界磁场和临界电流且比低温超导体更高。同时已对高温超导材料进研究开发，氧化物复合超导材料具有耐用和稳定性好的特点。通过研究浸泡实验表明，超导电性的退化主要来自于杂相及时效过程中的析出相。为了改善薄膜对环境的敏感性，美国西北大学的Mirkin建议把分子单层表面化学改性引入到高温超导铜氧化合物中。 以铋锶钙铜氧系为第一代高温超导带材，它的可加工性优良，在超导强电应用领域占据重要位置。但铋系材料的实用临界电流密度较低，并且在77 K的应用磁场也很低。然而钇钡铜氧化物材料在77 K的超导电性比铋锶钙铜氧材料好的多；但它的可加工性极差，故要做出超导性好的带材通过传统的压力加工和热处理工艺就很难。 随着材料科学工艺技术的发展，近年来一种在轧制金属基带上制造钇钡铜氧超导带材的工艺被称作“第二代”带材。欧洲国家努力开展高温超导材料工艺及应用研究。丹麦已批量制造铋系超导带材。2003年11月我国第一个10m、 10.5kV/1.5kA 三相交流高温超导电缆系统日前在中国科学院电工研究所研制成功，并于成功地进行了试验运行。2011年5月信赢和公司团队研发的世界最大功率的超导限流器刚成功。2011年9月25日，特拉维夫大学的研究小组开发出了一种超导体材料——蓝宝石单晶体纤维，可用于高压电缆输电，输电量是相同直径铜线输电量的40倍。研究人员称这种超导材料将有可能彻底改变电力输送占空间、高损耗的状况。 高温超导材料主要有：膜材(薄膜、厚膜)、块材、线材和带材等类型。薄膜最常用、最有效的两种镀膜技术是：磁控溅射和脉冲激光沉积。还有金属有机
超导材料基础知识介绍
超导材料基础知识介绍 超导材料具有在一定的低温条件下呈现出电阻等于零以及排斥磁力线的性质的材料。现已发现有28种元素和几千种合金和化合物可以成为超导体。 特性超导材料和常规导电材料的性能有很大的不同。主要有以下性能。 ①零电阻性：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。 ②完全抗磁性：超导材料处于超导态时，只要外加磁场不超过一定值，磁力线不能透入，超导材料内的磁场恒为零。 ③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。 基本临界参量有以下 3个基本临界参量。 ①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是钨，为0.012K。到1987年，临界温度最高值已提高到100K左右。 ②临界磁场：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，以Hc表示。Hc与温度T 的关系为Hc=H0[1-(T/Tc)2]，式中H0为0K时的临界磁场。 ③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23.2K(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。 分类超导材料按其化学成分可分为元素材料、合金材料、化合物材料和超导陶
超导材料的性能与应用综述
超导材料的性能及应用综述 班级：10粉体（2）班学号：1003012003 姓名：徐明明 摘要：回顾了超导现象的发现及发展，综述了超导电性的微观机理，超导物理学研究的历史和主要成果，介绍了超导电性的几种突出的应用，并指出目前对于超导电性的认识在理论、实验、研究上都是初步的 ,还需要进行更多的和更深入全面的研究。 关键词:超导电性；超导应用；BCS理论；应用 一、超导现象的发现及发展 1908 年, 荷兰莱登实验室在卡茂林- 昂尼斯的指导下, 用液氢预冷的节流效应首次实现了氦气的液化，从而使实验温度可低到4~1K 的极低温区, 并开始在这样的低温区测量各种纯金属的电阻率。1911 年,卡茂林- 昂尼斯[1] 发现Hg 的电阻在4. 2K 时突降到当时的仪器精度已无法测出的程度, 即Hg 在一确定的临界温度T c= 4. 15K 以下将丧失其电阻,这是人们第一次看到的超导电性。昂尼斯也凭这一发现获得了1913 年的诺贝尔物理学奖。后来的实验证明，电阻突变温度与汞的纯度无关，只是汞越纯，突变越尖锐。随后,人们在Pb及其它材料中也发现这种特性:在满足临界条件(临界温度 Tc、临界电流 Ic、临界磁场 Hc)时物质的电阻突然消失,这种现象称为超导电性的零电阻现象。应该指出,只是在直流电情况下才有零电阻现象。从此，诞生了一门新兴的学科——超导。 一直到20世纪50年代,超导只是作为探索自然界存在的现象和规律在研究,1957年Bardeen、Cooper和Schrieffer[2]提出了著名的BCS理论,揭示了漫长时期不清楚的超导起因。1961年Kunzler将Nb3Sn制成高场磁体,开辟了超导在强电中的应用,特别是 1962 年Josephson效应的出现,将超导应用推广到一个崭新的领域。到20世纪70年代超导在电力工业和微弱信号检测应用方面的进展显示了它无比的优越性,但由于临界温度低,必须使用液氦,这就极大地限制了它的优越性。从20世纪70年代起人们就将注意力转向寻找高温超导体上,在周期表
超导现象简介
超导现象简介 超导现象：某些物质在温度降低到一定值时电阻会完全消失，这种现象称为超导电性。超导技术的开发和应用对国民经济、军事技术、科学实验与医疗卫生等具有重大价值。 具有超导电性的物质称为超导材料或超导体。超导材料包括金属低温超导材料、陶瓷高温超导材料和有机超导材料等。 发展概况：超导电性是荷兰科学家H.K.昂尼斯1911年发现的，他在做低温实验时，意外发现汞线冷却到4ZK时电阻突然消失了。随后科学家们发现许多金属、合金和金属间化合物也具有这种特性。1933 年，德国人W.迈斯纳发现超导体具有高抗磁性，使磁力线不能透人，人们称之为迈斯纳效应。1957年美国人J.巴丁、LN.库泊、J.R.施里弗共同提出超导微观理论(BCS理论)。1962年，英国人BD.约瑟夫森从理论上预言超导电流能够穿过一层极薄的绝缘体进入另一超导体，形成隧道超导电流。这种约瑟夫森效应随后为实验所证实。1986 年初，美国国际商用机器公司苏黎世研究所的K.A.马勒和J.G.贝诺斯发现，钡钢铜氧化合物在30K时呈现超导电性。这种陶瓷超导材料的发现，为超导技术的发展开辟了新的途径。1986年以前发现的超导材料是良导体金属、合金和金属间化合物，其临界温度最高不过232K，而马勒和贝诺斯发现的超导材料却是氧化物，临界温度比低温超导体高得多，对超导研究具有划时代的意义，世界各国对此都十分重视。1987年中国成立了超导技术专家委员会和国家超导技术联合研究开发中心，统一领导全国的超导研究工作;同年7月美国总统提出《总统超导倡议》，要求政府采取必要措施支持高温超导研究;日本政府和民间企业、大学制订了共同开发超导材料的计划。各国超导科学家以陶瓷材料为对象寻找高临界温度的超导材料，形成了一股世界性的超导研究热，忆钡铜氧化合物、秘锯钙铜氧化合物、铂钡钙铜氧化合物等高温超导材料不断涌现。自1986年以来，中国在高温超导技术攻关中取得了一系列重大成就，在某些领域达到了国际领先水平。超导材料特性超导材料最重要的特性是完全电导性和完全抗磁性。完全电导性是指在一定的温度条件下超导体的电阻为零，在这种状态下，超导体不仅可以无损耗地输送电流，而且在储存电能时也不会有损失。完全抗磁性是指材料一旦进人超导状态，磁力线就不能穿过超导体，其内部磁通量等于零。这两个特性是衡量
超导材料的特性及应用
浅谈超导材料的超导特性及应用 摘要：作为一种新型材料，超导材料越来越广泛地应用到各个领域，人类对超导电性及其应用将越来越重视。超导材料的应用有着巨大的潜力和发展前景，这是不容置疑的。超导的实用前景似乎既近既远，近者，在人类的生活中已得到了超导电技术带来的好处，如医用的核磁共振成像的超导磁体；同时，在电子器件上的应用，近几年将会在市场上出现。远者，人们会看到例如在微波通讯、计算机器件、储能及平衡电网方面的应用。在总结超导电性的同时，本文将就超导材料的应用作简要的介绍。 关键字：超导、特性、应用、前景 1、超导材料的超导特性 导体在温度下降到某一值时，电阻会突然消失，即零电阻，这一现象称为“超导现象”，将具有超导性的物质，称为超导体，超导体如钛、锌、铊、铅、汞等，在超导状态，当温度降至温度（超导转变温度）时，皆显现出某些共同特征。1.1电阻为零。一个超导体环移去电源之后，还能保持原有的电流。有人做过实 验，发现超导环中的电流持续了二年半而无显著衰减。 1.2完全抗磁性。这一现象是1933年德国物理学家迈斯纳等人在实验中发现的， 只要超导材料的温度低于临界温度而进入超导态以后，该超导材料便把磁力线排斥体外，因此其体内的磁感应强度总是零。这种现象称为“迈斯纳效应”。 2、超导材料的应用 2.1 超导应用的巨大潜力 超导态是物质的一种独特的状态，它的新奇特性，立刻使人想到要将它们应用到技术上。超导体的零电阻效应显示其具有无损耗输运电流的性质。工业、国防、科研上用的大功率发电机、电动机如能实现超导化，将大大降低能耗并使其小型化。利用超导隧道效应，人们可以制造出世界上最灵敏的电磁信号的探测元件和用于高速运行的计算机元件。用这种探测器制造的超导量子干涉磁强计可以测量地球磁场几十亿分之一的变化，也能测量人的脑磁图和心磁图。超导体用于微波器件可以大大改善卫星通讯的质量。 因此，超导体显示了巨大的应用潜力。 2.2 超导材料在强电方面的应用
第十章 超导体的基本现象和基本规律
第十章 超导体的基本现象和基本规律 1超导体的正常态和超导态的吉布斯自由能的差为μ0Hc 2(T)，这里Hc 是超导体的临界磁场，说明在无磁场时的超导相变是二级相变，而有磁场时的相变为一级相变。 2二级相变 在发生相变时，体积不变化的情况下，也不伴随热量的吸收和释放，只是热容量、热膨胀系数和等温压缩系数等的物理量发生变化，这一类变化称为二级相变。二级相变的特点是，两相的化学势和化学势的一级偏微商相等，但化学势的二级偏微商不相等。因此在相变时没有体积变化和潜热(即相变热)。在相变点，两相的体积、焓和熵的变化是连续的。故这种相变也称为连续相变(continuous phase transition)。 在发生相变时，有体积的变化同时有热量的吸收或释放，这类相变即称为“一级相变”。 一级相变的特点是两相的化学势相等，但有体积改变并产生相变热。也就是说，在相变点，两相的化学势的一级偏微商不相等。 3简述超导体的两个主要特征。 4试根据超导Ｂ＝０，推导出超导临界温度和外加磁场的定性关系。 5超导体都有哪些主要的物理特征？ 6什么是超导的迈斯纳(Meissner)效应？ 7超导体两个最显著的物性特征是什么？ 8什么是第Ｉ类超导体、什么是第ＩＩ类超导体？二者的本质区别是什么？ 9第一类超导体与第二类超导体对于外磁场的响应有什么区别？ 10简述约瑟夫森（Josephson ）效应。 11在超导体内存在以费米能级为中心, 宽度为?2的能隙，给出超导- 绝缘体-金属结和超导体-绝缘体-超导体结(假设两侧超导体的能隙分别为12?和22?) 的隧穿电流随电压变化的关系
超导材料及应用
超导材料 摘要：简要介绍了超导材料的发展历史、现状，对未来的超导材料的发展作了展望，并对目前超导材料的主要研制方法进行了分析。 关键词：超导体研究进展高温低温应用 一前言 超导材料是在低温条件下能出现超导电性的物质。超导材料最独特的性能是电能在输送过程中几乎不会损失。超导材料的发展经历了从低温到高温的过程，经过无数科学家的努力，超导材料的研究已经取得了巨大的发展。近年来，随着材料科学的发展，超导材料的性能不断优化，实现超导的临界温度也越来越高。高温超导材料的制备工艺也得到了长足的发展，一些制备高温超导材料的材料陆续被科学家发现。现在，超导材料的研究主要集中在超导输电线缆，超导变压器等电力系统方面，还有，利用超导材料可以形成强磁场，是超导材料在磁悬浮列车的研究上有了用武之地，另外，超导材料在医学，生物学领域也取得了很大的成就。超导材料的研究未来，超导材料的研究将会努力向实用化发展。一旦室温超导体达到实用化、工业化，将对现代文明社会中的科学技术产生深刻的影响。 二研究现状 1.超导材料的探索与发展 探索新型超导材料在超导材料研究中始终起着关键的作用，同时也是一项高风险、高投入的研究工作。自1911年荷兰物理学家卡麦林·昂尼斯发现汞在4.2K附近的超导电性以来，人们发现的新超导材料几乎遍布整个元素周期表，从轻元素硼、锂到过渡重金属铀系列等。超导材料的最初研究多集中在元素、合金、过渡金属碳化物和氮化物等方面。至1973 年，发现了一系列A 15型超导体和三元系超导体，如Nb 3 Sn、V 3 Ga、Nb 3 Ge，其中Nb 3 Ge超导 体的临界转变温度(T c)值达到23.2K。以上超导材料要用液氦做致冷剂才能呈现超导态，因而在应用上受到很大限制。1986年，德国科学家柏诺兹和瑞士科学家穆勒发现了新的金属氧化物超导材料即钡镧铜氧化物(La-BaCuO)，其T c为35K，第一次实现了液氮温区的高温超导。铜酸盐高温超导体的发现是超导材料研究上的一次重大突破，打开了混合金属氧化物超导体的研究方向。1987年初，中、美科学家各自发现临界温度大于90K的YBacuO超导体，已高于液氮温度(77K)，高温超导材料研究获得重大进展。后来法国的米切尔发现了第三类高温超导体BisrCuO，再后来又有人将Ca掺人其中，得到Bis尤aCuO超导体，首次使氧化物超导体的零电阻温度突破100K大关。1988年，美国的荷曼和盛正直等人又发现了T 1 系高温超导体，将超导临界温度提高到当时公认的最高记录125K。瑞士苏黎世的希林等发现在HgBaCaCuO超导体中，临界转变温度大约为133K，使高温超导临界温度取得新的突破。 2.超导材料的研究 2.1低温超导阶段 在梅斯勒发现超导体的抗磁性之后(相继有荷兰物理学家埃伦弗斯特根据有关的超导体在液氦中比热不连续现象(提出热力学中二级相变的概念)柯特和卡西米尔提出超导的二流体模型)德国物理学家F·伦敦和H·伦敦兄弟提出超导电性的电动力学唯相理论（即伦敦
超导材料应用与制备概况
摘要：新型超导材料一直是人类追求的目标。本文主要从超导材料的性质，制 备，应用等方面探索超导材料科学的发展概况。随着高温超导材料制备方法的不断成熟，超导材料将越来越多的应用于尖端技术中去，超导材料的应用将给电工技术带来质的飞跃，因此，超导材料技术有着重大的应用发展潜力，可解决未来能源，交通，医疗和国防事业中的重要问题。 关键词：超导材料强电应用弱电应用超导制备 1. 引言 1911年荷兰科学家onnes发现纯水银在附近电阻突然消失，接着发现其他一些金属也有这样的现象，随着人们在Pb和其它材料中也发现这种性质：在满足临界条件（临界温度Tc，临界电流Ic，临界磁场Hc）时物质的电阻突然消失，这种现象称为超导电性的零电阻现象。只是直流电情况下才有零电阻现象，这一现象的发现开拓了一个崭新的物理领域。 超导材料具有1）零电阻性2）完全抗磁效应3）Josephson效应。这些性质的研究与应用使得超导材料的性能不断优化，实现超导临界温度也越来越高。一旦室温超导达到实用化、工业化，将对现代科学技术产生深远的影响。 2. 超导材料主要制备技术 控制和操纵有序结晶需要充分了解原子尺度的超导相性能。有序、高质量晶体的超导转变温度较高 ,晶体质量往往强烈依赖于合成技术和条件。目前，常用作制备超导材料的技术主要有： 2.1.1单晶生长技术 新超导化合物单晶样品有多种生长方法。溶液生长和气相传输生长法是制备从金属间氧化物到有机物各类超导体的强有力工具。溶液生长的优点就是其多功能性和生长速度 ,可制备出高纯净度和镶嵌式样品。但是 ,它并不能生产出固定中子散射实验所需的立方厘米大小的样品。浮动熔区法常用来制备大尺寸的样品 ,但局限于已知的材料。这种技术是近几年出现的一些超导氧化物单晶生长的 主要技术。这种技术使La 2 - x Sr x CuO 4 晶体生长得到改善 ,允许对从未掺杂到高度 掺杂各种情况下的细微结构和磁性性能进行细致研究。在T 1Ba 2 Ca 2 Cu 3 O 9+d 和 Bi 2Sr 2 CaCu 2 O 8 中 ,有可能削弱无序的影响从而提高临界转变温度。最近汞基化合 物在晶体生长尺寸上取得的进展 ,使晶体尺寸较先前的纪录高出了几个数量级。但应该指出的是即使是高 Tc的化合物 ,利用溶液生长技术也可制备出高纯度的YBCO等单晶。 2.1.2高质量薄膜技术 目前 ,薄膜超导体技术包括活性分子束外延(MBE ) 、溅射、化学气相沉积和脉冲激光沉积等。MBE能制造出足以与单个晶体性能相媲美的外延超导薄膜。在晶格匹配的单晶衬底上生长的外延高温超导薄膜 ,已经被广泛应用于这些材料物理性质的基础研究中。在许多实验中薄膜的几何性质拥有它的优势 ,如可用光刻技术在薄膜上刻画细微的特征;具备合成定制的多层结构或超晶格的潜能。 在过去的 20年里 ,多种高温超导薄膜生长技术快速发展。有些技术已经适用于其它超导体的制备。目前所使用主要方法有溅射和激光烧蚀（脉冲激光沉积）。类似分子束外延这种先进薄膜生长技术也已经发展得很好。臭氧或氧原
超导体的物理特性
超导体的物理特性及其军事应用 作者：刘玉超, 李鹏 ,张强收录时间：2011-11-07 阅读次数： 221 关键词: 超导体,军事应用 摘要：介绍了超导体的物理特性及超导器件在国内外军事领域上的研究和应用进展。 随着电子技术的不断向高、新、尖发展，超导电子技术便应运而生。超导体具有两个突出的特点：一是超导电性。它可以传导大电流，在较大的空间产生很强的磁场，不消耗或只消耗极少的能量(强电效应)；二是超导体器件对磁场或电磁辐射具有极高的灵敏度(弱电效应)。利用超导的强电效应特点，可以制成高效电动机和发电机、定向能武器、电磁炮、弹射器等。利用超导体对弱磁、弱电辐射的极高灵敏度特性，可以制成体积小、重量轻、超高速、特宽频带、低功耗、低噪声、抗干扰能力强的各种电子器件和系统。 1 超导体的物理特性 所谓超导体，是指电阻为零的物质。1911年德国物理学家海克·坎默林·奥尼斯首先发现世界上有超导物质存在，并认为所有金属都可能具有超导性，但是只有当它们冷却到几K，略高于绝对零度(-273℃)时，才具有超导性。经过科学家们不懈努力，目前，高温超导体发展迅速，已经走出了实验室，进入实际应用阶段。 1.1 零电阻效应 某物质在临界温度时，电阻消失的现象，就是零电阻效应。但是临界温度与物质种类有关，不同的超导体临界温度是不同的。同一物质有无外磁场的影响也是不同的，当物质在外磁场作用时，某临界温度要比没有磁场作用时要低。因此，随磁场的增强，临界温度将降低。只有外磁场小于某一量值时，物质才保持超导体的零电阻效应，这一磁场值称为临界磁场值。 1.2 迈斯纳效应 1933年迈斯纳(Meissenr)在实验中发现了下述事实：把在临界温度以上的锡和铅样品放人磁场中，这时样品内有磁场存在。当维持磁场不变而降低样品的温度转变为超导体后，结果其内部也就没有磁场了。这说明，在转变过程中，在超导体表面产生了电流，这电流在其内部产生的磁场完全抵消了原来的磁场，也就是说磁力线不能穿过超导体物质内部，也就是所谓的迈斯纳效应。这一效应表明，超导体具有绝对的抗磁性。 1.3 约瑟夫逊效应 1962年，约瑟夫逊(B.D.Josephson)发现，在两块超导体中间夹一薄的绝缘层就形成了一个约瑟夫逊结。按经典理论，两种超导材料之间的绝缘层是禁止电子通过的，这是因为绝缘层内的电势比超导体中的电势低得多，对电子的运动形成了一个高的“势垒”，绝缘体的电子能
超导材料的特征、发展及其应用
超导材料的特性、发展及其应用 1.超导材料简介 1.1 超导材料的三个基本参量 超导材料是指在一定的低温条件下会呈现出电阻等于零以及排斥磁力线的性质的材料，其材料具有三个基本临界参量，分别是： 1> 临界温度T c：破坏超导所需的最低温度。T c是物质常数，同一种材料在相同条件下有确定的值。T c值因材料而异，已测得超导材料T c值最低的是钨，为0.012K。当温度在T c 以上时，超导材料具有有限的电阻值，我们称其处于正常态；当温度在T c以下时，超导体进入零电阻状态，即超导态。 2> 临界电流I c和临界电流密度J c：临界电流即破坏超导所需的最小电流，I c一般随温度和外磁场的增加而减少。单位截面积上所承载的I c称为临界电流密度，用J c来表示。 3> 临界磁场H c：即破坏超导状态所需的最小磁场。 图1-1 位于球内的部分为超导状态 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T c为例，从1911年荷兰物理学家昂纳斯发现超导电性(Hg，T c=4.2K)起，直到1986年以前，人们发现的最高的T c才达到23.2K(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T c提高到35K；之后仅一年时间，新材料的T c已提高到了100K左右。如今，超导材料的T c最高已超过了150K[1]。 1.2 超导体的分类 第Ⅰ类超导体：第I类超导体主要包括一些在常温下具有良好导电性的纯金属，如铝、锌、镓、镉、锡、铟等，该类超导体的溶点较低、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，并且具有完全抗磁性。第I类超导体由于其临界电流密度和临界磁场较低，因而没有很好的实用价值[2]。 第Ⅱ类超导体：除金属元素钒、锝和铌外，第II类超导体主要包括金属化合物及其合金。第II类超导体和第I类超导体的区别主要在于： (1) 第II类超导体由正常态转变为超导态时有一个中间态(混合态)； (2) 第II类超导体的混合态中有磁通线存在，而第I类超导体没有；
高温超导材料的特性与表征
实验名称：高温超导材料的特性与表征学生姓名：武晓忠学号：201211141046 指导老师：王海波日期：2014/11/20
摘要：本实验通过液氮降温法测量了超导样品的电阻转变曲线，确定起始转变和零电阻温度分别96.437K和86.791K。并以铂电阻温度计为标准，得到了硅二极管的正向电压值与温度的变化曲线；演示高温超导体磁悬浮现象；定量测量了在零场冷和场冷条件下的磁悬浮力和超导体—磁体间距的关系曲线。 关键词：高温超导体零电阻现象MEISSNER效应磁悬浮一、引言 从1991年荷兰物理学家H.K.Onnes发现低温超导体，超导科技发展大体经历了三个阶段：1911年到1957年BCS超导微观理论问世，核心是提出库珀电子对；1958年到1985年是超导技术应用的准备阶段，成功研制强磁场超导材料，发现约瑟夫森效应；第三阶段是1986年发现高于30K的超导材料，进入超导技术开发时代。超导研究领域的系列最新进展，为超导技术在更方面的应用开辟了十分广阔的前景。本实验目的是通过对氧化物高温超导材料的测量与演示，加深理解超导体两个基本特性；了解超导磁悬浮原理；了解金属和半导体的电阻随温度变化以及温差电效应；掌握低温物理实验的基本方法：低温的获得、控制和测量。 二、实验原理 1.超导现象、临界参数及实用超导体 1）零电阻现象 将物体冷却到某一临界温度Tc以下时 电阻突然降为零的现象，成为超导体的零图 1 超导体的电阻转变曲线
电阻现象。 不同的超导体的临界温度各不相同。用电阻法测量临界温度，把降温过程中电阻温度曲线开始从直线偏离处的温度称为起始转变温度,c onset T ，临界温度c T 定义为待测样品电阻从起始转变处下降到一半对应的温度，也称作超导转变的中点温度cm T 。电阻变化10%到90%所对应的温度间隔定义为转变宽度c T ，电阻完全降到零时的温度为零电阻温度0c T 。 2）MEISSNER 效应 当把超导体置于外加磁场中时，磁通不能穿透超导体，超导体内的磁感应强度始终保持为0，超导体的这个特性称为MEISSNER 效应.。（注意：完全抗磁性不是说磁化强度M 和外磁场B 等于零） 超导体的零电阻现象与完全抗磁性的两个特性既相互独立又有紧密的联系。完全抗磁性不能由零电阻特性派生出来，但是零电阻特性却是迈斯纳效应的必要条件。超导体的完全抗磁性是由其表面屏蔽电流产生的磁通密度在导体内部完全抵消了由外磁场引起的磁通密度，使其净磁通密度为零，它的状态是唯一确定的，从超导态到正常态的转变是可逆的。 图2 超导体磁性