固体理论作业--超导体

超导体与超导电性

引言：

本学期在班老师的指导下共进行了六次固体理论课的学习和讨论，每次课的学习都受益匪浅。在这六次课的学习范围内，我对超导体与超导电性及其应用非常感兴趣，因此通过自己对这部分内容的理解和对文献的调查完成了本文。

本文主要对超导体的基本性质、分类进行了简要介绍，对超导电性的物理机制进行了简单讨论，并对超导体的应用前景进行了分析和展望。

一、超导体的发现和基本性质

1908年7月10日，荷兰莱顿大学的卡末林·昂内斯成功将“永久气体”氦气液化，获得了极低温度，液体氦在一个大气压下的沸点为 4.2K（约零下269℃）。接着他开始研究金属在极低温度下的导电性能，于1911年4月8日发现提纯的金属汞，在温度降低到约4.2K 时，导体的电阻突然消失，他还发现其他金属在低温中也表现出同样的性能。出现超导现象的温度称为临界温度T c，以后又发现存在临界磁场H c，外磁场在H c以上超导现象消失。这是人类第一次发现超导现象，昂内斯也因此获得了1913年的诺贝尔物理奖。

超导现象发现后相当长的一段时间内，人们不理解超导现象的本质。1933年，迈斯纳和奥科森菲尔德发现超导体具有完全抗磁的性质：磁场不能进人超导体内，而且处于正常态的超导体在磁场中冷却到临界温度T c以下，穿过样品的磁通也完全被排除到样品外。这一现象表明，完全抗磁性不能用完全导电性来解释，因为完全导电性将把磁通捕集在样品中，它是独立于完全导电性的另一个超导体的基本特性，称为迈斯纳效应。迈斯纳效应表明超导体的磁性质是可逆的，超导性是热力学稳定状态，与达到这一状态的过程无关。可逆迈斯纳效应的存在意味着临界场H c会破坏超导性，H c应与零场下正常态和超导态之间的自由能差有关。完全导电性（电阻为零）和完全抗磁性（磁感应强度为零）是超导体的两个最基本的特性。1935年H·伦敦和F·伦敦兄弟根据这两个特性提出了唯象的超导体电动力学方程，即伦敦方程，来解释超导体的电磁现象。从伦敦方程可以导出磁场在超导体表面是指数衰减的，对常规超导体穿透深度为几十个nm量级。但伦敦方程不能处理场强比较高时的非线性效应和超导电子密度的空间变化，更不能说明超导电性形成的微观机制。

二、超导体的分类

1950年京茨堡和朗道引人有序参数，用二级相变理论描述超导态，并且提出G-L方程。

有序参数可视为库珀对质心运动的波函数。在GL理论中引入了与温度有关的相干长度ξ（T），相干长度表征有序参数在空间发生变化的范围。1957年阿列克谢?阿布里科索夫在GL理论的基础上提出了第Ⅱ类超导体的理论。阿布里科索夫计算了穿透深度大于相干长度的情况，发现正常部分和超导部分之间的表面能为负值，在超导体的临界场H_c处不发生一级相变，而是在小于H_c的下临界场时，磁通开始进人超导体内，在可能远大于H_c的上临界场时磁场才完全穿透超导体。而在这之间超导体处于混合态，磁通以一系列规则排列的磁通管形式进入超导体，每个磁通管携带一个磁通量子。

对于相干长度大于穿透深度的超导体是第Ⅰ类超导体。第Ⅰ类超导体的热力学临界场H_c不高，磁场也不能进入体内，因此超导电流只能是表面电流，临界电流不高，没有多大的实际应用价值。由于磁通可以进入第Ⅱ类超导体的体内，超导电流是体电流，临界电流密度J_c可以在〖10〗^9 A/m^2以上。第Ⅱ类超导体发展成为超导电工技术的实用材料，大大地推动了超导磁体和超导电力技术的发展。

三、超导电性的物理机制

现在我们已经知道，超导体是一种宏观的量子态。人们用了将近半个世纪，等到量子力学体系基本完成，才找到了超导作为一种宏观量子现象的理论基础。1950年，实验上发现了超导临界温度的同位素效应，超导体的临界温度T c、临界场H c和同位素的质量M有关，T c、H c∝，表明超导电性是由电子一声子相互作用产生的。在此基础上科学家巴丁、库珀和施里弗于1957年建立了超导体的微观理论，以后用他们名字的首字母命名为BCS理论。若温度低于临界温度，电子在晶体中运动时会把周围的离子稍微极化一点，极化后的晶格又把第二个电子吸引过来，使两个电子之间存在着通过交换声子而发生的吸引作用，由于这种吸引作用，费密面附近两个自旋相反的电子两两结合形成电子对，称为“库珀对”。库珀对与原子核之间没有能量交换，因此库珀对在晶格之间传播的时候不会遇到阻碍，导体的电阻为零。BCS理论给出了超导电性清晰的物理机制，为超导科学和技术的发展奠定了坚实的基础。三位物理学家也因此获得了1972年的诺贝尔物理学奖。

BCS理论不仅是超导电性研究史上的一座重要里程碑，对其他物理学的发展也有重大的影响，给物理学家们很多灵感来解释之前难以理解的物理学现象。譬如：科学家们发现质子和中子都是费米子并各自形成独立的“粒子对”，使一些原子核有未曾预料到的稳定性。前苏联的理论物理学家米格达提出：中子星应该包含成对的中子，从而形成自由流动的“超流体”。科学家还借助BCS理论的思想预言了氦的同位素H e?3是超流体。

四、超导电性的应用

科学研究的最终目的在于应用，随着研究的进展，超导体在电力能源、超导磁体、生物、医疗科技、通信和微电子等领域有广泛的应用，大致可分为以下几类：

1. 抗磁性应用

超导材料的一重要特征是具有完全的抗磁性。若把超导材料放在一块永久磁体之上，由于磁体的磁力不能穿过超导体，磁体和超导体之间就会产生斥力，使超导体悬浮在磁体上方。超导磁悬浮列车利用超导磁石使车体上浮，通过周期性地变换磁极方向而获得推进动力。日本于1977年制成了ML500型超导磁浮列车的实验车，1979年宫崎县建成全长7000米的试验铁路线，达到了每小时517 公里的高速度，证明了用磁悬浮方式高速行驶的可能性。1987 年3月，日本完成了超导体磁悬浮列车的原型车，其外形呈流线形，车重17吨，可载44人，最高时速为420千米。车上装备的超导体电磁铁所产生的电磁力与地面槽形导轨上的线圈所产生的电磁力互相排斥，从而使车体上浮。槽形导轨两侧的线圈与车上电磁铁之间相互作用，从而产生牵引力使车体一边悬浮一边前进。我国从70年代开始进行磁悬浮列车的研制，首台小型磁悬浮原理样车在1989年春起来了。1995年5月，我国第一台载人磁悬浮列车在轨道上空平稳地运行起来。这台磁悬浮列车长3. 36米，宽3米，轨距2米，可乘坐20人，设计时速500千米。1996年7月，国防科技大学紧跟世界磁悬浮列车技术的最新进展，成功地进行了各电磁铁运动解耦的独立转向架模块的试验。目前，美国正在研制地下真空磁悬浮超音速列车。这种神奇的行星列设计最高时速2. 25万千米，是音速的20多倍。它横穿美国大陆只需21分钟，而喷气式客机则需5小时。高超导在运载上的其他应用可能还有用作轮船动力的超导电机、电磁空间发射工具及飞机悬浮跑道等。

利用超导体产生的巨大磁场,还可应用于受控制热核反应。核聚变反应时,内部温度高达1亿~ 2亿e，没有任何常规材料可以包容这些物质。而超导体产生的强磁场可以作为磁封闭体，将热核反应堆中的超高温等离子体包围、约束起来，然后慢慢释放，从而使受控核聚变能源成为21世纪前景广阔的新能源。

2. 医学上的应用

超导磁体在医学上的重要应用是核磁共振成像技术。核磁共振成像技术可测定生物体中氢原子核以及特定原子核构成的物质，通过核磁共振扫描检测生物体组织发生的种种变化，再经过计算机处理把变化显示出来, 从而发现生物体组织的病变。该仪器对于癌症的诊断极为有效。由于磁共振成像不使用放射线，又不接触人体，所以对人体组织无损害。另外，利用超导体介子发生器可以治疗癌症，利用超导磁体可以治疗脑血管肿瘤等。

3. 军事上的应用

超导技术在军事上有广泛的应用前景，主要体现在：超导计算机，超导计算机应用于C3I 指挥系统，可使作战指挥能力迅速改善提高；超导探测器，利用超导器件对磁场和电磁辐射进行测量，灵敏度非常高，可用于探测地雷、潜艇，还可制成十分敏感的磁性水雷。超导红外毫米波探测器不仅灵敏度高，而且频带宽，探测范围可覆盖整个电磁频谱，填补现有探测器不能探测亚毫米波段信号的空白。利用超导器件制造的大型红外焦平面阵列探测器，可以探测隐身武器，将大大提高军事侦察能力；大功率发动机，这种发动机具有能量大、损耗小、重量轻、体积小等优点，可用作飞机、舰艇等的动力装置；超导储能系统，利用超导材料的高载流和零电阻特性，可制成体积小、重量轻、容量大的储能系统，用作粒子束武器、自由电子激光器、电磁炮的能源；超导磁流体推进系统, 为水面舰艇和潜艇提供动力。

总之,在可以预见的将来超导电性的研究和应用必将有一个突飞猛进的发展。不久的将来，我国的能源、医疗卫生、电子技术和科学仪器等方面发展将会迫切需要超导技术的广泛应用。能否抓住超导技术发展提供的历史性的机会、争取在这一新兴高技术产业中占有一席之地，是我国超导技术发展面临的一个重要课题也是给中国科学家提出的一个挑战。

参考文献：

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