物理前沿讲座——超导体
精彩超导物理讲座
4 新的突破－高温超导
超导临界温度Tc未有突破，但仍不断努力 C60（由60个碳原子构成的分子（物质一般不由 原子构成，碱金属掺杂的C60有金属行为，超 导现象） ， MgB2：二硼化镁 NaxCoO2钴氧化物准二维三角格子体系 ……
室温超导：不可抗拒的诱惑
12
二、超导理论简介
（一）超导体的基本性质 （二）超导材料的分类 （三）超导体的微观理论
这一发现标志着超导物理学的诞生。
5
超导电性的发现
1911年昂尼斯(左)
和范得瓦尔斯在实
验室里
6
3超导电性的发展
自从昂尼斯1911年发现超导现象以来，人们已 发现共有近40种元素是超导体。被发现的合金、化 合物超导体的数量达到数千种。
7
3超导电性的发展
经过数十年的努力，超导体临界温度只 能提高到23.2K（铌三锗Nb3Ge,1975年）。由 于以上的超导现象只能在液氦[hài]温区出现， 而氦是一种稀有气体，因而大大限制了超导的 应用。 人们一直在探索把超导临界温度提高到液 氮温区（77K）以上的办法，这就出现了高温 超导研究。
13
二、超导理论简介 （一）超导体的基本性质
超导体的判断准则： 一、零电阻现象 二、迈斯纳效应 (完全抗磁性) 三、稳定性和再现性 四、可重复性和可验证性
14
（一）超导体的基本性质
1、零电阻效应 2、迈斯纳效应(完全抗磁性) 3、超导态的临界参数 4、约瑟夫森效应
15
1、零电阻效应
零电阻现象： 将超 导体冷却到临界温 度（TC）以下时电 阻突然降为零的现 象称为超导体的零 电阻现象。不同超 导体临界温度各不 相同。
里
9
4 新的突破－高温超导
超导体 概念
超导体概念
超导体是指在低温条件下，电阻消失或接近零的材料。
当超导体受到外加电流或磁场时，可以产生超导电流或磁通排斥效应。
超导体的概念最早由荷兰物理学家海克·卡末林领导的研究小
组于1911年发现，并在1957年由美国物理学家J. Bardeen、L. Cooper和R. Schrieffer提出了著名的BCS理论，解释了超导
现象的机制。
超导体的主要特征是具有零电阻和完全磁场排斥效应。
在超导态下，电子通过原子晶格的正空穴形成库珀对，而不是单个电子运动。
这种库珀对的形成使得电子能够无碰撞地通过晶格，从而消除了电阻。
超导体的临界温度是指材料变为超导体的临界温度，不同的超导体材料临界温度各不相同，有些超导体的临界温度可以达到几百摄氏度。
超导体的输运性质还包括完全的磁场屏蔽效应、零电阻传导和极低的能量损耗等优点，因此在许多领域有广泛的应用，如磁共振成像、电能传输、粒子加速器和磁悬浮列车等。
然而，超导体需要在极低温度下才能实现超导态，并且通常需要极低的温度和复杂的制备工艺，限制了其实际应用范围。
因此，研究人员一直致力于开发更高临界温度的超导体材料，以便实现更广泛的应用。
超导体的基本性质和应用
超导体的基本性质和应用超导体是一种在极低温下表现出完全电阻为零的材料，是电学领域中独特且引人瞩目的现象。
超导体的发现和研究不仅极大地推动了科学领域的发展，也为行业的应用带来了巨大的潜力。
本文将介绍超导体的基本性质和一些重要的应用。
一. 超导体的基本性质超导体具有以下的基本性质：1. 零电阻：在超导态下，超导体内部没有电阻，电流可以在其中自由地流动。
这个性质让超导体在电力输送和能量储存方面具有巨大的潜力。
2. 迈出Meissner效应：超导体在过渡到超导态时，会对外部磁场产生排斥作用，将磁场排斥出体内。
这种现象被称为迈出Meissner效应，它是超导体的又一个重要性质。
3. 让低温成为关键：要使超导体发挥超导状态，需要将温度降到很低的极端。
对于常见的超导体材料来说，常规的液氮温度（77K）已经足够维持超导态。
二. 超导体的应用1. 增强能源传输：由于超导体的零电阻特性，能量在超导体中的传输效率非常高。
这使得超导体在能源传输方面具有广阔的应用前景。
超导体电缆可以大大提高电能传输的效率，降低能量损耗，并减少能源供应的对环境的影响。
2. 磁共振成像（MRI）：超导磁体被广泛应用于医学成像领域中的核磁共振（NMR）和磁共振成像（MRI）技术。
超导磁体提供了一个强大的稳定磁场，可以更准确地检测疾病和生成高质量的影像。
3. 磁悬浮交通：超导磁悬浮技术利用超导体的穿透磁通特性，使列车浮起并在轨道上悬浮行驶。
这种无摩擦的悬浮方式可以大大提高列车的速度和运行平稳性，且不会产生噪音和振动，未来可能将成为一种重要的交通方式。
4. 快速电子元件：超导体的超快电子运输特性也为电子元件提供了可能。
超导元件可以实现更高的开关速度，更高的运行频率和更低的功耗。
这对于信息技术领域和计算机科学来说是非常有前途的。
5. 等离子体研究：超导体在等离子体物理研究中扮演着重要的角色。
超导磁体可以提供足够的磁场来约束等离子体，并使其保持稳定。
超导体的性质及其应用
超导体的性质及其应用超导体是一种特殊的物质，具有超导性质，即在超导状态下，电流能够无阻尼地流动。
超导体的发现已经有一百多年的历史，但是这一领域仍然在不断地探索和发展，因为它具有广泛的应用前景。
一、超导体的基本特性超导现象是普通金属、半导体、绝缘体在低温下发生的。
在某一温度下，金属或其他材料的电阻突然降到零，这被称为超导现象。
此时电流可以在材料内无耗散地流动。
超导体具有以下几个基本特性：1. 零电阻超导体在超导状态下的电阻是零，电流能够在材料内无阻尼地流动。
这种特性意味着超导体可以作为高效的电线和电缆使用。
通过在超导体内流动电流，我们可以将能量输送到远处的地方。
2. 磁通量量子化在超导体中，磁通量的变化是量子化的。
这意味着磁通量只能在一个固定的大小范围内变化。
这一特性使得超导体可以作为高精度的磁测量仪使用。
3. 非常低的热导率超导体的热导率非常低，这意味着在超导状态下，超导体会把电流输送到远处，而不会将能量释放为热量。
这是超导体应用于高能物理实验和医疗成像等领域的原因之一。
二、超导体的应用超导体的这些特性使得它在各种领域中具有广泛的应用前景。
以下是一些主要的应用领域：1. 超导磁体超导体可以用来制造非常强大的磁体。
这些磁体在医疗成像、核磁共振、加速器、磁悬浮列车等领域中广泛应用。
利用超导体制造的磁体比利用传统材料制造的磁体更强大，同时也能节省能源和成本。
2. 超导电缆超导体可以作为高能量输送的高效电缆使用。
利用超导体制造的电缆具有比传统电缆更高的能量传输速率，同时能够降低能量损失和线路堵塞。
3. 超导电子元器件超导体可以用来制造高速、高精度的电子元器件，如微波滤波器、量子比特、SQUID等。
这些元器件在通信、计算机、量子计算等领域中有重要的应用。
4. 超导电动机利用超导体制造的电动机比利用传统材料制造的电动机更高效、更具可靠性。
这些电动机在船舶、航空航天、高速列车等领域中有广泛的应用前景。
5. 超导材料随着超导材料的研究和制造技术的发展，超导材料的性能不断提高，同时成本也在逐步降低。
超导体的原理与应用
超导体的原理与应用前言超导体是一种在低温条件下，电阻为零的材料。
自从超导体的发现以来，它们在科学研究和工业应用中发挥了重要作用。
本文将介绍超导体的原理和一些应用领域。
超导体的原理超导现象最早于1911年被荷兰物理学家海克·卡末林发现。
他观察到了汞在接近绝对零度时的电阻突然消失。
这一发现引起了人们的极大兴趣，并且随后在其他材料上也观察到了类似的现象。
超导体的原理可以用两个主要的理论来解释：BCS理论和Ginzburg-Landau理论。
BCS理论BCS理论是由约翰·巴丁、列昂尼德·康多罗夫和约翰·斯特尔林·巴拉德在1957年提出的。
该理论解释了超导体的电阻为零的现象。
根据BCS理论，超导体中的电阻为零是由于电子之间存在一种称为库珀对的配对。
在超导体中，晶格中存在着正电荷的空穴，这些空穴可以吸引电子形成稳定的配对。
当温度降低到超导临界温度以下，库珀对形成并能够在超导体中自由流动，因此电阻消失。
Ginzburg-Landau理论Ginzburg-Landau理论是由列昂尼德·金斯堡和费欧多尔·朗道在1950年代提出的。
该理论描述了超导体的宏观行为，如磁性和能量耗散。
根据Ginzburg-Landau理论，超导体中的磁场会被超导电流所抵消，从而形成磁场的排斥现象。
此外，该理论还解释了超导体在磁场中出现的磁通量量子化现象。
超导体的应用由于超导体具有零电阻和磁场排斥等特性，因此在许多领域都有广泛的应用。
磁共振成像（MRI）磁共振成像是一种医学影像技术，使用超导磁体产生极强的磁场，使人体组织的核磁共振信号可以被检测并转换成图像。
超导磁体能够产生稳定的高磁场，从而提高了磁共振成像的分辨率。
磁悬浮列车磁悬浮列车利用超导体产生的强磁场与轨道上的磁力相互作用，从而实现无接触悬浮和高速运行。
由于超导体零电阻的特性，磁悬浮列车可以减小动力损失，提高效率，并且拥有更高的安全性。
超导体是什么
超导体是什么
超导体是一种在低温下能够以零电阻电流传输的材料。
当超导体被冷却至其临
界温度以下时，材料的电阻会突然消失，电流可以无阻碍地在其中流动。
这种特殊的电性质使得超导体在许多领域有着广泛的应用。
超导体的发现历程
超导现象最早于1911年被荷兰物理学家海克·卡梅林·奥姆斯发现。
他发现在
液态氦的温度下，汞的电阻突然消失，电流可以持续流过汞而不损失能量。
这一现象被后来的研究者称为超导现象，对于科学界来说是一次重大的突破。
超导体的分类
超导体可分为低温超导体和高温超导体两种。
低温超导体是指其临界温度较低，通常需要接近绝对零度才能展现超导性质，如铅、汞等金属；而高温超导体则是指其临界温度相对较高，甚至可以达到液氮温度以下，如YBCO、BiSrCaCuO等化合物。
超导体的应用领域
超导体在科学研究和工程领域有着广泛的应用。
在磁共振成像（MRI）、粒子
加速器、磁悬浮列车等领域，超导体的零电阻特性被广泛应用，能够提高系统的效率和性能。
此外，超导体还被用于制造高灵敏度的量子比特、超导量子干涉仪等高端科技产品。
超导体的未来发展
随着对超导体研究的深入，科学家们正在不断探索新的超导材料和机制。
希望
未来可以发现更高临界温度的超导体，以实现室温超导的梦想。
超导体的发展将为能源传输、电子器件、计算机科学等领域带来巨大的变革。
超导体的奇妙性质和广泛应用使其成为科学界的热点研究领域之一。
对超导体
的研究将为未来科技的发展和人类社会带来更多惊喜和挑战。
量子物理学中的超导体
量子物理学中的超导体引言超导体作为一种远离我们日常生活的物质，却在量子物理学的研究中扮演着重要的角色。
在本文中，我们将探讨超导体的一些基本特性、应用及研究进展。
超导体的基本特性超导体是一种材料，在特定的温度和压力下可以表现出许多令人惊讶的性质。
其中最引人注目的是超导性：电阻几乎为零，电流可以不受限制地在超导体中传导。
这一性质在实际应用中有很多重要的作用，例如加速器、MRI（磁共振成像）和磁悬浮列车等。
量子物理学的理论可以用来解释超导性。
在超导体的温度低于其临界温度时，电子将以一种集体的方式组成“库伯对”。
这些库伯对通过共振相互作用，可以以零电阻的方式传导电流。
这些对既是超导性的来源，也是超导体操纵的重要目标。
超导体的应用超导体可以用于多种工程和医学应用，下面列举其中一些：1. 加速器在粒子物理学中，需要将质子加速到极高的速度，以在碰撞中研究物质微观结构。
这通常需要高电流和庞大的磁场。
超导体可以在如此高的电流下快速、有效地传导电能，并且在激烈的磁场中表现出很少的电阻和热量损失。
2. MRIMRI是临床诊断中最常用的影像技术之一。
这种技术利用较强的磁场和无害的无线电波来产生人体内部器官和组织的三维图像。
在MRI系统中，铁盒和磁体使用超导材料，以便能够产生足够强的磁场，并提高扫描质量。
3. 磁悬浮列车磁悬浮列车是一种速度非常快的交通工具，它使用磁力和超导体来悬浮和推动列车。
因为没有接触到轨道，所以列车的运行速度可以达到高于现有任何公共交通工具的水平。
同时，这种交通方式也节省了燃料、降低了污染，有望成为未来城市交通工具的主要选择。
超导体的研究进展随着对超导体原理的逐渐了解，研究人员们对超导体的应用和创新也越来越有信心。
以下列举一些最新的研究发现：1. 量子比特量子比特是基于量子力学的计算机处理单元。
标准计算机处理数字时，只处理0和1这两个二进制数字。
而量子比特可同时代表0和1，其值是模糊的（类似于波与粒子的双重性），这种能力使得量子计算机可以比传统计算机更快地解决许多问题。
超导体的原理与应用
超导体的原理与应用超导体是一种具有特殊电学特性的材料，能够在低于某一临界温度时，呈现出零电阻和排斥磁场的现象。
由于其独特的物理特性，超导体在科学研究与应用领域中扮演着重要角色。
本文将从超导的基本原理入手，探讨其应用领域及未来的发展趋势。
超导体的基本原理超导现象的发现超导现象最早由荷兰物理学家海克·卡末林·昂尼斯于1911年发现。
他研究汞在低温下的电性时发现，当温度降到4.2K时，汞的电阻突然降为零。
此后，科学家们对超导体进行了更深入的研究，逐步揭示了此现象背后的物理机制。
迈斯纳效应当超导材料被置于外部磁场中时，它不仅能完全屏蔽内部的磁场，还能将外部磁场排斥出去，这一现象被称为迈斯纳效应。
迈斯纳效应是判断材料是否为超导体的重要指标之一。
它使得超导体具有抗磁性，这一特性在许多实际应用中非常有用。
配对模型解释超导现象的主要理论是BCS理论（巴丁-库珀-施里弗理论）。
该理论提出，在超导状态下，电子在晶格中相互作用形成称为库珀对的粒子对，这些对通过声子的机制而结合，从而导致材料表现出零电阻。
库珀对的不受散射地运动使得无法耗散电能，进而产生超导状态。
临界温度与材料类型每种超导材料都有一个临界温度（Tc），在此温度以下材料才能表现出超导特性。
根据临界温度的不同，超导材料可分为低温超导材料（如铅、汞）和高温超导材料（如钇钡铜氧化物）。
高温超导材料在相对较高的温度下即可实现超导状态，因此成为研究热点。
超导体的重要应用磁悬浮技术磁悬浮技术是利用超导体抗磁性原理的一种应用。
在磁悬浮列车中，列车底部装有超导材料，通过与轨道间的强磁场相互作用，使得列车悬浮在轨道上方，有效减少了摩擦力。
这样不仅提高了速度（可达500km/h以上），还降低了能量消耗，从而使得交通变得更加高效环保。
医疗成像设备超导体广泛运用于医学影像技术，其中最著名的是核磁共振成像（MRI）系统。
MRI设备利用高强度磁场和射频脉冲扫描人体内部结构。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
摘要：自1911年以来，陆续发现某些元素、合金、化合物或其他材料，当温度低于某临界温度T c以下时，电阻小到微不足道，这种现象称为超导电性。
具有超导电下哦那个的材料成为超导体。
1933年发现超导体具有抗磁性，这种现象称为麦斯纳（Meissner）效应。
20世纪70年代发现的超导体主要是元素超导体（包括金属和半导体）和合金超导体，临界温度一般为几K，最高不超过30K,这些称为常规超导体。
20世纪80年代以来陆续发现某些铜氧化物超导体，临界温度可达数十K甚至超过100K,这些称为高温超导体。
由于高温超导体具有奇特特性和广阔的应用前景，因此，对高温超导现象的理论与实验研究有着重要意义，是当今凝聚态物理一个重要的前沿课题。
关键词：超导体迈斯纳效应BCS理论高温超导体
超导体的基本特征
1超导体的临界温度
我们把电阻突然消失的温度称为超导体的临界温度T
C。
到目前为止，人们发现周期表中相当一部分元素在各种条件下出现超导电性。
2超导体的临界磁场
用一个磁场加到超导体上之后，当磁场达到某一定值时，超导体就回复了电阻，回到了正常态。
假如把磁场平行的加到一根细长的超导棒上，在一定的磁场强度下，棒的电阻突然恢复，使这个电阻突然恢复的磁场值称为临界磁场。
当外磁场强度增加到某一临界值H
C
时，超导体的导电性受到破坏，材料由
超导态转为正常态，临界磁场H
c 与温度T有关，H
c
(T)的经验公式为
H C =H
C
(0)［1-（T/T
C
）2］[1] (T≦T
C
)
3临界电流
实验发现，当对超导线通以电流时，无阻的超流态要受到电流大小的限制，
当电流达到某一临界值I
之后，超导体将恢复到正常态，对大多数超导金属元
C
素正常态的恢复是突变的，我们称这个电流为临界电流。
二、迈斯纳效应
1933年德国物理学家Meissner和Ochsenfeld对锡单晶球超导体做磁场分布测量时在弱磁场中把金属冷却进入超导态时的磁感应线似乎一下子被排斥出，保持体内磁感应强度等于零。
当材料处在超导状态时，随着进入超导体内部的增加磁场速度衰减，磁场主要存在于超导体表面一定厚度的薄层内。
对于宏观超导体，若把这个薄层看成趋近于零，则可近似认为超导体内部磁感应强度B=0超导体有完全抗磁性，我们称之为理想迈斯纳态，不能理想化的状态称之为一般迈斯纳态。
三、Josephson效应
作为超导载体的Cooper对能以一定几率贯穿能垒,称此为隧道效应。
例如,在两层超导物质间夹有厚度为纳米量级的绝缘层,若通过连线导入电流,该电流则以电阻为零的状态流动。
BCS理论的创立
1955年，巴丁应德国出版的《物理学手册》的邀请，写了一篇关于超导理论的述评．这使巴丁对当时的超导研究有了更全面的了解．这时，巴丁已经明确了超导现象的产生涉及3个关键因素：一是电子～声子相互作用；二是能隙的存在：三是速度空间的凝聚．
要真正建立微观理论。
关键是要对超导态有一个清晰的物理图像．1956年春天，库珀不负众望，迈出了关键的一步，提出了超导理论所需要的额图像．库珀利用量子场论方法，直接从动力学的角度考虑相互吸引的直接作用，得到了费米面近旁两个动量和自旋都大小相等而方向相反的电子能结合成对。
这种电子对被称为“库珀对”。
库珀对的提出成为Bcs理论成功的关键．
库珀对提出后巴丁指出，单用库珀方法构造一个超导理论还是不可能，必须找到超导体的基态波函数，这个重任落到了施里弗的肩上。
他凭借自己的直觉和灵感，大胆地猜出一个考虑了库珀对的超导基态波函数的可能形式。
经过数学处理，他得到了能隙方程，吸引势的简单模型以及绝对零度时的凝聚能。
巴丁认真地核实了施里弗提出的超导基态波函数，很快就确认了它的正确性。
1957年3月，巴丁、库珀和施里弗三人有关超导理论的头两篇专题论文在费城召开的美国物理学会年会上公开发表．库珀代表三人首次公开地报告了这一理论的有关成果．人们习惯上取三位作者各自姓氏的第一个字母，称这一理论为BCS 理论
高温超导体
1973年发现锗化铌（Nb 3Ge ），将 Tc 提高至 23.2 K ，此后随然陆续发现多
新的超导体，但是在 Tc 的提升方面却无法再突破，使 Nb 3Ge 停留在最高 Tc 之
位长达13 年之久。
直到 1986 年，瑞士 IBM 苏黎士研究所的 Bednorz 和 Muller 发现一类具有 K 2NiF 4 型结构的超导体材料，名义上的成分（nominal
composition ）为镧钡铜氧（La 4.25Ba 0.75Cu 5O 15-x ），其 Tc 高达 35 K 。
再度引起全
世界对新型高溫超导体领域研究的高度兴趣。
紧接着在 1987 年由吴茂昆与朱经武两位教授等人发现 Tc 高达 90 K 以上的超导体钇钡铜氧化合物 （YBa 2Cu 3O 7-x ），首度将 Tc 提高至液态氮温度（77 K ）以上。
此发现突破 BCS 理
论预测的极限，因此科学家对于高温超导体理论之研究及更高Tc 的超导体化合物的发展燃起了新的希望。
在一发现的高温超导材料中，YBCO （YBa 2Cu 3O 7-δ）以其在77K 下所就有的优
良性能（高的临界转化温度T c =92K,高的临界电流密度J c =72A/cm 2
和高的临界磁
场H C =120T ，引起各国科学家越来越的研究兴趣，YBCO 高温超导体块材料在工程
上有着许多潜在的应用，如可以用作磁性轴承、磁体（利用捕获磁通）、故障电流限制器及飞轮储能系统等。
图 3 为自 1911 年发现超导现象起的超导体发展历史
参考文献
[1]郭硕鸿《电动力学》 2006年6月第3版。