神奇的超導(dǎo)現(xiàn)象

袁盟翔 向佳穎 張凱翔 石凝一

一、什么是超導(dǎo)

我們都知道歐姆定律：在同一電路中，通過(guò)某段導(dǎo)體的電流跟這段導(dǎo)體兩端的電壓成正比，跟這段導(dǎo)體的電阻成反比。該定律是由德國(guó)物理學(xué)家喬治·西蒙·歐姆1826年4月發(fā)表的《金屬導(dǎo)電定律的測(cè)定》論文提出的。

隨研究電路工作的進(jìn)展，人們逐漸認(rèn)識(shí)到歐姆定律的重要性，歐姆本人的聲譽(yù)也大大提高。為了紀(jì)念歐姆對(duì)電磁學(xué)的貢獻(xiàn)，物理學(xué)界將電阻的單位命名為歐姆，以符號(hào)Ω表示。[1]

那么當(dāng)電阻R為零時(shí)會(huì)怎樣那？

1911年，荷蘭萊頓大學(xué)的H·卡茂林·昂內(nèi)斯意外地發(fā)現(xiàn)，將汞冷卻到-268.98℃（4.2K）時(shí)，汞的電阻突然消失。后來(lái)他又發(fā)現(xiàn)許多金屬和合金都具有與上述汞相類(lèi)似的低溫下失去電阻的特性，由于它的特殊導(dǎo)電性能，H·卡茂林·昂內(nèi)斯稱(chēng)之為超導(dǎo)態(tài)。昂內(nèi)斯由于他的這一發(fā)現(xiàn)獲得了1913年諾貝爾獎(jiǎng)。

超導(dǎo)是指某些物質(zhì)在一定溫度條件下（一般為較低溫度）電阻降為零的性質(zhì)。

二、超導(dǎo)體的三個(gè)基本特性

超導(dǎo)體具有三個(gè)基本特性：完全電導(dǎo)性、完全抗磁性、通量量子化。

1、邁納斯效應(yīng)：完全抗磁（邁斯納效應(yīng)）——超導(dǎo)體最重要特征[2]

邁斯納效應(yīng)指明了超導(dǎo)態(tài)是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，與如何進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)的途徑無(wú)關(guān)，超導(dǎo)態(tài)的零電阻現(xiàn)象和邁斯納效應(yīng)是超導(dǎo)態(tài)的兩個(gè)相互獨(dú)立，又相互聯(lián)系的基本屬性。單純的零電阻并不能保證邁斯納效應(yīng)的存在，但零電阻效應(yīng)又是邁斯納效應(yīng)的必要條件。因此，衡量一種材料是否是超導(dǎo)體，必須看是否同時(shí)具備零電阻和邁斯納效應(yīng)。

2、完全導(dǎo)電性

完全電導(dǎo)性又稱(chēng)零電阻效應(yīng)，指溫度降低至某一溫度以下，電阻突然消失的現(xiàn)象。完全電導(dǎo)性適用于直流電，超導(dǎo)體在處于交變電流或交變磁場(chǎng)的情況下，會(huì)出現(xiàn)交流損耗，且頻率越高，損耗越大。[3]交流損耗是超導(dǎo)體實(shí)際應(yīng)用中需要解決的一個(gè)重要問(wèn)題，在宏觀上，交流損耗由超導(dǎo)材料內(nèi)部產(chǎn)生的感應(yīng)電場(chǎng)與感生電流密度不同引起；在微觀上，交流損耗由量子化磁通線粘滯運(yùn)動(dòng)引起。交流損耗是表征超導(dǎo)材料性能的一個(gè)重要參數(shù)，如果交流損耗能夠降低，則可以降低超導(dǎo)裝置的制冷費(fèi)用，提高運(yùn)行的穩(wěn)定性。[4]

3、通量量子化

通量量子化又稱(chēng)約瑟夫森效應(yīng)，指當(dāng)兩層超導(dǎo)體之間的絕緣層薄至原子尺寸時(shí)，電子對(duì)可以穿過(guò)絕緣層產(chǎn)生隧道電流的現(xiàn)象，即在超導(dǎo)體（superconductor）—絕緣體（insulator）—超導(dǎo)體（superconductor）結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生超導(dǎo)電流。

約瑟夫森效應(yīng)是超導(dǎo)弱磁技術(shù)的理論基礎(chǔ)。

三、超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用

超導(dǎo)技術(shù)是一項(xiàng)具有重要應(yīng)用價(jià)值和巨大開(kāi)發(fā)前景的高技術(shù)，它在軍事上的潛在應(yīng)用可分為強(qiáng)磁和弱磁兩大類(lèi)。超導(dǎo)強(qiáng)磁技術(shù)主要是利用超導(dǎo)材料能夠產(chǎn)生很高的穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)，據(jù)此將可制成超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置、超導(dǎo)電機(jī)和電磁推進(jìn)裝置。

1、超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置：這種儲(chǔ)能裝置將可長(zhǎng)時(shí)期儲(chǔ)存大量的能量，然后根據(jù)需要加以釋放。大型超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)將可作為陸基自由電子激光器或天基定向能武器的功率源；

2、超導(dǎo)電機(jī)：這種電機(jī)的體積和質(zhì)量將比常規(guī)電機(jī)顯著縮小，功率成倍增長(zhǎng)，效率大大提高，可為武器裝備提供動(dòng)力；

3、電磁推進(jìn)裝置：用超導(dǎo)強(qiáng)磁材料制造的電磁推進(jìn)裝置，把電能直接轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)力，將能以很高的速度推進(jìn)大質(zhì)量的物體，在軍事上用作艦艇的動(dòng)力裝置，可消除傳動(dòng)噪聲，提高隱蔽性；也可用作電磁炮的動(dòng)力裝置。

五、超導(dǎo)的研究趨勢(shì)

1、銅氧超導(dǎo)體

銅氧超導(dǎo)體包括90K的稀土系，110K的鉍系，125K的鉈系，135K的汞系超導(dǎo)體。它們都含有銅和氧，因此稱(chēng)為銅氧超導(dǎo)體。銅氧超導(dǎo)體具有相似的層狀結(jié)晶結(jié)構(gòu)，其中銅氧層是超導(dǎo)層。

目前，對(duì)銅氧超導(dǎo)體的研究呈現(xiàn)以下趨勢(shì)：首先，銅氧超導(dǎo)體已經(jīng)較為成熟，如由鉈-鋇-鈣-銅-氧超導(dǎo)薄膜制成的裝置，已應(yīng)用于移動(dòng)電話的發(fā)射塔，以增加容量，減少斷線和外界干擾。[5]其次，銅氧超導(dǎo)體的基礎(chǔ)研究處在瓶頸階段，轉(zhuǎn)變溫度一直以來(lái)不能突破164K。再次，對(duì)銅氧超導(dǎo)體的機(jī)理研究有所進(jìn)展。

2、鐵基超導(dǎo)體

鐵基超導(dǎo)體之所以受到關(guān)注，原因有兩點(diǎn)：其一，F(xiàn)e離子是磁性離子，打破了磁性離子不利于超導(dǎo)的觀點(diǎn)，為探索新的超導(dǎo)體提供了一種思路；其二，類(lèi)似于銅氧超導(dǎo)體，鐵基超導(dǎo)體也存在強(qiáng)的電子與自旋相互作用，對(duì)探明高溫超導(dǎo)機(jī)理有參考價(jià)值。[6]

3、硼化鎂超導(dǎo)體

硼化鎂的轉(zhuǎn)變溫度幾乎高達(dá)其他同類(lèi)型超導(dǎo)體的兩倍，而它的實(shí)際工作溫度為20～30K。要達(dá)到這個(gè)溫度可借由液態(tài)氖、液態(tài)氫或是封閉循環(huán)式冷凍機(jī)來(lái)完成降溫。比起目前工業(yè)界以液態(tài)氦來(lái)冷卻鈮合金（4K），這些方法既簡(jiǎn)單又省錢(qián)。一旦摻雜了碳或其他雜質(zhì)，硼化鎂在有磁場(chǎng)或有電流通過(guò)的情況下，維持超導(dǎo)性的能力不亞于鈮合金，甚至更好。

六、結(jié)語(yǔ)

超導(dǎo)的世界神奇而浩渺，它的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，許多未知的東西等待我們?nèi)ヌ剿鳎瑢?dǎo)材料的實(shí)用化已取得較大進(jìn)展，它在大電流技術(shù)中的應(yīng)用前景是最激動(dòng)人心的。讓我們努力學(xué)好基礎(chǔ)知識(shí)，為今后能在科學(xué)的海洋里自由翱翔而奮斗！

參考文獻(xiàn)：

[1]喬治·西蒙·歐姆——?dú)W姆定律.學(xué)科王[引用日期2013-12-04]；

[2]馮慶榮[C]，超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用[J]2010-第六屆全國(guó)高等學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討會(huì)；

[3]鄭冀，梁輝，馬衛(wèi)兵 等.材料物理性能：天津大學(xué)出版社，2008；

[4]金翀，李振明，丘明.熱測(cè)法測(cè)量高溫超導(dǎo)材料交流損耗的研究綜述[J].低溫工程，2010（6）：19-24；

[5]Yang Y，Li L，Wu Y.Transmission electron microscopy study of low-temperature post-annealed Tl2Ba2CaCu2O8 thin films[J].Superconductor Science&Technology;，1997，10（3）：156-160.

[6]趙忠賢，于淥.鐵基超導(dǎo)體物性基礎(chǔ)研究：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2013：1；