超導(dǎo)現(xiàn)象及超導(dǎo)體概述

劉明坤 王紅宇 王浩 王天倚 何亮

摘要：超導(dǎo)現(xiàn)象指的是某些材料在溫度降低到某一臨界溫度時(shí)，電阻突然消失的現(xiàn)象。自超導(dǎo)現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)以來，科學(xué)家一直致力于新型超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)，超導(dǎo)微觀機(jī)理的研究以及超導(dǎo)體的應(yīng)用。本文對超導(dǎo)現(xiàn)象及一些超導(dǎo)體的特性進(jìn)行了概述。

關(guān)鍵詞：超導(dǎo)體;零電阻;邁斯納效應(yīng)

超導(dǎo)現(xiàn)象和超導(dǎo)體

1908年7月10日，荷蘭萊頓大學(xué)的昂尼斯等人成功地將氦氣液化。沸點(diǎn)為4.2K的液態(tài)氦為低溫物理的研究打開了一扇新的大門[1]。1911年4月8日，昂尼斯等人在研究金屬在低溫下的電阻行為的實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)金屬汞冷卻到4.2K時(shí)，其電阻值突然下降到儀器測量范圍的最低點(diǎn)，這在實(shí)驗(yàn)上可認(rèn)為金屬汞在4.2K的溫度條件下的電阻降為了零[2]。昂尼斯把這種材料在低溫下表現(xiàn)出電阻為零的現(xiàn)象稱為超導(dǎo)現(xiàn)象。超導(dǎo)現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)后，引起了科研工作者們的極大關(guān)注。在發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象的半個(gè)世紀(jì)里，陸續(xù)又發(fā)現(xiàn)了許多的金屬以及合金在低溫條件下同樣有超導(dǎo)現(xiàn)象的出現(xiàn)，而一些非金屬單質(zhì)在溫度、壓力等外界條件的干預(yù)下也會(huì)有超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)生。除了一些磁性單質(zhì)、惰性氣體、放射性重元素和部分堿金屬外，許多元素單質(zhì)在一定條件下都可以成為超導(dǎo)體[3]。德國物理學(xué)家邁斯納在1933年的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，超導(dǎo)體除了具有零電阻的特性之外，還具有另外一個(gè)獨(dú)立的特殊性質(zhì)，即完全抗磁性[4]。當(dāng)超導(dǎo)體進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)時(shí)，外界的磁場不能進(jìn)入材料內(nèi)部，同時(shí)材料內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零。在此之后，人們想要確定一種材料是否為超導(dǎo)體材料，就必須滿足零電阻和邁斯納效應(yīng)這兩種條件。

超導(dǎo)體被發(fā)現(xiàn)后，人們提出了很多的理論來解釋超導(dǎo)體的零電阻特性的形成原因，其中具有代表性的是BCS理論[5]。BCS理論解釋了超導(dǎo)體形成的微觀機(jī)理，這一理論指出，金屬中自旋和動(dòng)量相反的電子可以配對形成一種“庫珀對”，庫珀對在材料的晶格當(dāng)中可以無損耗的運(yùn)動(dòng)，形成超導(dǎo)電流，在一定條件下能夠出現(xiàn)零電阻現(xiàn)象。此外BCS理論也預(yù)言了這種機(jī)制所誘導(dǎo)的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度不能超過40K，這稱為麥克米蘭極限[6]。

零電阻與邁斯納效應(yīng)

自1911年發(fā)現(xiàn)金屬汞有零電阻現(xiàn)象后，至今為止已經(jīng)有上千種的超導(dǎo)體被人們所發(fā)現(xiàn)。元素周期表中的大部分元素都會(huì)在特定的條件下變成超導(dǎo)體。超導(dǎo)材料中的電子可以不受阻尼地運(yùn)動(dòng)，并且在偏移之后形成“永久”電流。曾經(jīng)有人把超導(dǎo)線圈放入磁場中，當(dāng)撤銷外界磁場時(shí)，線圈內(nèi)會(huì)因?yàn)榇艌龅挠绊懚a(chǎn)生感應(yīng)電流。在非超導(dǎo)體材料中的感應(yīng)電流很快就會(huì)衰減，而超導(dǎo)材料制成線圈中卻一直存在著感應(yīng)電流。我們可以把超導(dǎo)體制成電纜，利用零電阻的特性消除傳輸時(shí)的電力損耗;還可以制成超導(dǎo)線圈，利用強(qiáng)電流產(chǎn)生強(qiáng)磁場。超導(dǎo)體的特殊性質(zhì)不單單是零電阻。Meissner和Ochsenfeld發(fā)現(xiàn)，當(dāng)超導(dǎo)體處于超導(dǎo)狀態(tài)時(shí)，超導(dǎo)材料的內(nèi)部磁場為零，磁感應(yīng)線被排除在外，這種完全抗磁的現(xiàn)象被稱為邁斯納（Meissner effect）效應(yīng)，在此之后，判斷某種材料是否為超導(dǎo)體的依據(jù)就是觀察其是否具有零電阻與邁斯納效應(yīng)。

超導(dǎo)體的重要基本參數(shù)

超導(dǎo)體的性能是由其固有參數(shù)決定的，其中有三個(gè)最為重要的基本參數(shù)，分別為臨界轉(zhuǎn)變溫度（Tc）、上臨界場（Hc2） 和臨界電流密度（Jc）這三種，這三種參數(shù)的值越大，材料的應(yīng)用范圍就越廣。

1. 臨界轉(zhuǎn)變溫度

當(dāng)材料溫度低于臨界轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，材料表現(xiàn)為超導(dǎo)狀態(tài)，當(dāng)材料溫度高于臨界超導(dǎo)溫度時(shí)，材料呈正常狀態(tài)，臨界轉(zhuǎn)變溫度Tc是超導(dǎo)材料的重要參數(shù)。臨界轉(zhuǎn)變溫度越高，材料從正常狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)狀態(tài)就越容易實(shí)現(xiàn)。在后期的應(yīng)用上也會(huì)更加節(jié)能。

2. 上臨界場

上臨界場Hc2是超導(dǎo)體在外界磁場的干涉下是否仍能保持超導(dǎo)狀態(tài)的重要參數(shù)。當(dāng)參與干預(yù)的磁場強(qiáng)度高于上臨界場的數(shù)值時(shí)，材料從超導(dǎo)狀態(tài)恢復(fù)到正常狀態(tài)。根據(jù)公式：

可知上臨界場的大小與溫度有關(guān)。這項(xiàng)臨界參數(shù)決定了材料能夠?qū)崿F(xiàn)超導(dǎo)的最高外界磁場大小。上臨界場參數(shù)越高，材料在超導(dǎo)狀態(tài)下能夠承受的外界磁場就越強(qiáng)。因此在強(qiáng)磁場下工作的超導(dǎo)材料其自身往往需要具有較高的上臨界場。

3. 臨界電流密度

超導(dǎo)材料保持零電阻狀態(tài)時(shí)存在著一個(gè)電流上限，我們稱之為臨界電流密度。當(dāng)通入超導(dǎo)體材料的電流密度超過了其自身的臨界電流密度時(shí)，超導(dǎo)體的零電阻現(xiàn)象將會(huì)消失，恢復(fù)成正常的導(dǎo)體狀態(tài)。這項(xiàng)參數(shù)決定了當(dāng)材料被制成超導(dǎo)帶材后，高溫超導(dǎo)體所參與制成的儀器能夠承受的最大電流密度存在一定上限。

第二類超導(dǎo)體與強(qiáng)場下的應(yīng)用

超導(dǎo)體具有邁斯納效應(yīng)，即在其內(nèi)部沒有磁感線穿過。因此，在強(qiáng)電流或者強(qiáng)磁場的作用下，這種超導(dǎo)體就無法正常工作。1957年，Alexi Abrikosov發(fā)現(xiàn)，存在著與常規(guī)超導(dǎo)體不同的“第二類超導(dǎo)體”。對第二類超導(dǎo)體來說，隨著磁場增強(qiáng)，超導(dǎo)態(tài)向正常態(tài)之間轉(zhuǎn)變的過程中，要經(jīng)歷一個(gè)混合態(tài)。而在這種混合狀態(tài)下，材料內(nèi)部是允許有磁場進(jìn)入的，同時(shí)材料仍能保持零電阻狀態(tài)。當(dāng)磁場繼續(xù)增強(qiáng)時(shí)，材料會(huì)正式轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)，失去超導(dǎo)特性。

第二類超導(dǎo)體包括NbTi，Nb3Sn，V3Ga，Nb3Ga，Nb3Ge等。在超導(dǎo)電纜輸電、磁約束受控核聚變等強(qiáng)場領(lǐng)域都能夠看到第二類超導(dǎo)體的身影。這些應(yīng)用正是采用了對第二類超導(dǎo)體混合態(tài)的利用。超導(dǎo)體除了零電阻和邁斯納效應(yīng)等基本特性外，還具有磁通量子效應(yīng)、約瑟夫森效應(yīng)等特殊的物理性質(zhì)，在磁屏蔽，微弱電磁測量等領(lǐng)域也都得到了應(yīng)用。相信在不久的未來，我們會(huì)在更多的領(lǐng)域利用到超導(dǎo)體的其他奇異特性。

參考文獻(xiàn)

[1]羅會(huì)仟.鐵基超導(dǎo)的前世今生[J].物理，2014，43（07）：430-438.