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超導體（某一溫度下電阻為零的導體）

次瀏覽 | 更新時間：2023-05-20

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超導體

某一溫度下電阻為零的導體

超導體（英文名：superconductor），又稱為超導材料，指在某一溫度下，電阻為零的導體。在實驗中，若導體電阻的測量值低于10負25次方歐，可以認為電阻為零。

超導體不僅具有零電阻的特性，另一個重要特征是完全抗磁性。

人類最初發(fā)現(xiàn)超導體是在1911年，這一年荷蘭科學家?？恕た┝帧ぐ簝人?/a>（Heike Kamerlingh Onnes）等人發(fā)現(xiàn)，汞在極低的溫度下，其電阻消失，呈超導狀態(tài)。此后超導體的研究日趨深入，一方面，多種具有實用潛力的超導材料被發(fā)現(xiàn)，另一方面，對超導機理的研究也有一定進展。

目前，超導體已經進行了一系列試驗性應用，并且開展了一定的軍事、商業(yè)應用，在通信領域可以作為光子晶體的缺陷材料。

基本信息

中文名	超導體
外文名	superconductor
別名	超導材料
提出者	?？恕た┝帧ぐ簝人?/div>
應用學科	物理學

展開

背景

超導體的發(fā)現(xiàn)與低溫研究密不可分。在18世紀，由于低溫技術的限制，人們認為存在不能被液化的“永久氣體”，如氫氣、氦氣等。1898年，英國物理學家杜瓦制得液氫。1908年，荷蘭萊頓大學萊頓低溫實驗室的卡末林·昂內斯教授成功將最后一種“永久氣體”——氦氣液化，并通過降低液氦蒸汽壓的方法，獲得1.15~4.25K的低溫。低溫研究的突破，為超導體的發(fā)現(xiàn)奠定了基礎。

在19世紀末20世紀初，對金屬的電阻在絕對零度附近的變化情況，有不同的說法。一種觀點認為純金屬的電阻應隨溫度的降低而降低，并在絕對零度時消失。另一種觀點，以威廉·湯姆遜（開爾文男爵）為代表，認為隨著溫度的降低，金屬的電阻在達到一極小值后，會由于電子凝聚到金屬原子上而變?yōu)闊o限大。

1911年2月，掌握了液氦和低溫技術的卡末林·昂尼斯發(fā)現(xiàn)，在4.3K以下，鉑的電阻保持為一常數(shù)，而不是通過一極小值后再增大。因此卡末林·昂尼斯認為純鉑的電阻應在液氦溫度下消失。為了驗證這種猜想，卡末林·昂尼斯選擇了更容易提純的汞作為實驗對象。首先，卡末林·昂尼斯將汞冷卻到零下40℃，使汞凝固成線狀；然后利用液氦將溫度降低至4.2K附近，并在汞線兩端施加電壓；當溫度稍低于4.2K時，汞的電阻突然消失，表現(xiàn)出超導狀態(tài)。

基本特性

超導體具有三個基本特性：完全電導性、完全抗磁性、通量量子化。

完全導電性

完全電導性又稱零電阻效應，指溫度降低至某一溫度以下，電阻突然消失的現(xiàn)象。

完全電導性適用于直流電，超導體在處于交變電流或交變磁場的情況下，會出現(xiàn)交流損耗，且頻率越高，損耗越大。交流損耗是超導體實際應用中需要解決的一個重要問題，在宏觀上，交流損耗由超導材料內部產生的感應電場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動引起。交流損耗是表征超導材料性能的一個重要參數(shù)，如果交流損耗能夠降低，則可以降低超導裝置的制冷費用，提高運行的穩(wěn)定性。

完全抗磁性

完全抗磁性又稱邁斯納效應，“抗磁性”指在磁場強度低于臨界值的情況下，磁力線無法穿過超導體，超導體內部磁場為零的現(xiàn)象，“完全”指降低溫度達到超導態(tài)、施加磁場兩項操作的順序可以顛倒。完全抗磁性的原因是，超導體表面能夠產生一個無損耗的抗磁超導電流，這一電流產生的磁場，抵消了超導體內部的磁場。

超導體電阻為零的特性為人們所熟知，但超導體并不等同于理想導體。從電磁理論出發(fā)，可以推導出如下結論：若先將理想導體冷卻至低溫，再置于磁場中，理想導體內部磁場為零；但若先將理想導體置于磁場中，再冷卻至低溫，理想導體內部磁場不為零。對于超導體而言，降低溫度達到超導態(tài)、施加磁場這兩種操作，無論其順序如何，超導體超導體內部磁場始終為零，這是完全抗磁性的核心，也是超導體區(qū)別于理想導體的關鍵。

通量量子化

通量量子化又稱約瑟夫森效應，指當兩層超導體之間的絕緣層薄至原子尺寸時，電子對可以穿過絕緣層產生隧道電流的現(xiàn)象，即在超導體（superconductor）—絕緣體（insulator）—超導體（superconductor）結構可以產生超導電流。

約瑟夫森效應分為直流約瑟夫森效應和交流約瑟夫森效應。直流約瑟夫森效應指電子對可以通過絕緣層形成超導電流。交流約瑟夫森效應指當外加直流電壓達到一定程度時，除存在直流超導電流外，還存在交流電流，將超導體放在磁場中，磁場透入絕緣層，超導結的最大超導電流隨外磁場大小作有規(guī)律的變化。

臨界參數(shù)

超導體具有三個臨界參數(shù)：臨界轉變溫度Tc、臨界磁場強度Hc、臨界電流密度Jc。當超導體同時處于三個臨界條件內時，才顯示出超導性。

（1）臨界轉變溫度Tc：當溫度低于臨界轉變溫度Tc時，材料處于超導態(tài)；超過臨界轉變溫度Tc，超導體由超導態(tài)恢復為正常狀態(tài)。

（2）臨界磁場強度Hc：當外界磁場強度超過臨界磁場強度Hc時，超導體由超導體恢復為正常狀態(tài)。臨界磁場強度Hc與溫度有關，關系式如下：

（3）臨界電流密度Jc：當通過超導體的電流密度超過臨界電流密度Jc時，超導體由超導體恢復為正常狀態(tài)。臨界電流密度Jc與溫度、磁場強度有關。

理論解釋

為闡明超導體的機理，科學家提出了多種理論，包括：1935年提出的，用于描述超導電流與弱磁場關系的London方程；1950~1953年提出的，用于完善London方程的Pippard理論；1950年提出的，用于描述超導電流與強磁場（接近臨界磁場強度）關系的GL（Ginzburg-Landau）理論；1957年提出的，從微觀機制上解釋第一類超導體的BCS（Bardeen-Cooper-Schrieffer）理論等。其中比較重要的理論有BCS理論、GL理論。

BCS理論

BCS理論是以近自由電子模型為基礎，以弱電子－聲子相互作用為前提建立的理論。理論的提出者是巴丁（J.Bardeen）、庫珀（L.V.Cooper）、施里弗（J.R.Schrieffer）。

BCS理論認為，金屬中自旋和動量相反的電子可以配對形成庫珀對，庫珀對在晶格當中可以無損耗的運動，形成超導電流。對于庫珀對產生的原因，BCS理論做出了如下解釋：電子在晶格中移動時會吸引鄰近格點上的正電荷，導致格點的局部畸變，形成一個局域的高正電荷區(qū)。這個局域的高正電荷區(qū)會吸引自旋相反的電子，和原來的電子以一定的結合能相結合配對。在很低的溫度下，這個結合能可能高于晶格原子振動的能量，這樣，電子對將不會和晶格發(fā)生能量交換，沒有電阻，形成超導電流。

BCS理論很好地從微觀上解釋了第一類超導體存在的原因，理論的提出者巴丁、庫珀、施里弗因此獲得1972年諾貝爾物理學獎。但BCS理論無法解釋第二類超導體存在的原因，尤其是根據(jù)BCS理論得出的麥克米蘭極限溫度（超導體的臨界轉變溫度不能高于40K），早已被第二類超導體突破。

GL理論

GL理論是在朗道二級相變理論的基礎上提出的唯象理論。理論的提出者是京茨堡（Ginzburg）、朗道（Landau）。

GL理論的提出是基于以下考慮：當外界磁場強度接近超導體的臨近磁場強度時，超導體的電流不服從線性規(guī)律，且超導體的零點振動能不可忽略。

GL理論的最大貢獻在于預見了第二類超導體的存在。從GL理論出發(fā)，可以引出表面能κ的概念。當超導體的表面能κ大于根號二分之一時，為第一類超導體；當超導體的表面能k小于根號二分之一時，為第二類超導體。

分類

超導體的分類方法有以下幾種：

（1）根據(jù)材料對于磁場的響應：第一類超導體和第二類超導體。從宏觀物理性能上看，第一類超導體只存在單一的臨界磁場強度；第二類超導體有兩個臨界磁場強度值，在兩個臨界值之間，材料允許部分磁場穿透材料。從理論上看，如上文“理論解釋”中的GL理論所言，參數(shù)κ是劃分兩類超導體的標準。

在已發(fā)現(xiàn)的元素超導體中，第一類超導體占大多數(shù)，只有釩、鈮、锝屬于屬于第二類超導體；但很多合金超導體和化合物超導體都屬于第二類超導體。

（2）根據(jù)解釋理論：傳統(tǒng)超導體（可以用BCS理論或其推論解釋）和非傳統(tǒng)超導體（不能用BCS理論解釋）。

（3）根據(jù)臨界溫度：高溫超導體和低溫超導體。高溫超導體通常指臨界溫度高于液氮溫度（大于77K）的超導體，低溫超導體通常指臨界溫度低于液氮溫度（小于77K）的超導體。

超導體

（4）根據(jù)材料類型：元素超導體（如鉛和水銀）、合金超導體（如鈮鈦合金）、氧化物超導體（如釔鋇銅氧化物）、有機超導體（如碳納米管）。

發(fā)展史

20世紀中前期

1911年，荷蘭科學家卡末林—昂內斯用液氦冷卻汞，當溫度下降到4.2K（﹣268.95℃）時，汞的電阻完全消失，卡末林將這種現(xiàn)象稱為超導電性。卡末林因此獲得1913年諾貝爾獎。

1933年，邁斯納和奧克森菲爾德兩位科學家發(fā)現(xiàn)超導體的完全抗磁性，后人稱之為“邁斯納效應”。

超導體

從1954年3月16日始，到1956年9月5日止，為了證實超導體電阻為零，科學家將一個鉛制的圓環(huán)，放入溫度低于Tc=7.2K的空間，利用電磁感應使環(huán)內激發(fā)起感應電流。在兩年半的時間內的電流一直沒有衰減，這說明圓環(huán)內的電能沒有損失，當溫度升到高于Tc時，圓環(huán)由超導狀態(tài)變正常態(tài)，材料的電阻驟然增大，感應電流立刻消失，這就是著名的昂尼斯持久電流實驗。

1962年，劍橋大學研究生約瑟夫森在理論上預言，電子能通過兩塊超導體之間薄絕緣層，在不到一年的時間內，安德森和羅厄耳等人從實驗上證實了約瑟夫森的預言。這一重要發(fā)現(xiàn)為超導體中電子對運動提供了證據(jù)，使對超導現(xiàn)象本質的認識更加深入。約瑟夫森效應成為微弱電磁信號探測和其他電子學應用的基礎。

20世紀70年代

1973年，發(fā)現(xiàn)超導合金――鈮鍺合金，其臨界超導溫度為23.2K（﹣249.95℃），這一記錄保持了近13年。

1979年，在日本的試驗鐵路——宮崎線上，超導列車成功地進行了載人可行性試驗，時速達517千米。

20世紀80年代

1980年，丹麥的Bechgaard等人合成出第一個有機超導體(TMTSF)2PF6。

1986年，繆勒和柏諾茲發(fā)現(xiàn)一種成分為鋇、鑭、銅、氧的陶瓷性金屬氧化物LaBaCuO4具有高溫超導性，臨界溫度可達35K（﹣240.15℃）。由于陶瓷性金屬氧化物通常是絕緣物質，因此這個發(fā)現(xiàn)的意義很大，繆勒和柏諾茲因此而榮獲了1987年度諾貝爾物理學獎。此后，高溫超導的研究迅速發(fā)展。

1986年，美國貝爾實驗室研制出臨界超導溫度達40K（﹣235.15℃）的超導材料，打破液氫的“溫度壁壘”（40K）。

1987年，美國華裔科學家、休斯頓大學教授朱經武以及中國科學家趙忠賢相繼研制出釔－鋇－銅－氧系材料，臨界超導溫度提高到90K（﹣185.15℃）以上，打破液氮的“溫度壁壘”（77K）。

1987年底，發(fā)現(xiàn)鉈－鋇－鈣－銅－氧系材料的臨界溫度達125K（﹣150.15℃）。從1986－1987年的短短一年多的時間里，臨界超導溫度提高了近100K。

1988年，日本日立制作所發(fā)現(xiàn)，汞系超導材料的臨界溫度達135K，在高壓條件下，其臨界溫度將能達到164K。

20世紀90年代

1991年3月，日本住友電氣工業(yè)公司展示了世界上第一個超導磁體。

1991年10月，日本原子能研究所和東芝公司共同研制成以鈮、錫化合物制作的核聚變堆用超導線圈。該線圈電流密度達到每平方毫米40安培，為過去的3倍多。

1992年，一個以巨型超導磁體為主的超導超級對撞機特大型設備，于美國得克薩斯州建成并投入使用，耗資超過82億美元。

1992年1月27日，由日本船舶和海洋基金會建造的，第一艘采用超導磁流體推進器的輪船——“大和”1號在日本神戶下水試航。

1996年，歐洲電纜巨頭皮雷利電纜公司、美國超導體公司和舊金山的電力研究所共同制成第一條地下高溫超導輸電電纜，電纜長6000米，由纏繞鉍－鍶－鈣－銅－氧系超導材料的液氮空管制成。

1999年，德國普朗克研究所的Bernhard等人發(fā)現(xiàn)，釕銅化合物RuSr2GdCu2O8-δ同時具有超導性和鐵磁有序性，其超導臨界溫度為15~40K，鐵磁性轉變溫度為133~136K。由于該化合物同時具有超導性和鐵磁有序性，在計算機數(shù)據(jù)存儲上有較大應用潛力。

21世紀初

2004年1月29日，美國標準技術研究院和美國科羅拉多大學的科學家組成的聯(lián)合研究小組提出一種新的物質形態(tài)——費米子凝聚態(tài)（fermionic condensate），并預言它將幫助人類做出下一代超導體。

2006年，日本東京工業(yè)大學細野秀雄（Hideo Hosono）教授合成以鐵為超導主體的化合物LaFeOP，開創(chuàng)了對鐵基超導體的研究。

2012年9月，德國萊比錫大學發(fā)現(xiàn)石墨顆粒能在室溫下表現(xiàn)出超導性。

研究表示

銅氧超導體

銅氧超導體是最早發(fā)現(xiàn)的高溫超導體，20世紀八十年代繆勒、柏諾茲合成的鋇－鑭－銅－氧系高溫超導體和朱經武、趙忠賢合成的釔－鋇－銅－氧系高溫超導體均屬于此范疇。

銅氧超導體包括90K的稀土系，110K的鉍系，125K的鉈系，135K的汞系超導體。它們都含有銅和氧，因此稱為銅氧超導體。銅氧超導體具有相似的層狀結晶結構，其中銅氧層是超導層。

目前，對銅氧超導體的研究呈現(xiàn)以下趨勢：首先，銅氧超導體已經較為成熟，如由鉈－鋇－鈣－銅－氧超導薄膜制成的裝置，已應用于移動電話的發(fā)射塔，以增加容量，減少斷線和外界干擾。其次，銅氧超導體的基礎研究處在瓶頸階段，轉變溫度一直以來不能突破164K。再次，對銅氧超導體的機理研究有所進展，如2002年，德國、法國和俄羅斯的科學家利用中子散射技術，在單銅氧層Tl2Ba2CuO6+δ中觀察到磁共振，有助于對探明銅氧化物超導體的機理。

鐵基超導體

自從2006年發(fā)現(xiàn)鐵基超導體以來，對鐵基超導體日趨深入，比較突出的成果有：2008年，日本科學家細野秀雄發(fā)現(xiàn)摻雜F的LaFeOP超導體具有26K的臨界溫度；2008年，中國科學家趙忠賢、陳仙輝、王楠林、聞?；ⅰ?/span>方忠發(fā)現(xiàn)臨界溫度達43K的SmFeAs1-xFx超導體和臨界溫度達55K的ReFeAs1-xFx超導體，在鐵基超導體的領域首次突破40K的麥克米蘭極限溫度。

鐵基超導體之所以受到關注，原因有兩點：其一，F(xiàn)e離子是磁性離子，打破了磁性離子不利于超導的觀點，為探索新的超導體提供了一種思路；其二，類似于銅氧超導體，鐵基超導體也存在強的電子與自旋相互作用，對探明高溫超導機理有參考價值。

硼化鎂超導體

2001年1月，日本青山學院大學J.Akimitsu教授等人首次發(fā)現(xiàn)MgB2具有超導電性，其臨界溫度約為39K。

雖然MgB2的臨界溫度較低，但與銅氧超導體、鐵基超導體相比，仍有很多優(yōu)勢，包括：結構簡單、易于制備；原料來源廣泛、成本較低；易于加工。尤其是易于加工的特性，成為MgB2的重要優(yōu)勢。因為具有高臨界溫度的銅氧超導體本質上屬于陶瓷材料，陶瓷材料硬度大，加工困難，成為制約銅氧超導體發(fā)展的一個因素，MgB2超導體可以彌補這一不足。

應用

超導體的應用可分為三類：強電應用、弱電應用和抗磁性應用。強電應用即大電流應用，包括超導發(fā)電、輸電和儲能；弱電應用即電子學應用，包括超導計算機、超導天線、超導微波器件等；抗磁性應用主要包括磁懸浮列車和熱核聚變反應堆等。

強電應用

超導發(fā)電機：目前，超導發(fā)電機有兩種含義。一種含義是將普通發(fā)電機的銅繞組換成超導體繞組，以提高電流密度和磁場強度，具有發(fā)電容量大、體積小、重量輕、電抗小、效率高的優(yōu)勢。另一種含義是指超導磁流體發(fā)電機，磁流體發(fā)電機具有效率高、發(fā)電容量大等優(yōu)點，但傳統(tǒng)磁體在發(fā)電過程中會產生很大的損耗，而超導磁體自身損耗小，可以彌補這一不足。

超導輸電：由超導材料制作的超導電線和超導變壓器，可以把電力幾乎無損耗地輸送給用戶。據(jù)統(tǒng)計，用銅或鋁導線輸電，約有15%的電能損耗在輸電線路上，光是在中國，每年的電力損失即達1000多億度。若改為超導輸電，節(jié)省的電能相當于新建數(shù)十個大型發(fā)電廠。

弱電應用

超導計算機：高速計算機要求集成電路芯片上的元件和連接線密集排列，但密集排列的電路在工作時會發(fā)生大量的熱，而散熱是超大規(guī)模集成電路面臨的難題。超導計算機中的超大規(guī)模集成電路，其元件間的互連線用接近零電阻和超微發(fā)熱的超導器件來制作，不存在散熱問題，同時計算機的運算速度大大提高。此外，科學家正研究用半導體和超導體來制造晶體管，甚至完全用超導體來制作晶體管。

抗磁性應用

超導磁懸浮列車：利用超導材料的抗磁性，將超導材料放在一塊永久磁體的上方，由于磁體的磁力線不能穿過超導體，磁體和超導體之間會產生排斥力，使超導體懸浮在磁體上方。利用這種磁懸浮效應可以制作高速超導磁懸浮列車。

核聚變反應堆“磁封閉體”：核聚變反應時，內部溫度高達1億～2億攝氏度，沒有任何常規(guī)材料可以包容這些物質。而超導體產生的強磁場可以作為“磁封閉體”，將熱核反應堆中的超高溫等離子體包圍、約束起來，然后慢慢釋放，從而使受控核聚變能源成為21世紀前景廣闊的新能源。

臨界溫度

超導材料臨界溫度

超導材料臨界溫度Tc總表
材料	符號	Tc(K)	晶胞中Cu-O平面數(shù)目	結構
YBa2Cu3O7	123	92	2	正交晶系
Bi2Sr2CuO6	Bi-2201	20	1	四方晶系
Bi2Sr2CaCu2O8	Bi-2212	85	2	四方晶系
Bi2Sr2Ca2Cu3O6	Bi-2223	110	3	四方晶系

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理論進展

美國物理學家約翰·巴丁、利昂·庫珀、約翰·施里弗提出BCS理論，指出電聲耦合的關鍵作用，較圓滿的解釋了低溫超導。高溫超導的理論研究仍在進行中。

2012年9月，德國萊比錫大學的研究人員宣布了一項進展：石墨顆粒能在室溫下表現(xiàn)出超導性。研究人員將石墨粉浸入水中后濾除干燥，置于磁場中，結果一小部分（大約占0.01%）樣本表現(xiàn)出抗磁性，而抗磁性是超導材料的標志性特征之一。雖然表現(xiàn)出超導性的石墨顆粒很少，但這一發(fā)現(xiàn)仍然具有重要意義。迄今為止，超導體只有在溫度低于－70°C下才能夠發(fā)揮作用。如果像石墨粉這樣便宜且容易獲得的材料真能在室溫下實現(xiàn)超導，將引發(fā)一次新的現(xiàn)代工業(yè)革命。

用途

超導磁體可用于制作交流超導發(fā)電機、磁流體發(fā)電機和超導輸電線路等。目前超導量子干涉儀（SQUID）已經產業(yè)化。另外，作為低溫超導材料的主要代表NbTi合金和Nb3Sn，在商業(yè)領域主要應用于醫(yī)學領域的MRI（核磁共振成像儀）。作為科學研究領域，已經應用于歐洲的大型項目LHC項目，幫助人類尋求宇宙的起源等科學問題。

產生磁場

常規(guī)導體做磁體時，要產生10萬高斯以上的穩(wěn)態(tài)強磁場，需要消耗3.5兆瓦的電能及大量的冷卻用水，投資巨大；而超導材料在超導狀態(tài)下具有零電阻和抗磁性，因此只需消耗極少的電能，就可以獲得這么大的穩(wěn)態(tài)強磁場。

參考資料

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我國鐵基超導材料向高磁場應用邁進2021-02-25T09:00:01+08:00[引用日期2022-06-10 18:32:29]

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打開低溫的大門2020-01-02T18:36:58+08:00[引用日期2022-06-10 19:25:35]

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