第二章 超導(dǎo)材料

1、1超導(dǎo)材料是一種超導(dǎo)材料是一種的材料，既的材料，既能能，減少電能因電阻而消耗的能，減少電能因電阻而消耗的能量，還能把量，還能把起來，供急需時(shí)使用。起來，供急需時(shí)使用。 2自從世界上以自從世界上以作為作為以來，就遇以來，就遇到兩個(gè)令人頭痛的到兩個(gè)令人頭痛的：、是在輸送電流時(shí)，不少、是在輸送電流時(shí)，不少而發(fā)熱，白白損失了相當(dāng)?shù)哪芰?。而發(fā)熱，白白損失了相當(dāng)?shù)哪芰?。、的電力常常?yán)重不足，而的電力常常嚴(yán)重不足，而的電的電力又大大富余，使得發(fā)電機(jī)常常白天超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，力又大大富余，使得發(fā)電機(jī)常常白天超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，深夜時(shí)卻空轉(zhuǎn)，電力白白浪費(fèi)了。深夜時(shí)卻空轉(zhuǎn)，電力白白浪費(fèi)了。3能不能把夜間富余的能不能把夜間富余的

2、起來用以起來用以彌補(bǔ)白天電力不足的難題呢彌補(bǔ)白天電力不足的難題呢?自從有了自從有了以來，解決這個(gè)問題以來，解決這個(gè)問題就大有希望了。就大有希望了。4 1911年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，金屬的年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，金屬的和和它的它的條件有很大關(guān)系：條件有很大關(guān)系：溫度高時(shí)，它的電阻就增加，溫度低溫度高時(shí)，它的電阻就增加，溫度低時(shí)電阻減少。并總結(jié)出一個(gè)時(shí)電阻減少。并總結(jié)出一個(gè)的理論公式。的理論公式。5當(dāng)時(shí)，荷蘭物理學(xué)家當(dāng)時(shí)，荷蘭物理學(xué)家為檢驗(yàn)為檢驗(yàn)金屬電阻與金屬電阻與溫度之間的關(guān)系的理論公式溫度之間的關(guān)系的理論公式的正確性，就用的正確性，就用作作試驗(yàn)。試驗(yàn)。將水銀冷卻到將水銀冷卻到-40時(shí)，亮晶晶的液體水銀變時(shí)，

3、亮晶晶的液體水銀變成了固體；然后，他把水銀拉成細(xì)絲，并繼續(xù)降低成了固體；然后，他把水銀拉成細(xì)絲，并繼續(xù)降低溫度，同時(shí)測(cè)量不同溫度下固體水銀的電阻，當(dāng)溫溫度，同時(shí)測(cè)量不同溫度下固體水銀的電阻，當(dāng)溫度降低列度降低列，水銀的，水銀的。6開始他不太相信這一結(jié)果、于是反復(fù)試驗(yàn)，開始他不太相信這一結(jié)果、于是反復(fù)試驗(yàn)，但都是一樣。這一發(fā)現(xiàn)轟動(dòng)了世界的物理學(xué)界，但都是一樣。這一發(fā)現(xiàn)轟動(dòng)了世界的物理學(xué)界，后來科學(xué)家把這個(gè)現(xiàn)象叫后來科學(xué)家把這個(gè)現(xiàn)象叫，把，把稱稱，而把出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象的，而把出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象的溫度稱作超導(dǎo)材料的溫度稱作超導(dǎo)材料的“臨界溫度臨界溫度”。7昂尼斯和許多科學(xué)家后來又發(fā)現(xiàn)了昂尼斯和許多科學(xué)家后來又

4、發(fā)現(xiàn)了和和材料。但出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)材料。但出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象的臨界溫度大多在象的臨界溫度大多在的極低溫，沒的極低溫，沒有什么經(jīng)濟(jì)價(jià)值，因?yàn)橹圃爝@種極低的溫度，本有什么經(jīng)濟(jì)價(jià)值，因?yàn)橹圃爝@種極低的溫度，本身就很花錢而又很困難。身就很花錢而又很困難。 8為了尋找為了尋找的的的材的材料，世界上無數(shù)科學(xué)家奮斗了近料，世界上無數(shù)科學(xué)家奮斗了近60年，也沒年，也沒有取得什么進(jìn)展。有取得什么進(jìn)展。直到直到1973年，英、美一些科學(xué)家才找到年，英、美一些科學(xué)家才找到一種在一種在出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象的出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象的。此后。此后這一記錄又保持了這一記錄又保持了10多年。多年。9到了到了1986年，在瑞士年，在瑞士IBM公司研究室工作

5、的公司研究室工作的和和從別人多次失敗中總結(jié)教訓(xùn)，放從別人多次失敗中總結(jié)教訓(xùn)，放棄了在棄了在中尋找超導(dǎo)材料的老觀念，終中尋找超導(dǎo)材料的老觀念，終于發(fā)現(xiàn)一種于發(fā)現(xiàn)一種材料在材料在這一這一較高溫度下出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象。這是一個(gè)了不起的成較高溫度下出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象。這是一個(gè)了不起的成就，因此他們兩人同時(shí)獲得了就，因此他們兩人同時(shí)獲得了1987年的諾貝爾物年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。理學(xué)獎(jiǎng)。 10此后，美籍華人學(xué)者此后，美籍華人學(xué)者，中國(guó)物，中國(guó)物理學(xué)家理學(xué)家在在1987年相繼發(fā)現(xiàn)了在年相繼發(fā)現(xiàn)了在 和和時(shí)出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象的時(shí)出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象的高溫高溫超導(dǎo)材料。超導(dǎo)材料。不久又發(fā)現(xiàn)不久又發(fā)現(xiàn)高溫超導(dǎo)合高溫超導(dǎo)合金，在金，在的溫度

6、就有超導(dǎo)現(xiàn)象。的溫度就有超導(dǎo)現(xiàn)象。11而后而后發(fā)現(xiàn)的發(fā)現(xiàn)的合金合金的超導(dǎo)溫度更接近室溫，達(dá)的超導(dǎo)溫度更接近室溫，達(dá)。12 199l年，美國(guó)和日本的科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)了年，美國(guó)和日本的科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)了球狀碳分子球狀碳分子在摻在摻、等元素后，等元素后，也有也有?？茖W(xué)家預(yù)料，球狀碳分子科學(xué)家預(yù)料，球狀碳分子-60摻雜金摻雜金屬后，有可能在屬后，有可能在現(xiàn)象，那時(shí)，現(xiàn)象，那時(shí)，超導(dǎo)材料就有可能超導(dǎo)材料就有可能，在世，在世界引起一場(chǎng)工業(yè)和技術(shù)革命。界引起一場(chǎng)工業(yè)和技術(shù)革命。131995年美國(guó)國(guó)立年美國(guó)國(guó)立實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家已經(jīng)把科學(xué)家已經(jīng)把制成柔韌的細(xì)帶狀，制成柔韌的細(xì)帶狀，由于沒有電阻，其導(dǎo)電性是銅絲的由

7、于沒有電阻，其導(dǎo)電性是銅絲的1200多倍。多倍。141996年，日本電氣公司制出年，日本電氣公司制出，電流密度達(dá)到，電流密度達(dá)到6000A/cm2，這種線材已達(dá)到了實(shí)用化的這種線材已達(dá)到了實(shí)用化的水平。水平。15超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料工作，可以說工作，可以說是是20世紀(jì)內(nèi)科學(xué)技術(shù)上的重大突破，也是超世紀(jì)內(nèi)科學(xué)技術(shù)上的重大突破，也是超導(dǎo)技術(shù)發(fā)展史上的一個(gè)新的里程碑。至今，導(dǎo)技術(shù)發(fā)展史上的一個(gè)新的里程碑。至今，對(duì)高溫超導(dǎo)材料的研究仍然方興未艾。對(duì)高溫超導(dǎo)材料的研究仍然方興未艾。161911年，荷蘭物理學(xué)家昂內(nèi)斯年，荷蘭物理學(xué)家昂內(nèi)斯(Onnes H K)在成功地將氦氣液化、獲得在成功地將氦氣液化、獲得4

8、.2K的的后，開后，開始研究超低溫條件下始研究超低溫條件下，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)溫度下降至當(dāng)溫度下降至4.2K時(shí)，汞電阻突然消失了！時(shí)，汞電阻突然消失了！這就這就是超導(dǎo)現(xiàn)象，此時(shí)的溫度稱為是超導(dǎo)現(xiàn)象，此時(shí)的溫度稱為。17是超導(dǎo)體最基本的特性，它意味是超導(dǎo)體最基本的特性，它意味著著，使電，使電力的無損耗傳輸成為可能；力的無損耗傳輸成為可能；同時(shí)，零電阻允許有遠(yuǎn)高于常規(guī)導(dǎo)體的同時(shí)，零電阻允許有遠(yuǎn)高于常規(guī)導(dǎo)體的，可用以形成，可用以形成或或。 18發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)電性后，發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)電性后，即著手用即著手用來來繞制繞制，但出乎他的意料，超導(dǎo)體在通上不，但出乎他的意料，超導(dǎo)體在通上不大的電流后，超導(dǎo)電性就被破壞

9、了，即大的電流后，超導(dǎo)電性就被破壞了，即。此后，又發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)體的此后，又發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)體的。Ic和和Hc也是也是超導(dǎo)體的基本特性超導(dǎo)體的基本特性，是實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)，是實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)體強(qiáng)電應(yīng)用的必要條件。體強(qiáng)電應(yīng)用的必要條件。 19Tc）、）、 ）和和 ）是是“約束約束”超導(dǎo)現(xiàn)象的三大臨界條件。超導(dǎo)現(xiàn)象的三大臨界條件。三者具有明顯的相關(guān)性，只有三者具有明顯的相關(guān)性，只有，即處于如圖所示的，即處于如圖所示的，才具有超導(dǎo)電性。，才具有超導(dǎo)電性。 20三角錐形曲面內(nèi)側(cè)三角錐形曲面內(nèi)側(cè)21 超導(dǎo)體從超導(dǎo)體從轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)變?yōu)榈臏囟?，以的溫度，以Tc表示。表示。是在外部磁場(chǎng)、電流、應(yīng)力和輻射等條件是在外部磁場(chǎng)、電流、應(yīng)力和輻射

10、等條件維持足夠低時(shí)，維持足夠低時(shí)，時(shí)的溫度。時(shí)的溫度。由于由于，這種零電阻轉(zhuǎn)變前后，跨越了一，這種零電阻轉(zhuǎn)變前后，跨越了一個(gè)溫區(qū)。個(gè)溫區(qū)。 22實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，超導(dǎo)電性可以被實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，超導(dǎo)電性可以被所所破壞，對(duì)于溫度為破壞，對(duì)于溫度為T(TTc)的超導(dǎo)體，當(dāng)外的超導(dǎo)體，當(dāng)外磁場(chǎng)超過某一數(shù)值磁場(chǎng)超過某一數(shù)值Hc(T)的時(shí)候，超導(dǎo)電性的時(shí)候，超導(dǎo)電性就被破壞了，使它由就被破壞了，使它由轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)變?yōu)? 電電阻重新恢復(fù)。阻重新恢復(fù)。23這種能夠破壞超導(dǎo)所需的這種能夠破壞超導(dǎo)所需的，叫做叫做 。在臨界溫度。在臨界溫度Tc，臨界磁臨界磁場(chǎng)為零。場(chǎng)為零。一般可以近似地表示為一般可以近似地表示為拋物線關(guān)系：拋物線關(guān)

11、系：1 )(220CCCTTHTH式中，式中，Hc是絕對(duì)零度時(shí)的臨界磁場(chǎng)。是絕對(duì)零度時(shí)的臨界磁場(chǎng)。24 實(shí)驗(yàn)表明，實(shí)驗(yàn)表明，在不加磁場(chǎng)的情況下在不加磁場(chǎng)的情況下，超導(dǎo)體中，超導(dǎo)體中也會(huì)破壞超導(dǎo)電性，導(dǎo)致破壞也會(huì)破壞超導(dǎo)電性，導(dǎo)致破壞超導(dǎo)電性所需要的超導(dǎo)電性所需要的，也就是超導(dǎo)態(tài)，也就是超導(dǎo)態(tài)允許流動(dòng)的最大電流，稱作允許流動(dòng)的最大電流，稱作。25在臨界溫度在臨界溫度Tc，臨界電流為零，這個(gè)現(xiàn)象可臨界電流為零，這個(gè)現(xiàn)象可以從以從來說明。來說明。當(dāng)通過樣品的電流在樣品表面產(chǎn)生的磁場(chǎng)達(dá)當(dāng)通過樣品的電流在樣品表面產(chǎn)生的磁場(chǎng)達(dá)到到Hc時(shí)，超導(dǎo)電性就被破壞這個(gè)電流的大小就時(shí)，超導(dǎo)電性就被破壞這個(gè)電流的大小就

12、是樣品的是樣品的。有有1)(220CCCTTITI式中，式中，c是絕對(duì)零度時(shí)的臨界電流。是絕對(duì)零度時(shí)的臨界電流。26超導(dǎo)材料基本物理特性：超導(dǎo)材料基本物理特性： 、和和三個(gè)臨界值。三個(gè)臨界值。超導(dǎo)材料只有處在這些臨界值以下的狀態(tài)時(shí)超導(dǎo)材料只有處在這些臨界值以下的狀態(tài)時(shí)才顯示超導(dǎo)性，所以才顯示超導(dǎo)性，所以，實(shí)用性就，實(shí)用性就強(qiáng)，利用價(jià)值就越高。強(qiáng)，利用價(jià)值就越高。2728 當(dāng)溫度當(dāng)溫度T以下時(shí)，超導(dǎo)體以下時(shí)，超導(dǎo)體的電阻突然變?yōu)榱?，這就稱為超導(dǎo)體的的電阻突然變?yōu)榱悖@就稱為超導(dǎo)體的，也稱為，也稱為。下圖是汞在液氦溫度附近電阻的變化行為。下圖是汞在液氦溫度附近電阻的變化行為。29汞在液氦溫度附近電

13、阻的變化行為汞在液氦溫度附近電阻的變化行為超導(dǎo)臨界溫度超導(dǎo)臨界溫度Tc雖然與樣品純度雖然與樣品純度無關(guān)無關(guān),但是越均勻但是越均勻純凈的樣品超導(dǎo)轉(zhuǎn)純凈的樣品超導(dǎo)轉(zhuǎn)變時(shí)的變時(shí)的越越尖銳。尖銳。 30指超導(dǎo)體處于外界磁場(chǎng)中，指超導(dǎo)體處于外界磁場(chǎng)中，無法穿無法穿透，超導(dǎo)體內(nèi)的透，超導(dǎo)體內(nèi)的為零。為零。311933年，年，(Meissner W)發(fā)現(xiàn)，只要溫發(fā)現(xiàn)，只要溫度低于超導(dǎo)臨界溫度，則置于度低于超導(dǎo)臨界溫度，則置于就始終保持其就始終保持其，外部磁場(chǎng)的磁力線，外部磁場(chǎng)的磁力線統(tǒng)統(tǒng)被排斥在超導(dǎo)體之外。統(tǒng)統(tǒng)被排斥在超導(dǎo)體之外。32即便是原來處在磁場(chǎng)中的即便是原來處在磁場(chǎng)中的樣品，當(dāng)溫度樣品，當(dāng)溫度下降使

14、它變成下降使它變成時(shí)，也會(huì)把原來在體內(nèi)的磁場(chǎng)時(shí)，也會(huì)把原來在體內(nèi)的磁場(chǎng)完全排出去，即完全排出去，即。這一現(xiàn)象。這一現(xiàn)象被稱為被稱為，它是超導(dǎo)體的另一個(gè)獨(dú)立的基，它是超導(dǎo)體的另一個(gè)獨(dú)立的基本特性。本特性。33超導(dǎo)體內(nèi)超導(dǎo)體內(nèi)總是等于零，即金屬在超導(dǎo)電總是等于零，即金屬在超導(dǎo)電狀態(tài)的狀態(tài)的為為 =M/H=-1, B= 0(1+ )H=0。超導(dǎo)體內(nèi)的磁化率為超導(dǎo)體內(nèi)的磁化率為-1(M為磁化強(qiáng)度，為磁化強(qiáng)度，B0 0 H)超導(dǎo)體的完全抗磁性如下圖所示：超導(dǎo)體的完全抗磁性如下圖所示：34液氮環(huán)境下的超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)液氮環(huán)境下的超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)由邁斯納效應(yīng)可知，超導(dǎo)體由邁斯納效應(yīng)可知，超導(dǎo)體可可以近似地用以近似地用“”來

15、描述。利用這一特性，來描述。利用這一特性，可以實(shí)現(xiàn)可以實(shí)現(xiàn)。3536超導(dǎo)體的超導(dǎo)體的：否定了把超導(dǎo)體看作理想導(dǎo)體，還指明否定了把超導(dǎo)體看作理想導(dǎo)體，還指明是一個(gè)是一個(gè)，與怎樣進(jìn)，與怎樣進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)的途徑無關(guān)，從物理上進(jìn)一步認(rèn)識(shí)入超導(dǎo)態(tài)的途徑無關(guān)，從物理上進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到到。37僅從超導(dǎo)體的僅從超導(dǎo)體的出發(fā)，得不到出發(fā)，得不到。同樣，用。同樣，用也不能描也不能描述述。因此，因此，邁斯納效應(yīng)邁斯納效應(yīng)和和零電阻性質(zhì)零電阻性質(zhì)是超導(dǎo)是超導(dǎo)態(tài)的態(tài)的，衡量一種材料是，衡量一種材料是否具有超導(dǎo)電性必須看是否否具有超導(dǎo)電性必須看是否零電阻零電阻和和邁斯納效應(yīng)邁斯納效應(yīng)。 38當(dāng)超導(dǎo)體處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)，在磁場(chǎng)的作用下，

16、當(dāng)超導(dǎo)體處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)，在磁場(chǎng)的作用下，表面產(chǎn)生表面產(chǎn)生，這個(gè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，這個(gè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與原磁場(chǎng)的大小相等，方向相反，因而總合成磁與原磁場(chǎng)的大小相等，方向相反，因而總合成磁場(chǎng)為零。場(chǎng)為零。即，即，對(duì)對(duì)起著起著，因此又稱為，因此又稱為。 39根據(jù)上述超導(dǎo)材料的兩個(gè)基本特征，可根據(jù)上述超導(dǎo)材料的兩個(gè)基本特征，可以看出：以看出：是指某種物質(zhì)冷卻到某一溫度時(shí)是指某種物質(zhì)冷卻到某一溫度時(shí)，同時(shí)物質(zhì)內(nèi)部，同時(shí)物質(zhì)內(nèi)部成成為完全抗磁性的物質(zhì)。為完全抗磁性的物質(zhì)。40超導(dǎo)材料的超導(dǎo)材料的有有、和和元素，在元素周期表上的位置如圖所示。元素，在元素周期表上的位置如圖所示。41在元素周期表相應(yīng)位置的元素中，有

17、的在元素周期表相應(yīng)位置的元素中，有的可由可由制成超導(dǎo)材科，但絕大多數(shù)超制成超導(dǎo)材科，但絕大多數(shù)超導(dǎo)材料是由多種元素構(gòu)成的導(dǎo)材料是由多種元素構(gòu)成的、或或。下表中列出了代表性的下表中列出了代表性的及及。42超導(dǎo)材料及超導(dǎo)材料及c值值43在上述在上述被發(fā)現(xiàn)后，對(duì)超導(dǎo)電性被發(fā)現(xiàn)后，對(duì)超導(dǎo)電性的的即已開始，但直到即已開始，但直到20世紀(jì)世紀(jì)50年代年代建立了建立了，人們才對(duì)金屬，人們才對(duì)金屬超導(dǎo)體的超導(dǎo)行為獲得了滿意的解釋。超導(dǎo)體的超導(dǎo)行為獲得了滿意的解釋。44二流體模型二流體模型倫敦方程倫敦方程金茲堡金茲堡-朗道理論朗道理論45 同位素效應(yīng)同位素效應(yīng)超導(dǎo)能隙超導(dǎo)能隙庫柏電子對(duì)庫柏電子對(duì) 相干長(zhǎng)度相干長(zhǎng)

18、度 BCS理論理論46 早期為了解釋超導(dǎo)體的早期為了解釋超導(dǎo)體的，1934年年戈持戈持(C. J. Gorter)和卡西米爾和卡西米爾(H. B. G. Casimir)提提出出，它包含以下三個(gè)假設(shè)：，它包含以下三個(gè)假設(shè)：47金屬處于金屬處于超導(dǎo)態(tài)超導(dǎo)態(tài)時(shí)，時(shí)，(總數(shù)為總數(shù)為N)分為兩部分：一部分叫分為兩部分：一部分叫Nn ；另一部分叫另一部分叫Ns，超流電子在晶格中無阻地流動(dòng)，它占電子總超流電子在晶格中無阻地流動(dòng)，它占電子總數(shù)的數(shù)的Ns/N。兩部分電子占據(jù)同一體積，在空間上相互兩部分電子占據(jù)同一體積，在空間上相互滲透，彼此獨(dú)立地運(yùn)動(dòng)，兩種滲透，彼此獨(dú)立地運(yùn)動(dòng)，兩種是是。 48（二）二）超導(dǎo)態(tài)

19、超導(dǎo)態(tài)時(shí)，時(shí)，的性質(zhì)與的性質(zhì)與相同，相同，由于受到由于受到而產(chǎn)生電阻，所而產(chǎn)生電阻，所以對(duì)熵有貢獻(xiàn)。以對(duì)熵有貢獻(xiàn)。49（三）三）處在一種處在一種，即凝聚到，即凝聚到某一低能態(tài)，所以某一低能態(tài)，所以是比正常態(tài)是比正常態(tài)。這個(gè)假設(shè)的依據(jù)主要有下面兩點(diǎn)：這個(gè)假設(shè)的依據(jù)主要有下面兩點(diǎn)：50、當(dāng)超導(dǎo)態(tài)、當(dāng)超導(dǎo)態(tài)c時(shí)，磁場(chǎng)中時(shí)，磁場(chǎng)中將轉(zhuǎn)將轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)。故變?yōu)檎B(tài)。故要比要比低低 0HC2V/2 (是是超導(dǎo)金屬的體積超導(dǎo)金屬的體積)。、超導(dǎo)態(tài)的電子不受、超導(dǎo)態(tài)的電子不受，又因?yàn)槌忠驗(yàn)槌瑢?dǎo)態(tài)是導(dǎo)態(tài)是，所以，所以對(duì)熵沒有貢獻(xiàn)。對(duì)熵沒有貢獻(xiàn)。51 對(duì)超導(dǎo)體對(duì)超導(dǎo)體的解釋：的解釋：當(dāng)當(dāng)TTc時(shí)，出現(xiàn)時(shí)，出現(xiàn)

20、，它們的運(yùn)動(dòng)是，它們的運(yùn)動(dòng)是無阻的，無阻的，完全來自完全來自，它們對(duì)正常電子起到，它們對(duì)正常電子起到短路作用短路作用，正常電子，正常電子不載荷電流，所以樣品內(nèi)部不能存在電場(chǎng)，也就不載荷電流，所以樣品內(nèi)部不能存在電場(chǎng)，也就沒有電阻效應(yīng)。沒有電阻效應(yīng)。52從從出發(fā)，可以解釋許多超導(dǎo)實(shí)出發(fā)，可以解釋許多超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，如驗(yàn)現(xiàn)象，如超導(dǎo)轉(zhuǎn)變時(shí)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變時(shí)等，倫敦正是在這個(gè)模型的基礎(chǔ)上建立了等，倫敦正是在這個(gè)模型的基礎(chǔ)上建立了。53最具實(shí)用價(jià)值的超導(dǎo)現(xiàn)象無疑與超導(dǎo)體的最具實(shí)用價(jià)值的超導(dǎo)現(xiàn)象無疑與超導(dǎo)體的有關(guān)。有關(guān)。1935年，倫敦兄弟年，倫敦兄弟F.London，HLondon)在在二流體模型的基礎(chǔ)上，提出

21、兩個(gè)描述二流體模型的基礎(chǔ)上，提出兩個(gè)描述與與關(guān)系方程，與麥克斯韋方程一起構(gòu)成了關(guān)系方程，與麥克斯韋方程一起構(gòu)成了。54EmenJtss2倫敦第一方程倫敦第一方程式中，式中，m是是，Js為為，ns是是。55由上式可見：在由上式可見：在下，超導(dǎo)體中的下，超導(dǎo)體中的為為常值時(shí)，常值時(shí)， ，則，則E0。即，在穩(wěn)態(tài)下，超導(dǎo)體內(nèi)的即，在穩(wěn)態(tài)下，超導(dǎo)體內(nèi)的等于零，等于零，因此，它說明了因此，它說明了。0sJtEmenJtss256倫敦第二方程倫敦第二方程 （ Js）= -B式中，式中， (mnse2)。 m是是，Js為為，ns是是 磁場(chǎng)在超導(dǎo)體中的磁場(chǎng)在超導(dǎo)體中的和和考慮一維考慮一維情形，設(shè)超導(dǎo)情形，設(shè)超導(dǎo)

22、體占據(jù)體占據(jù)x0的的空間，空間，x0的的區(qū)域?yàn)檎婵諈^(qū)域?yàn)檎婵?如如圖所示圖所示)。57由式由式 （ Js）= -B ，結(jié)合麥克斯韋結(jié)合麥克斯韋方程，可以求得在超導(dǎo)體內(nèi)，方程，可以求得在超導(dǎo)體內(nèi)，B以以為零。為零。58倫敦第一方程和倫敦第二方程可以概括倫敦第一方程和倫敦第二方程可以概括和和，并預(yù)言了超導(dǎo)體，并預(yù)言了超導(dǎo)體表面上的表面上的 l。59下表列舉了幾種下表列舉了幾種金屬超導(dǎo)體金屬超導(dǎo)體的的。在在0 K下的磁場(chǎng)穿透深度下的磁場(chǎng)穿透深度 l601950年金茲堡年金茲堡(Ginsberg)和朗道和朗道(Landau)將朗將朗道的道的應(yīng)用于超導(dǎo)體，對(duì)于應(yīng)用于超導(dǎo)體，對(duì)于給予了更為適當(dāng)?shù)拿枋觯瑯?gòu)成

23、給予了更為適當(dāng)?shù)拿枋觯瑯?gòu)成金茲堡金茲堡朗道理論。朗道理論。該理論也能預(yù)言該理論也能預(yù)言，并且還可以反映，并且還可以反映的一系列特征。的一系列特征。61二流體模型二流體模型、倫敦方程倫敦方程和和金茲堡金茲堡-朗道理論朗道理論作作為唯象理論，在解釋為唯象理論，在解釋方面取得方面取得了很大成功，然而這些理論無法結(jié)出了很大成功，然而這些理論無法結(jié)出。20世紀(jì)世紀(jì)50年代初，年代初，、等關(guān)等關(guān)鍵性的發(fā)現(xiàn)，提供了揭開超導(dǎo)電性之謎的線索。鍵性的發(fā)現(xiàn)，提供了揭開超導(dǎo)電性之謎的線索。621950年，年，E. Maxwell和和C. A. Raynold各自獨(dú)立地各自獨(dú)立地測(cè)量了測(cè)量了的的，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

24、。對(duì)。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理后得到原于質(zhì)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理后得到原于質(zhì)量M和臨界溫度和臨界溫度Tc的簡(jiǎn)單的簡(jiǎn)單關(guān)系：關(guān)系： M Tc=常數(shù)常數(shù)其中，其中， =0.50 0.03 這種這種就是就是同位素效應(yīng)。同位素效應(yīng)。63如果構(gòu)成晶格的離子質(zhì)量不同，在給定如果構(gòu)成晶格的離子質(zhì)量不同，在給定波長(zhǎng)的情況下，波長(zhǎng)的情況下，晶格振動(dòng)的頻率晶格振動(dòng)的頻率就會(huì)依就會(huì)依不同而發(fā)生變化，即不同而發(fā)生變化，即。64從式從式 M Tc=常數(shù)常數(shù)可看出，離子質(zhì)量反映了可看出，離子質(zhì)量反映了晶體的性質(zhì)，臨界溫度晶體的性質(zhì)，臨界溫度Tc反映了電子性質(zhì)，所以，反映了電子性質(zhì)，所以，把把聯(lián)系起來了。聯(lián)系起來了。而在固體理論中，描述而在

25、固體理論中，描述稱稱之為之為，因此，從同位素效應(yīng)可知，因此，從同位素效應(yīng)可知，與與有密切關(guān)系。有密切關(guān)系。 65人們發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)電性良好的人們發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)電性良好的由于其由于其，故都不是超，故都不是超導(dǎo)體。而導(dǎo)體。而常溫下導(dǎo)電性不好的材料常溫下導(dǎo)電性不好的材料，在，在低溫低溫卻卻有可能成為超導(dǎo)體，有可能成為超導(dǎo)體，此外此外，由于其，由于其電子電子-聲子相互作用強(qiáng)聲子相互作用強(qiáng)，故常溫下導(dǎo)電性較差。，故常溫下導(dǎo)電性較差。66弗洛里希弗洛里希(HFrolich)曾經(jīng)提出，曾經(jīng)提出，是是高溫下引起電阻高溫下引起電阻的原因，而在的原因，而在低溫下低溫下導(dǎo)致超導(dǎo)電性導(dǎo)致超導(dǎo)電性。因此，因此，支持了弗洛里希提出的

26、電支持了弗洛里希提出的電子子-聲子相互作用的探討方向。聲子相互作用的探討方向。67 在在20世紀(jì)世紀(jì)50年代，許多實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)金屬年代，許多實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)金屬處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)，超導(dǎo)態(tài)的處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)，超導(dǎo)態(tài)的與正常金屬與正常金屬不同，下圖是在不同，下圖是在T0K的電子能譜示意圖。的電子能譜示意圖。68從上圖可知：超導(dǎo)態(tài)時(shí)，從上圖可知：超導(dǎo)態(tài)時(shí)，附近出現(xiàn)了一附近出現(xiàn)了一個(gè)個(gè)。在這個(gè)能量范圍內(nèi)，沒有。在這個(gè)能量范圍內(nèi)，沒有電子占據(jù)。人們把這個(gè)電子占據(jù)。人們把這個(gè) 叫做叫做，能隙大小的，能隙大小的數(shù)量級(jí)約在數(shù)量級(jí)約在10-310-4 eV。69在絕對(duì)零度，能量處于在絕對(duì)零度，能量處于全被占全被占據(jù)，而據(jù)，而

27、則全空著，這就是則全空著，這就是。70 當(dāng)頻率為當(dāng)頻率為 的的照射到照射到上時(shí)，由于超上時(shí)，由于超導(dǎo)能隙導(dǎo)能隙Eg的存在，只有當(dāng)照射頻率滿足式的存在，只有當(dāng)照射頻率滿足式 h Eg時(shí)，時(shí)，激發(fā)過程才會(huì)發(fā)生。激發(fā)過程才會(huì)發(fā)生。當(dāng)照射頻率當(dāng)照射頻率 = 0=Eg/h時(shí)，超導(dǎo)體就會(huì)開始時(shí)，超導(dǎo)體就會(huì)開始。臨界頻率。臨界頻率 0 一般處于微波或遠(yuǎn)紅一般處于微波或遠(yuǎn)紅外頻譜部分。外頻譜部分。當(dāng)當(dāng)h Eg時(shí)，相當(dāng)于把時(shí)，相當(dāng)于把Eg看成等于零。超導(dǎo)看成等于零。超導(dǎo)體在這些頻段的行為，等同于正常金屬。體在這些頻段的行為，等同于正常金屬。 71實(shí)驗(yàn)表明，超導(dǎo)體的實(shí)驗(yàn)表明，超導(dǎo)體的 ，與超導(dǎo)體的與超導(dǎo)體的有一定

28、聯(lián)系。有一定聯(lián)系。不同的超導(dǎo)體，其不同的超導(dǎo)體，其Eg不同，且不同，且，當(dāng)溫度達(dá)到臨界溫度，當(dāng)溫度達(dá)到臨界溫度Tc時(shí)，有時(shí)，有Eg=0， 00。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，一般超導(dǎo)體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，一般超導(dǎo)體的為為1011 Hz ，相應(yīng)的超導(dǎo)體能隙的數(shù)量級(jí)為，相應(yīng)的超導(dǎo)體能隙的數(shù)量級(jí)為10-4 eV左右。左右。72 L. N. Cooper發(fā)現(xiàn)，如果帶電粒子的發(fā)現(xiàn)，如果帶電粒子的()等于零，那么很容易等于零，那么很容易從超導(dǎo)電流密度的基本關(guān)系從超導(dǎo)電流密度的基本關(guān)系Jc = -ns e.V 得到倫敦得到倫敦方程。方程。 由此可見，由此可見，超導(dǎo)態(tài)是由超導(dǎo)態(tài)是由組成組成的，它是的，它是動(dòng)量空間的凝聚現(xiàn)象動(dòng)量空

29、間的凝聚現(xiàn)象。要發(fā)生。要發(fā)生凝聚現(xiàn)象，必須凝聚現(xiàn)象，必須存在。存在。73如右圖所示：如右圖所示：電子在晶格點(diǎn)陣中運(yùn)動(dòng)，它對(duì)周圍的正離子有電子在晶格點(diǎn)陣中運(yùn)動(dòng)，它對(duì)周圍的正離子有吸引作用，從而造成吸引作用，從而造成，導(dǎo)致，導(dǎo)致對(duì)另外電子的吸引作用。這樣對(duì)另外電子的吸引作用。這樣兩個(gè)電子兩個(gè)電子。 74庫柏認(rèn)為，只要兩個(gè)電子之間有庫柏認(rèn)為，只要兩個(gè)電子之間有，不管這種作用力多么微弱，它們都不管這種作用力多么微弱，它們都。這種這種有可能超過電子之間的有可能超過電子之間的，而表現(xiàn)為，而表現(xiàn)為，這樣的兩個(gè)電子被，這樣的兩個(gè)電子被稱為庫柏電子對(duì)。稱為庫柏電子對(duì)。從能量上看，組成從能量上看，組成的兩個(gè)電子由

30、于相互作的兩個(gè)電子由于相互作用將導(dǎo)致勢(shì)能降低。用將導(dǎo)致勢(shì)能降低。是現(xiàn)代超導(dǎo)理論的基是現(xiàn)代超導(dǎo)理論的基礎(chǔ)。礎(chǔ)。75 皮帕德皮帕德(A.B. Pippard)證明，當(dāng)一個(gè)電子證明，當(dāng)一個(gè)電子從金屬的從金屬的移動(dòng)到移動(dòng)到時(shí)，其波函數(shù)時(shí)，其波函數(shù)不能從它的不能從它的突然轉(zhuǎn)變?yōu)橥蝗晦D(zhuǎn)變?yōu)?，這種轉(zhuǎn)變只能這種轉(zhuǎn)變只能上，上， 被稱為被稱為。76可見，實(shí)際的可見，實(shí)際的并非局限并非局限在非常小的空間在非常小的空間里，里，而是擴(kuò)展在而是擴(kuò)展在的空間寬度上，這里的空間寬度上，這里 就稱為就稱為，它描述了，它描述了。 和和 一樣，都是超導(dǎo)體的一樣，都是超導(dǎo)體的特征特征參量參量。下表列舉了一些有代表性的超導(dǎo)體的相干長(zhǎng)

31、度。下表列舉了一些有代表性的超導(dǎo)體的相干長(zhǎng)度。77幾種物質(zhì)在幾種物質(zhì)在0K下的超導(dǎo)相干長(zhǎng)度下的超導(dǎo)相干長(zhǎng)度 78美國(guó)的美國(guó)的巴丁巴丁(JBardeen)、庫柏庫柏(L NCooper)和和施瑞弗施瑞弗(JRSchrieffer)在在1957年提出了年提出了超導(dǎo)電性超導(dǎo)電性量子理論量子理論，被稱為，被稱為。它可以解釋。它可以解釋的各種實(shí)驗(yàn)事實(shí)，從而獲得的各種實(shí)驗(yàn)事實(shí)，從而獲得1972年諾年諾貝爾物理獎(jiǎng)。貝爾物理獎(jiǎng)。79 (1)電子間的相互吸引作用形成的電子間的相互吸引作用形成的會(huì)會(huì)。超導(dǎo)體超導(dǎo)體臨界場(chǎng)臨界場(chǎng)、熱學(xué)性質(zhì)熱學(xué)性質(zhì)及大多數(shù)及大多數(shù)電磁性質(zhì)電磁性質(zhì)都是都是這種這種的結(jié)果。的結(jié)果。80)(

32、/ 1exp14. 1FDCEUNT(2)元素或合金的元素或合金的與費(fèi)米面附近與費(fèi)米面附近N(EF)和和有有關(guān)，它們可以從關(guān)，它們可以從來估計(jì)，當(dāng)來估計(jì)，當(dāng)UN(EF)1時(shí)，時(shí)，BCS理論預(yù)測(cè)臨界溫度為：理論預(yù)測(cè)臨界溫度為：式中，式中， D為德拜溫度。有關(guān)為德拜溫度。有關(guān)Tc的理論結(jié)果在定的理論結(jié)果在定性上滿足實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。性上滿足實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。81另外，從上式中得到這樣一個(gè)有趣的結(jié)論：另外，從上式中得到這樣一個(gè)有趣的結(jié)論：一種金屬如果一種金屬如果在室溫下在室溫下具有具有(因?yàn)槭覝仉娮杪适请娮右驗(yàn)槭覝仉娮杪适请娮?聲子相互作用的量度聲子相互作用的量度)，冷卻時(shí)冷卻時(shí)就有更大可能成為就有更大可能成為。)

33、(/ 1exp14. 1FDCEUNT82BCS理論可以得到磁通量子化的結(jié)論，即，理論可以得到磁通量子化的結(jié)論，即，有效單位是有效單位是2e而不是而不是e。由于由于BCS基態(tài)涉及的是基態(tài)涉及的是，所，所以以磁通量子化磁通量子化中的中的2e是是BCS理論理論的一個(gè)推論。的一個(gè)推論。 83BCS理論是第一個(gè)成功地解釋了超導(dǎo)現(xiàn)象的微理論是第一個(gè)成功地解釋了超導(dǎo)現(xiàn)象的微觀理論，也是目前惟一成功的超導(dǎo)微觀理論。觀理論，也是目前惟一成功的超導(dǎo)微觀理論。后來，雖然又有了一些后來，雖然又有了一些，但但則沒有更大的改變。則沒有更大的改變。84在在中，若兩個(gè)中，若兩個(gè)空間區(qū)域空間區(qū)域被一個(gè)被一個(gè)分隔開，則只有分隔

34、開，則只有粒子具有足夠的能量越粒子具有足夠的能量越過勢(shì)壘過勢(shì)壘時(shí)，它才會(huì)從一個(gè)空間進(jìn)入另一個(gè)空時(shí)，它才會(huì)從一個(gè)空間進(jìn)入另一個(gè)空間區(qū)域中去。間區(qū)域中去。85在在中，情況卻并非如此，中，情況卻并非如此，粒子要具有足夠的能量不再是一個(gè)必要粒子要具有足夠的能量不再是一個(gè)必要條件。一個(gè)能量不大的粒子也可能會(huì)條件。一個(gè)能量不大的粒子也可能會(huì)“穿過穿過”勢(shì)壘，這就是所謂勢(shì)壘，這就是所謂的的。 86考慮被考慮被絕緣體絕緣體I 隔開的兩個(gè)隔開的兩個(gè)金屬金屬，如下圖所，如下圖所示。示。絕緣體絕緣體通常通常阻擋阻擋從一種金屬流向另一種金屬的從一種金屬流向另一種金屬的傳導(dǎo)電子傳導(dǎo)電子。如果阻擋層足夠薄，則由于隧道效應(yīng)

35、，。如果阻擋層足夠薄，則由于隧道效應(yīng)，電子具有相當(dāng)大的幾率電子具有相當(dāng)大的幾率穿越絕緣層。穿越絕緣層。87當(dāng)兩個(gè)金屬都處于當(dāng)兩個(gè)金屬都處于，夾層結(jié)構(gòu)，夾層結(jié)構(gòu)(或隧道結(jié)或隧道結(jié))的電流的電流-電壓曲線電壓曲線是歐姆型的，即電流正是歐姆型的，即電流正比于電壓，如圖所示：比于電壓，如圖所示：88賈埃弗賈埃弗(I. Giaever)發(fā)現(xiàn)，如果發(fā)現(xiàn)，如果金屬中的一個(gè)變金屬中的一個(gè)變?yōu)槌瑢?dǎo)體為超導(dǎo)體時(shí)，電流時(shí)，電流-電壓的特性曲線會(huì)變化如下：電壓的特性曲線會(huì)變化如下：89可以用可以用來解釋正常金屬來解釋正常金屬-絕絕緣體緣體-超導(dǎo)體超導(dǎo)體 (）結(jié)和超導(dǎo)體結(jié)和超導(dǎo)體1-絕緣體絕緣體-超導(dǎo)體超導(dǎo)體2 ()結(jié)

36、的結(jié)的。90 上面所述的上面所述的NIS結(jié)和結(jié)和SIS結(jié)，其結(jié)，其都都是是。正常電子導(dǎo)電正常電子導(dǎo)電，通過，通過絕緣介質(zhì)層絕緣介質(zhì)層的的隧道隧道電流電流是是有電阻有電阻的。這種情況的的。這種情況的絕緣介質(zhì)厚絕緣介質(zhì)厚約約到到。91如果如果SIS隧道結(jié)的隧道結(jié)的只有只有1nm左左右，那么理論和實(shí)驗(yàn)都證實(shí)了將會(huì)出現(xiàn)一種右，那么理論和實(shí)驗(yàn)都證實(shí)了將會(huì)出現(xiàn)一種，即，即，電子對(duì)穿過位壘電子對(duì)穿過位壘后仍后仍狀態(tài)。狀態(tài)。92在研究在研究通過通過超導(dǎo)金屬間的絕超導(dǎo)金屬間的絕緣層時(shí)緣層時(shí)指出，當(dāng)兩塊超導(dǎo)體之間的絕緣層薄至接指出，當(dāng)兩塊超導(dǎo)體之間的絕緣層薄至接近原子尺寸近原子尺寸(10-20 )時(shí)，時(shí)，可以可以

37、穿過絕緣穿過絕緣層層，即超導(dǎo)體，即超導(dǎo)體-絕緣體絕緣體-超導(dǎo)體這樣超導(dǎo)體這樣的的 (約瑟夫遜結(jié)或約瑟夫遜結(jié)或SIS結(jié)結(jié)) 。93約瑟夫森結(jié)約瑟夫森結(jié)當(dāng)當(dāng)大于大于時(shí)，超導(dǎo)結(jié)兩端會(huì)時(shí)，超導(dǎo)結(jié)兩端會(huì)出現(xiàn)電位差出現(xiàn)電位差U，這時(shí)除有這時(shí)除有外，還存外，還存在頻率在頻率f = 2ev/h (h為普朗克常量為普朗克常量) 的的。94當(dāng)一頻率為當(dāng)一頻率為f的電磁波信號(hào)照射到超導(dǎo)結(jié)上，在的電磁波信號(hào)照射到超導(dǎo)結(jié)上，在其直流其直流I-U曲線上，電壓曲線上，電壓U = nhf / 2e (n為整數(shù)為整數(shù))的地的地方將出現(xiàn)方將出現(xiàn)(shapiro臺(tái)階臺(tái)階)，稱為，稱為，它為超導(dǎo)電性的它為超導(dǎo)電性的電子學(xué)電子學(xué)(弱電

38、弱電)應(yīng)用應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。奠定了基礎(chǔ)。 95效應(yīng)：在不存在任何電場(chǎng)效應(yīng)：在不存在任何電場(chǎng)時(shí)，有時(shí)，有通過結(jié)。通過結(jié)。通過結(jié)的通過結(jié)的對(duì)電流對(duì)電流J和對(duì)位相和對(duì)位相 的的依賴關(guān)系是依賴關(guān)系是)sin(sin1200JJJ 其中，其中，J0正比于遷移相互作用。電流正比于遷移相互作用。電流J0是是能夠通過結(jié)的能夠通過結(jié)的最大零電壓電流最大零電壓電流。96效應(yīng)：當(dāng)在超導(dǎo)結(jié)的效應(yīng)：當(dāng)在超導(dǎo)結(jié)的兩端兩端時(shí)，電流會(huì)發(fā)生振蕩，時(shí)，電流會(huì)發(fā)生振蕩，其頻率是：其頻率是：/2eV 1uv的直流電壓，產(chǎn)生振蕩的頻率為的直流電壓，產(chǎn)生振蕩的頻率為 483.6 M Hz。97上式說明上式說明，其能量為：。，其能量為：。e

39、V2/2eV 這個(gè)效應(yīng)被用于這個(gè)效應(yīng)被用于he的精確測(cè)量。的精確測(cè)量。另外，如果與直流電壓另外，如果與直流電壓，則能產(chǎn)生通過超導(dǎo)結(jié)的，則能產(chǎn)生通過超導(dǎo)結(jié)的。98直流磁場(chǎng)直流磁場(chǎng)加到加到，會(huì)使，會(huì)使呈現(xiàn)呈現(xiàn)的干涉效應(yīng)，的干涉效應(yīng)，就是利用這個(gè)效應(yīng)工作的。就是利用這個(gè)效應(yīng)工作的。99半導(dǎo)體的半導(dǎo)體的一般在一般在ev數(shù)量級(jí)，數(shù)量級(jí)，而而通常僅為通常僅為l m ev左右，只需左右，只需很小的信號(hào)就能使很小的信號(hào)就能使產(chǎn)生很產(chǎn)生很大變化。大變化。因此與半導(dǎo)體相比，超導(dǎo)電子器件具因此與半導(dǎo)體相比，超導(dǎo)電子器件具有有、和和等優(yōu)點(diǎn)。等優(yōu)點(diǎn)。 100 常規(guī)超導(dǎo)體常規(guī)超導(dǎo)體 高溫超導(dǎo)體高溫超導(dǎo)體(HTS) 其它類

40、型超導(dǎo)體其它類型超導(dǎo)體101相對(duì)于相對(duì)于而言，而言，元素元素、合金和合金和化合物化合物的的 (以液氮溫度以液氮溫度77K為界為界)，因此這類超導(dǎo)體被稱為，因此這類超導(dǎo)體被稱為。102一些元素一些元素具有超導(dǎo)具有超導(dǎo)電性能，另外一些元素電性能，另外一些元素顯示顯示出超導(dǎo)電性。由于出超導(dǎo)電性。由于，所以元素超導(dǎo)體很難實(shí)用化。，所以元素超導(dǎo)體很難實(shí)用化。 103104在技術(shù)上有重要價(jià)值，它們具有在技術(shù)上有重要價(jià)值，它們具有和和以及以及。超導(dǎo)合金具有。超導(dǎo)合金具有，等優(yōu)點(diǎn)。等優(yōu)點(diǎn)。105最早出售的最早出售的是是Nb-Zr系，用于制系，用于制造造。Nb-Zr合金具有合金具有的的特點(diǎn)。特點(diǎn)。1965年后被

41、年后被、的的Nb-Ti所取代。所取代。目前目前Nb-Ti系合金實(shí)用的線材使用最廣，系合金實(shí)用的線材使用最廣，Nb-Zr-Ti，Nb-Ti-Ta，Nb-Ti-Zr-Ta用于用于磁磁流體發(fā)電機(jī)流體發(fā)電機(jī)。 106 和和 是最先引起人們的注意的，是最先引起人們的注意的，其次是其次是、。實(shí)際能夠?qū)嵱玫闹挥袑?shí)際能夠?qū)嵱玫闹挥泻秃蛢煞N。兩種。其它的化合物因其它的化合物因還不能實(shí)用。還不能實(shí)用。 107復(fù)合法制備復(fù)合法制備Nb3Sn,V3Ga線材線材108 一些復(fù)雜的一些復(fù)雜的具有具有，其臨界溫度超過了，其臨界溫度超過了77K，可在液氮的溫可在液氮的溫度下工作，稱為度下工作，稱為。109從已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的氧化物超

42、導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)從已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的氧化物超導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)得知，它們都是由得知，它們都是由、與與3種種相互重復(fù)連接而成相互重復(fù)連接而成的復(fù)雜晶體物質(zhì)。的復(fù)雜晶體物質(zhì)。 110(C)螢石螢石(F型型)(AX2) (a)巖鹽巖鹽(R型型)(AX) (b)鈣鈦礦鈣鈦礦(P型型)(ABX)111許多許多是由是由R型、型、P型與型與F型型依次聯(lián)結(jié)依次聯(lián)結(jié)構(gòu)筑而成，通常構(gòu)筑而成，通常都是都是而得，每個(gè)單元而得，每個(gè)單元中有中有兩個(gè)以上。兩個(gè)以上。112 (a) (Nd1-xSrx)(Nd1-yCey)CuO4-x (b) (La1-xAx)CuO4 (A=Ca,Sr,Ba) (c)YBa2Cu4O8 1131141

43、15C60具有極高的穩(wěn)定性，當(dāng)具有極高的穩(wěn)定性，當(dāng)C60中中時(shí)，時(shí)，人們發(fā)現(xiàn)人們發(fā)現(xiàn)在一些特定成分上在一些特定成分上可以形成富勒烯結(jié)構(gòu)?？梢孕纬筛焕障┙Y(jié)構(gòu)。通過與各種堿金屬原子的結(jié)合，通過與各種堿金屬原子的結(jié)合，AxC60的的已經(jīng)提高到已經(jīng)提高到以上，超導(dǎo)溫度最高以上，超導(dǎo)溫度最高RbCs2C60的臨界轉(zhuǎn)變溫度為的臨界轉(zhuǎn)變溫度為33K。116第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的是是(TMTSF)2PF6，盡盡管這種有機(jī)鹽的管這種有機(jī)鹽的只有只有，但是，它但是，它的發(fā)現(xiàn)預(yù)示了一個(gè)的發(fā)現(xiàn)預(yù)示了一個(gè)的出現(xiàn)。的出現(xiàn)。117具有具有、和和，已引起了眾多科學(xué)家的，已引起了眾多科學(xué)家的注意。注意。118(TMTSF

44、)2PF6The first organic superconductor discovered. 119組成有機(jī)超導(dǎo)體的四類化合物組成有機(jī)超導(dǎo)體的四類化合物： 120非晶態(tài)超導(dǎo)體的研究主要包括非晶態(tài)超導(dǎo)體的研究主要包括及其及其和和及其及其。它們具有它們具有、等優(yōu)點(diǎn)。等優(yōu)點(diǎn)。121非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的對(duì)其對(duì)其的影的影響很大，能使有些物質(zhì)的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度響很大，能使有些物質(zhì)的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc提高，提高，這是由于這是由于非晶態(tài)超導(dǎo)體與晶態(tài)超導(dǎo)體的不同非晶態(tài)超導(dǎo)體與晶態(tài)超導(dǎo)體的不同所引所引起的。起的。的性質(zhì)比的性質(zhì)比更更為復(fù)雜。為復(fù)雜。122 重費(fèi)米子超導(dǎo)體是重費(fèi)米子超導(dǎo)體是20世紀(jì)世紀(jì)70年代年

45、代末期發(fā)現(xiàn)的，它的末期發(fā)現(xiàn)的，它的只有只有。123由于這類超導(dǎo)體的由于這類超導(dǎo)體的非常大，非常大，是普通金屬的幾百甚至幾千倍。因此，推斷出這是普通金屬的幾百甚至幾千倍。因此，推斷出這類超導(dǎo)體的類超導(dǎo)體的比比重幾百甚至幾千倍，因此稱重幾百甚至幾千倍，因此稱。的研究對(duì)于的研究對(duì)于研究研究有重大意義。有重大意義。12420世紀(jì)世紀(jì)70年代，人們發(fā)現(xiàn)年代，人們發(fā)現(xiàn)具有超導(dǎo)電性。這類超導(dǎo)體具有超導(dǎo)電性。這類超導(dǎo)體表現(xiàn)出表現(xiàn)出的復(fù)雜現(xiàn)象，因此的復(fù)雜現(xiàn)象，因此又稱為又稱為。125在金屬間化合物在金屬間化合物(RTB)超導(dǎo)體中，超導(dǎo)體中，以以的的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度最高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度最高。后來人們又制備出后來人們又制備

46、出YNi4B超導(dǎo)體和超導(dǎo)體和YNi2B2C超導(dǎo)體等等，四元素超導(dǎo)體等等，四元素的超導(dǎo)的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度達(dá)到轉(zhuǎn)變溫度達(dá)到。126 復(fù)合超導(dǎo)材料復(fù)合超導(dǎo)材料許多許多與與可以進(jìn)行可以進(jìn)行，進(jìn)而，進(jìn)而形成形成。可以可以、和和等。等。127有有超導(dǎo)電纜超導(dǎo)電纜、復(fù)合線復(fù)合線、復(fù)合帶復(fù)合帶、超超導(dǎo)細(xì)線導(dǎo)細(xì)線復(fù)合線等等，其主要由復(fù)合線等等，其主要由以及以及、以及高強(qiáng)度以及高強(qiáng)度和和六六部分組成。部分組成。128高溫超導(dǎo)材料的用途，大致可分為以下三類：高溫超導(dǎo)材料的用途，大致可分為以下三類：（）（）應(yīng)用（強(qiáng)電應(yīng)用）；應(yīng)用（強(qiáng)電應(yīng)用）；（）（）應(yīng)用（弱電應(yīng)用）；應(yīng)用（弱電應(yīng)用）；（）（）應(yīng)用。應(yīng)用。129主要是指主

47、要是指用用于于、和和等三方面。等三方面。包括包括、等；等；主要應(yīng)用于主要應(yīng)用于和和等。等。130超導(dǎo)材料最誘人的應(yīng)用是超導(dǎo)材料最誘人的應(yīng)用是、和和。由于超導(dǎo)材料由于超導(dǎo)材料在超導(dǎo)狀態(tài)下在超導(dǎo)狀態(tài)下具有具有和和，因此只需，因此只需，就可以獲得，就可以獲得10萬萬高斯以上的高斯以上的。而用而用做磁體，要產(chǎn)生這么大的磁場(chǎng)，需做磁體，要產(chǎn)生這么大的磁場(chǎng)，需要消耗要消耗3.5兆瓦的兆瓦的及及，投資巨大。，投資巨大。131可以制作可以制作:、132在電力領(lǐng)域，利用在電力領(lǐng)域，利用可以將可以將發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)強(qiáng)度提高到提高到5萬萬6萬高斯，并萬高斯，并且?guī)缀跚規(guī)缀?，這種發(fā)電機(jī)便是，這種發(fā)電機(jī)便是

48、。133超導(dǎo)發(fā)電機(jī)超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的的比比常規(guī)常規(guī)發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)提高提高510倍，達(dá)倍，達(dá)1萬兆瓦，而萬兆瓦，而卻減少卻減少1/2，整機(jī)，整機(jī)減輕減輕1/3，提高提高50。 134、同樣離不開同樣離不開的的幫助。磁流體發(fā)電機(jī)發(fā)電，是利用幫助。磁流體發(fā)電機(jī)發(fā)電，是利用（等離子體）作（等離子體）作，并，并磁磁場(chǎng)強(qiáng)度為場(chǎng)強(qiáng)度為5萬萬6萬高斯的萬高斯的而發(fā)電。而發(fā)電。135磁流體發(fā)電機(jī)的磁流體發(fā)電機(jī)的非常非常，用于磁流體發(fā)電的用于磁流體發(fā)電的還還可可。 136超導(dǎo)材料還可以用于制作超導(dǎo)材料還可以用于制作和和，從而把，從而把幾乎無損幾乎無損耗地耗地給用戶。給用戶。137據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前的據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前的導(dǎo)線輸電，約有

49、導(dǎo)線輸電，約有15%的電能損耗在的電能損耗在上，光是在中國(guó)，上，光是在中國(guó)，每年的電力損失即達(dá)每年的電力損失即達(dá)1000多億度。若改為超多億度。若改為超導(dǎo)輸電，節(jié)省的電能相當(dāng)于新建數(shù)十個(gè)大型導(dǎo)輸電，節(jié)省的電能相當(dāng)于新建數(shù)十個(gè)大型發(fā)電廠。發(fā)電廠。 138超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料在在時(shí)，不會(huì)損耗電時(shí)，不會(huì)損耗電力，故用它可把作力，故用它可把作可以可以做得很小做得很小。139例如一臺(tái)普通大型發(fā)電機(jī)需用例如一臺(tái)普通大型發(fā)電機(jī)需用1520噸銅絲繞噸銅絲繞成線圈，如果用成線圈，如果用超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料作線圈，只要幾百克就夠作線圈，只要幾百克就夠了，而發(fā)出的電力卻一樣。因此，了，而發(fā)出的電力卻一樣。因此，是一種是一種

50、極好的極好的和和。1401987年，美國(guó)國(guó)防部為適應(yīng)年，美國(guó)國(guó)防部為適應(yīng)“星球大戰(zhàn)星球大戰(zhàn)”的的需要，決定建立一個(gè)需要，決定建立一個(gè)。在和平時(shí)期可向居民供電，在有導(dǎo)彈襲來時(shí)，可在和平時(shí)期可向居民供電，在有導(dǎo)彈襲來時(shí)，可，用激光摧毀導(dǎo)彈。，用激光摧毀導(dǎo)彈。 141因?yàn)橐驗(yàn)闆]有電阻，它的沒有電阻，它的，可，可以回收以回收98的多余電力，而且的多余電力，而且。一旦需。一旦需要電力，在要電力，在0.3秒秒內(nèi)就可從內(nèi)就可從中把電流引中把電流引出來送到任何電網(wǎng)。這對(duì)星球大戰(zhàn)時(shí)出來送到任何電網(wǎng)。這對(duì)星球大戰(zhàn)時(shí)所需電力所需電力是非是非常重要的。常重要的。142美國(guó)已設(shè)計(jì)并著手建造一個(gè)可以儲(chǔ)存美國(guó)已設(shè)計(jì)并著手建

51、造一個(gè)可以儲(chǔ)存500萬千萬千瓦小時(shí)的瓦小時(shí)的。它的直徑有。它的直徑有1568米，儲(chǔ)存的電米，儲(chǔ)存的電力足以供幾十萬人口的城市照明用電。力足以供幾十萬人口的城市照明用電。143超導(dǎo)材料之所以能超導(dǎo)材料之所以能是因?yàn)槭且驗(yàn)?，只要，只要，?44高速計(jì)算機(jī)要求高速計(jì)算機(jī)要求集成電路集成電路和和密集排列，但密集排列，但在工在工作時(shí)會(huì)作時(shí)會(huì)，而，而是超大規(guī)模集是超大規(guī)模集成電路面臨的難題。成電路面臨的難題。145超導(dǎo)計(jì)算機(jī)中的超大規(guī)模超導(dǎo)計(jì)算機(jī)中的超大規(guī)模，其，其用用和和來制作，不存在散熱問題，同時(shí)計(jì)算機(jī)的來制作，不存在散熱問題，同時(shí)計(jì)算機(jī)的大大提高。大大提高。此外，科學(xué)家正研究用此外，科學(xué)家正研究用來

52、制來制造造晶體管晶體管，甚至完全用，甚至完全用來制作來制作。 146利用超導(dǎo)材料的利用超導(dǎo)材料的，將，將放放在一塊在一塊的上方，由于磁體的磁力線的上方，由于磁體的磁力線不能穿過超導(dǎo)體，不能穿過超導(dǎo)體，磁體和超導(dǎo)體之間磁體和超導(dǎo)體之間會(huì)產(chǎn)生會(huì)產(chǎn)生，使超導(dǎo)體，使超導(dǎo)體在磁體上方。利用這在磁體上方。利用這種種可以制作高速超導(dǎo)磁懸浮列車?？梢灾谱鞲咚俪瑢?dǎo)磁懸浮列車。 147磁懸浮列車上的磁懸浮列車上的不是常見的那種永不是常見的那種永久磁鐵，而是久磁鐵，而是。電磁鐵外電磁鐵外有一個(gè)用導(dǎo)線繞成的有一個(gè)用導(dǎo)線繞成的，線，線圈中有電流通過時(shí)，鐵就產(chǎn)生磁力，只要線圈中有電流通過時(shí)，鐵就產(chǎn)生磁力，只要線圈中一斷電

53、，鐵就立即失去磁力。圈中一斷電，鐵就立即失去磁力。148有兩種，一種是有兩種，一種是繞繞成的，另一種則是用成的，另一種則是用制成的。制成的。要想把幾十上百噸的列車懸空浮起來，電磁鐵要想把幾十上百噸的列車懸空浮起來，電磁鐵之間的排斥力起碼得有幾十上百噸。之間的排斥力起碼得有幾十上百噸。而電磁鐵之間的而電磁鐵之間的和通過電磁線圈中的和通過電磁線圈中的有直接關(guān)系，也就是說，只有通過很大的電流，有直接關(guān)系，也就是說，只有通過很大的電流，才能產(chǎn)生很大的磁力。才能產(chǎn)生很大的磁力。149 但普通的但普通的，銅導(dǎo)線就，銅導(dǎo)線就會(huì)會(huì)，電流過大時(shí)，還可能使，電流過大時(shí)，還可能使。所以。所以銅導(dǎo)線通過的電流大小受到

54、限制，例如直徑銅導(dǎo)線通過的電流大小受到限制，例如直徑1毫米毫米的銅導(dǎo)線，只能通過的銅導(dǎo)線，只能通過6安培左右的電流，否則就會(huì)安培左右的電流，否則就會(huì)過熱燒毀。過熱燒毀。 150為了使為了使，需要，需要，這樣就會(huì)使，這樣就會(huì)使本身本身的重量的重量，這對(duì)提高列車的行駛速度不利。，這對(duì)提高列車的行駛速度不利。怎樣才能使磁懸浮列車本身的重量減輕，又能怎樣才能使磁懸浮列車本身的重量減輕，又能讓電磁鐵產(chǎn)生很大的磁力呢讓電磁鐵產(chǎn)生很大的磁力呢?這似乎是一個(gè)難以克這似乎是一個(gè)難以克服的固難。但自從有了超導(dǎo)材料后，就克服了這一服的固難。但自從有了超導(dǎo)材料后，就克服了這一困難。困難。 151因?yàn)橐驗(yàn)?，多大的電流?/p>

55、過它，多大的電流通過它也也，也，也。因此，目前世界上許多國(guó)家都在爭(zhēng)先恐后地研究因此，目前世界上許多國(guó)家都在爭(zhēng)先恐后地研究和開發(fā)和開發(fā)。超導(dǎo)磁懸浮列車因?yàn)槌瑢?dǎo)磁懸浮列車因?yàn)椋挥锌諝猱a(chǎn)生的阻力，因此時(shí)速可達(dá)到，只有空氣產(chǎn)生的阻力，因此時(shí)速可達(dá)到850公里。公里。152如果將如果將裝在裝在中運(yùn)行，中運(yùn)行，速度可達(dá)每小時(shí)速度可達(dá)每小時(shí)2000公里，比超音速飛機(jī)還快。公里，比超音速飛機(jī)還快。但建造這種隧道很難，因而不易實(shí)現(xiàn)。但建造這種隧道很難，因而不易實(shí)現(xiàn)。153我國(guó)在我國(guó)在開始研制磁懸浮列車，并在開始研制磁懸浮列車，并在“八五八五”末期研制出第一輛末期研制出第一輛，它沒有車輪，依靠磁斥力使車體浮起來

56、它沒有車輪，依靠磁斥力使車體浮起來左左右，用直線電動(dòng)機(jī)推進(jìn)。右，用直線電動(dòng)機(jī)推進(jìn)。這輛磁浮列車是由這輛磁浮列車是由制造制造的，的，、等單位共同參加了等單位共同參加了研制。研制。154核聚變反應(yīng)時(shí)，核聚變反應(yīng)時(shí)，達(dá)達(dá)1億億2億億，沒有任何常規(guī)材料可以包容這些物質(zhì)。而沒有任何常規(guī)材料可以包容這些物質(zhì)。而可以作為可以作為“”，將熱核反，將熱核反應(yīng)堆中的應(yīng)堆中的包圍包圍、約束約束起來，然后起來，然后慢慢釋放，從而使慢慢釋放，從而使成為成為21世紀(jì)前世紀(jì)前景廣闊的新能源。景廣闊的新能源。155高溫超導(dǎo)材料在其它方面的用途高溫超導(dǎo)材料在其它方面的用途（）（）技術(shù)技術(shù)（）（）方面方面156在在方面，超導(dǎo)體方

57、面，超導(dǎo)體主要是利用主要是利用從食物和各種原材從食物和各種原材料料(如剛玉、方解石、砂石等如剛玉、方解石、砂石等)中把中把清除出去。故超導(dǎo)體被稱作清除出去。故超導(dǎo)體被稱作。157的的如下：如下：把需要處理的把需要處理的，送進(jìn)一個(gè)，送進(jìn)一個(gè)裝滿不銹鋼絨毛的容器內(nèi)，由于裝滿不銹鋼絨毛的容器內(nèi)，由于能產(chǎn)能產(chǎn)生生，漿料中的，漿料中的就被吸住留在容器內(nèi)，被就被吸住留在容器內(nèi)，被則則從低部的管道從低部的管道流出來。流出來。158超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料，可以用來制造，可以用來制造一種能測(cè)量一種能測(cè)量的電子元的電子元件，叫做件，叫做。159可以測(cè)量小到可以測(cè)量小到100億億億分之一伏特的億分之一伏特的和和100億億

58、分之一安億億分之一安培的培的(每秒僅通過幾個(gè)電于每秒僅通過幾個(gè)電于)，也可以測(cè)，也可以測(cè)量小于量小于100萬億分之一特斯拉的萬億分之一特斯拉的(僅相自僅相自于地磁場(chǎng)的于地磁場(chǎng)的100億分之一億分之一)。160由于由于有有病變時(shí)病變時(shí)會(huì)改變會(huì)改變信號(hào)，因此可用信號(hào)，因此可用診斷心臟診斷心臟和腦部的疾病。和腦部的疾病。就是利用就是利用的這一性能，的這一性能，它可以檢測(cè)出稍大于它可以檢測(cè)出稍大于10萬億分之一特拉斯的萬億分之一特拉斯的，并能確定幾毫米范圍內(nèi)的神經(jīng)信號(hào)源。因此，并能確定幾毫米范圍內(nèi)的神經(jīng)信號(hào)源。因此，超導(dǎo)材料在醫(yī)學(xué)上被稱作超導(dǎo)材料在醫(yī)學(xué)上被稱作161從從可以看出，人類的可以看出，人類的

59、生活中已經(jīng)切實(shí)感受到了生活中已經(jīng)切實(shí)感受到了，因此人類的未來離不開，因此人類的未來離不開及其及其的發(fā)展。的發(fā)展。162超導(dǎo)電技術(shù)將會(huì)在越來越廣泛的范圍里超導(dǎo)電技術(shù)將會(huì)在越來越廣泛的范圍里造福人類，而且對(duì)造福人類，而且對(duì)的了解，的了解，將對(duì)將對(duì)產(chǎn)生極為深遠(yuǎn)的影產(chǎn)生極為深遠(yuǎn)的影響。在二十一世紀(jì)的今天，響。在二十一世紀(jì)的今天，將會(huì)將會(huì)變得更為重要。變得更為重要。163 人們?cè)谔剿骶哂腥藗冊(cè)谔剿骶哂械牡某瑢?dǎo)陶瓷材超導(dǎo)陶瓷材料料方面取得突破，發(fā)現(xiàn)方面取得突破，發(fā)現(xiàn)體系和體系和體系的體系的超導(dǎo)陶瓷材料超導(dǎo)陶瓷材料，實(shí)現(xiàn)了，實(shí)現(xiàn)了液氮溫度液氮溫度超導(dǎo)。超導(dǎo)。現(xiàn)在許多人正在研究現(xiàn)在許多人正在研究的超導(dǎo)陶瓷的超

60、導(dǎo)陶瓷材料。材料。164一系列一系列群體突破了群體突破了液氮溫液氮溫度度壁壘，開辟了壁壘，開辟了超導(dǎo)應(yīng)用超導(dǎo)應(yīng)用的新途徑。的新途徑。例如，制成例如，制成?？梢詫?。可以將新型陶瓷新型陶瓷材料材料成功地拉制成成功地拉制成柔軟的細(xì)絲柔軟的細(xì)絲用作超導(dǎo)線材，這用作超導(dǎo)線材，這些成功，為些成功，為超導(dǎo)陶瓷材料超導(dǎo)陶瓷材料開辟了新的應(yīng)用領(lǐng)域。開辟了新的應(yīng)用領(lǐng)域。165 超導(dǎo)陶瓷材料由于種類繁多，很難分類，但如超導(dǎo)陶瓷材料由于種類繁多，很難分類，但如果果來說，可以依據(jù)來說，可以依據(jù)化合物化合物的的、來分類。來分類。目前目前有有、，也有，也有和和之分。之分。166除了除了、和和外，還發(fā)現(xiàn)外，還發(fā)現(xiàn)許多其他許多