※超導(dǎo)簡介與超導(dǎo)材料的歷史

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1、神奇的超導(dǎo)：超導(dǎo)簡介與超導(dǎo)材料的歷史神奇的超導(dǎo)?羅會仟周興江一、什么是超導(dǎo)？?電阻起源于載流子（電子或空穴）在材料中運動過程中受到的各種各樣的阻尼。按照材料的常溫電阻率從大到小可以分為絕緣體、半導(dǎo)體和導(dǎo)體。絕大部分金屬都是良導(dǎo)體，他們在室溫下的電阻率非常小但不為零，在10－12mΩ?cm量級附近。自然界是否存在電阻為零的材料呢？答案是肯定的，這就是超導(dǎo)體。當(dāng)把超導(dǎo)材料降到某個特定溫度以下的時候，將進入超導(dǎo)態(tài)，這時電阻將突降為零（圖1），同時所有外磁場磁力線將被排出超導(dǎo)體外，導(dǎo)致體內(nèi)磁感應(yīng)強度為零，即同時出現(xiàn)零電阻態(tài)和完全抗磁性。超導(dǎo)態(tài)開始出現(xiàn)的溫度一般稱為超導(dǎo)臨界溫度，一般定義為Tc。微觀上

2、來說，當(dāng)超導(dǎo)材料處于超導(dǎo)臨界溫度之下時，材料中費米面附近的電子將通過相互作用媒介而兩兩配對，這些電子對將同時處于穩(wěn)定的低能組態(tài)，叫“凝聚體”。在外加電場驅(qū)動下，所有電子對整體能夠步調(diào)一致地運動，因此超導(dǎo)又屬于宏觀量子凝聚現(xiàn)象。對于零電阻態(tài)，實驗上已經(jīng)證實超導(dǎo)材料的電阻率小于10－23mΩ?cm，在實驗精度允許范圍內(nèi)已經(jīng)可以認(rèn)為是零。如果將超導(dǎo)體做成環(huán)狀并感應(yīng)產(chǎn)生電流，電流將在環(huán)中流動不止且?guī)缀醪凰p。超導(dǎo)體的完全抗磁性并不依賴于超導(dǎo)體降溫和加場的次序，也稱為邁斯納（Meissner）效應(yīng)。一個材料是否為超導(dǎo)體，零電阻態(tài)和完全抗磁性是必須同時具有的兩個獨立特征。超導(dǎo)態(tài)下配對的電子對又稱庫珀（C

3、ooper）對。配對后的電子將處于凝聚體中，打破電子對需要付出一定的能量，稱為超導(dǎo)能隙，它反映了電子間的配對強度。一般來說，超導(dǎo)態(tài)在低外磁場及低溫下是穩(wěn)定的有序量子態(tài)。超導(dǎo)體的一系列神奇特性意味著我們可以在低溫下穩(wěn)定地利用超導(dǎo)體，比如實現(xiàn)無損耗輸電、穩(wěn)恒強磁場和高速磁懸浮車等。正因如此，自從超導(dǎo)發(fā)現(xiàn)以來，人們對超導(dǎo)材料的探索腳步一直不斷向前，對超導(dǎo)微觀機理和超導(dǎo)應(yīng)用的研究熱情也從未衰減。隨著對超導(dǎo)研究的深入，一系列新的超導(dǎo)家族不斷被發(fā)現(xiàn)，它們展現(xiàn)的新奇物理現(xiàn)象也在不斷挑戰(zhàn)人們對現(xiàn)有凝聚態(tài)物理的理解，同時實驗技術(shù)手段也因此得以加速進步，理論概念更是取得了諸多飛躍。已逾百年的超導(dǎo)研究，在諸多科學(xué)

4、家的推動下，依舊不斷展示新的魅力！金屬Hg在4.2K以下的零電阻態(tài)超導(dǎo)材料研究和發(fā)展歷史展現(xiàn)了人們在超導(dǎo)探索中的種種曲折和驚喜，反映了人們在對大自然的認(rèn)識過程中如何付出努力又如何收獲成果。隨著超導(dǎo)新材料的不斷發(fā)現(xiàn)，人們試圖用基于量子力學(xué)的微觀機理去理解超導(dǎo)的本質(zhì)。描述超導(dǎo)的微觀理論在豐富的實驗觀測基礎(chǔ)上逐漸浮出水面。這些理論在為人們尋找其他超導(dǎo)體方面既起到引導(dǎo)作用，也曾有誤導(dǎo)的一面，但它們突破了傳統(tǒng)物理概念的樊籠，對凝聚態(tài)物理乃至整個物理研究都起到了主要的推動的作用。當(dāng)然，人們更迫切地希望能夠?qū)崿F(xiàn)超導(dǎo)的大規(guī)模應(yīng)用，為人類生產(chǎn)和生活帶來福祉。這也正是超導(dǎo)研究的最終目的。二、超導(dǎo)材料的歷史?超導(dǎo)

5、的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展，與低溫的獲得密切相關(guān)。傳統(tǒng)的低溫環(huán)境主要依靠液化氣體來實現(xiàn)，比如液氫的沸點是20K（熱力學(xué)溫標(biāo)中0K對應(yīng)著零下273攝氏度，20K即相當(dāng)于零下253攝氏度）。1908年，荷蘭萊頓實驗室的昂內(nèi)斯（KarmerlinghOnnes）等將最難液化的氣體——氦氣成功液化，并獲得液氦的沸點為4.2K。通過液氦進一步節(jié)流膨脹技術(shù)可以獲得低至1.5K的低溫環(huán)境。隨后在1911年4月8日，昂內(nèi)斯等人在測量金屬汞在低溫下的電阻時，驚訝地發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度降至4.2K以下時，汞的電阻突然下降到儀器測量不到的最小值，基本可認(rèn)為是零電阻態(tài)。第一個超導(dǎo)體——金屬汞就此被發(fā)現(xiàn)，其Tc為4.2K。原則上說，如果把高

6、純金屬認(rèn)為是理想導(dǎo)體，也可以具有零電阻態(tài)，但超導(dǎo)體與單純零電阻態(tài)的理想導(dǎo)體有本質(zhì)區(qū)別，具有更多的奇特性質(zhì)。1933年，德國物理學(xué)家邁斯納（W.Meissner）和奧森菲爾德（R.Ochsenfeld）發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體內(nèi)部磁感應(yīng)強度為零，即具有完全抗磁性，超導(dǎo)態(tài)下磁化率為－1，這成為判斷超導(dǎo)體的另一個重要特征指標(biāo)。超導(dǎo)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)之后，人們又陸續(xù)研究了其他金屬和合金是否在低溫下具有超導(dǎo)電性。人們發(fā)現(xiàn)原來超導(dǎo)現(xiàn)象在大部分金屬中都存在，一些材料在常壓和低溫下即可超導(dǎo)，還有的需要在高壓和低溫下才有超導(dǎo)電性。在元素周期表中，除了一些磁性金屬如Mn、Co、Ni，堿金屬如Na、K、Rb，部分磁性稀土元素，惰性氣體和

7、重元素等尚未觀測到超導(dǎo)電性外，其他常見金屬甚至非金屬元素都可以實現(xiàn)超導(dǎo)。金屬和合金以及簡單金屬化合物的超導(dǎo)臨界溫度都很低，到1986年為止，人們發(fā)現(xiàn)Tc最高的化合物是Nb3Ge，Tc=23.2K。這意味著實現(xiàn)超導(dǎo)態(tài)需要依賴非常昂貴的液氦來維持低溫環(huán)境，極大地制約了超導(dǎo)研究和超導(dǎo)應(yīng)用。當(dāng)時一些理論甚至明確指出，基于電聲子相互作用機制的超導(dǎo)臨界溫度可能存在一個極限，即超導(dǎo)臨界溫度的最高值Tcmax=40K。然而，