第2章超導(dǎo)材料

第二章超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料是一種沒有電阻的材料，既能節(jié)約能量，減少電能因電阻而消耗的能量，還能把電流儲存起來，供急需時使用。

1自從世界上以電力作為主要動力以來，就遇到兩個令人頭痛的問題：１、是在輸送電流時，不少電力因?qū)Ь€有電阻而發(fā)熱，白白損失了相當(dāng)?shù)哪芰?。２、白天的電力常常?yán)重不足，而深夜的電力又大大富余，使得發(fā)電機(jī)常常白天超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，深夜時卻空轉(zhuǎn)，電力白白浪費(fèi)了。2能不能把夜間富余的電力儲存起來用以彌補(bǔ)白天電力不足的難題呢?自從有了超導(dǎo)材料以來，解決這個問題就大有希望了。3

一、超導(dǎo)材料的發(fā)展歷程1911年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，金屬的電阻和它的溫度條件有很大關(guān)系：溫度高時，它的電阻就增加，溫度低時電阻減少。并總結(jié)出一個金屬電阻與溫度之間的關(guān)系的理論公式。4當(dāng)時，荷蘭物理學(xué)家昂尼斯為檢驗(yàn)金屬電阻與溫度之間的關(guān)系的理論公式的正確性，就用水銀作試驗(yàn)。將水銀冷卻到-40℃時，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)降低溫度，同時測量不同溫度下固體水銀的電阻，當(dāng)溫度降低列4K時，水銀的電阻突然變成了零。5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)轟動了世界的物理學(xué)界，后來科學(xué)家把這個現(xiàn)象叫超導(dǎo)現(xiàn)象，把電阻等于零的材料稱超導(dǎo)材料，而把出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象的溫度稱作超導(dǎo)材料的“臨界溫度”。6昂尼斯和許多科學(xué)家后來又發(fā)現(xiàn)了28種超導(dǎo)元素和8000多種超導(dǎo)化合物材料。但出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象的臨界溫度大多在接近絕對零度的極低溫，沒有什么經(jīng)濟(jì)價值，因?yàn)橹圃爝@種極低的溫度，本身就很花錢而又很困難。

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為了尋找臨界溫度比較高的沒有電阻的材料，世界上無數(shù)科學(xué)家奮斗了近60年，也沒有取得什么進(jìn)展。直到1973年，英、美一些科學(xué)家才找到一種在23K出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象的鈮鍺合金。此后這一記錄又保持了10多年。8

到了1986年，在瑞士IBM公司研究室工作的貝特諾茨和繆勒從別人多次失敗中總結(jié)教訓(xùn)，放棄了在金屬和合金中尋找超導(dǎo)材料的老觀念，終于發(fā)現(xiàn)一種釔鋇銅氧陶瓷氧化物材料在43K這一較高溫度下出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象。這是一個了不起的成就，因此他們兩人同時獲得了1987年的諾貝爾物理學(xué)獎。9此后，美籍華人學(xué)者朱經(jīng)武，中國物理學(xué)家趙忠賢在1987年相繼發(fā)現(xiàn)了在78.5K

和98K時出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象的釔鋇銅氧系高溫超導(dǎo)材料。不久又發(fā)現(xiàn)鉍鍶鈣銅氧系高溫超導(dǎo)合金，在110K的溫度就有超導(dǎo)現(xiàn)象。10而后朱經(jīng)武發(fā)現(xiàn)的鉈鋇鈣銅氧系合金的超導(dǎo)溫度更接近室溫，達(dá)120K。11199l年，美國和日本的科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)了球狀碳分子Ｃ--60在摻鉀、銫、釹等元素后，也有超導(dǎo)性?？茖W(xué)家預(yù)料，球狀碳分子Ｃ--60摻雜金屬后，有可能在室溫下出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象，那時，超導(dǎo)材料就有可能像半導(dǎo)體材料一樣，在世界引起一場工業(yè)和技術(shù)革命。121995年美國國立洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家已經(jīng)把高溫超導(dǎo)體制成柔韌的細(xì)帶狀，由于沒有電阻，其導(dǎo)電性是銅絲的1200多倍。131996年，日本電氣公司制出長一千米的高溫超導(dǎo)線材，電流密度達(dá)到6000A/cm2，這種線材已達(dá)到了實(shí)用化的水平。14超導(dǎo)材料在液氮以上溫度工作，可以說是20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)展史上的一個新的里程碑。至今，對高溫超導(dǎo)材料的研究仍然方興未艾。15二、超導(dǎo)體的三個臨界參數(shù)

1911年，荷蘭物理學(xué)家昂內(nèi)斯(OnnesHK)在成功地將氦氣液化、獲得4.2K的超低溫后，開始研究超低溫條件下金屬電阻的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)溫度下降至4.2K時，汞電阻突然消失了！這就是超導(dǎo)現(xiàn)象，此時的溫度稱為超導(dǎo)臨界溫度Tc。16

零電阻是超導(dǎo)體最基本的特性，它意味著電流可以在超導(dǎo)體內(nèi)無損耗地流動，使電力的無損耗傳輸成為可能；同時，零電阻允許有遠(yuǎn)高于常規(guī)導(dǎo)體的載流密度，可用以形成強(qiáng)磁場或超強(qiáng)磁場。

17發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)電性后，昂內(nèi)斯即著手用超導(dǎo)體來繞制強(qiáng)磁體，但出乎他的意料，超導(dǎo)體在通上不大的電流后，超導(dǎo)電性就被破壞了，即超導(dǎo)體具有臨界電流Ic。

此后，又發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)體的臨界磁場Hc。

Ic和Hc也是超導(dǎo)體的基本特性，是實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)體強(qiáng)電應(yīng)用的必要條件。

18

臨界溫度（Tc）、臨界電流（Ic）和臨界磁場（Hc

）是“約束”超導(dǎo)現(xiàn)象的三大臨界條件。三者具有明顯的相關(guān)性，只有當(dāng)超導(dǎo)體同時處于三個臨界條件以內(nèi)，即處于如圖所示的三角錐形曲面內(nèi)側(cè)，才具有超導(dǎo)電性。

19三角錐形曲面內(nèi)側(cè)超導(dǎo)電性的T--I--H臨界面20

⑴臨界溫度Tc

超導(dǎo)體從常導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)的溫度，以Tc表示。

臨界溫度是在外部磁場、電流、應(yīng)力和輻射等條件維持足夠低時，電阻突然變?yōu)榱銜r的溫度。由于材料的不純，這種零電阻轉(zhuǎn)變前后，跨越了一個溫區(qū)。21⑵臨界磁場Hc(Ｔ)

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，超導(dǎo)電性可以被外加磁場所破壞，對于溫度為T(T＜Tc)的超導(dǎo)體，當(dāng)外磁場超過某一數(shù)值Hc(T)的時候，超導(dǎo)電性就被破壞了，使它由超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌?dǎo)態(tài),電阻重新恢復(fù)。22這種能夠破壞超導(dǎo)所需的最小磁場強(qiáng)度，叫做臨界磁場Hc(T)

。在臨界溫度Tc，臨界磁場為零。

Hc(T)隨溫度的變化一般可以近似地表示為拋物線關(guān)系：式中，Hc０是絕對零度時的臨界磁場。23（３）臨界電流Ic（Ｔ）

實(shí)驗(yàn)表明，在不加磁場的情況下，超導(dǎo)體中通過足夠強(qiáng)的電流也會破壞超導(dǎo)電性，導(dǎo)致破壞超導(dǎo)電性所需要的最小極限電流，也就是超導(dǎo)態(tài)允許流動的最大電流，稱作臨界電流Ic(T)。24在臨界溫度Tc，臨界電流為零，這個現(xiàn)象可以從磁場破壞超導(dǎo)電性來說明。當(dāng)通過樣品的電流在樣品表面產(chǎn)生的磁場達(dá)到Hc時，超導(dǎo)電性就被破壞．這個電流的大小就是樣品的臨界電流。

臨界電流隨溫度變化的關(guān)系有式中，Ｉc０是絕對零度時的臨界電流。25超導(dǎo)材料基本物理特性：臨界溫度Tc、臨界磁場Hc和臨界電流Ic三個臨界值。超導(dǎo)材料只有處在這些臨界值以下的狀態(tài)時才顯示超導(dǎo)性，所以臨界值越高，實(shí)用性就強(qiáng)，利用價值就越高。26三、超導(dǎo)材料的基本特性

1．零電阻效應(yīng)

2．超導(dǎo)體的完全抗磁性（邁斯納效應(yīng)）271．零電阻效應(yīng)當(dāng)溫度T下降至某一數(shù)值以下時，超導(dǎo)體的電阻突然變?yōu)榱?，這就稱為超導(dǎo)體的零電阻效應(yīng)，也稱為超導(dǎo)電性。下圖是汞在液氦溫度附近電阻的變化行為。28汞在液氦溫度附近電阻的變化行為超導(dǎo)臨界溫度Tc雖然與樣品純度無關(guān),但是越均勻純凈的樣品超導(dǎo)轉(zhuǎn)變時的電阻陡降越尖銳。292．超導(dǎo)體的完全抗磁性（邁斯納效應(yīng)）

指超導(dǎo)體處于外界磁場中，磁力線無法穿透，超導(dǎo)體內(nèi)的磁通量為零。301933年，邁斯納(MeissnerW)發(fā)現(xiàn)，只要溫度低于超導(dǎo)臨界溫度，則置于外磁場中的超導(dǎo)體就始終保持其內(nèi)部磁場為零，外部磁場的磁力線統(tǒng)統(tǒng)被排斥在超導(dǎo)體之外。31即便是原來處在磁場中的正常態(tài)樣品，當(dāng)溫度下降使它變成超導(dǎo)體時，也會把原來在體內(nèi)的磁場完全排出去，即超導(dǎo)體具有完全抗磁性。這一現(xiàn)象被稱為邁斯納效應(yīng)，它是超導(dǎo)體的另一個獨(dú)立的基本特性。32超導(dǎo)體內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度B總是等于零，即金屬在超導(dǎo)電狀態(tài)的磁化率為=M/H=-1,B=0(1+

)H=0。

超導(dǎo)體內(nèi)的磁化率為-1(M為磁化強(qiáng)度，B0＝

0

H)超導(dǎo)體的完全抗磁性如下圖所示：33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)體在靜磁場中的行為可以近似地用“完全抗磁體”來描述。利用這一特性，可以實(shí)現(xiàn)磁懸浮。3435超導(dǎo)體的邁斯納效應(yīng)的意義：否定了把超導(dǎo)體看作理想導(dǎo)體，還指明超導(dǎo)態(tài)是一個熱力學(xué)平衡的狀態(tài)，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)識到超導(dǎo)電性是一種宏觀的量子現(xiàn)象。36僅從超導(dǎo)體的零電阻現(xiàn)象出發(fā)，得不到邁斯納效應(yīng)。同樣，用邁斯納效應(yīng)也不能描述零電阻現(xiàn)象。因此，邁斯納效應(yīng)和零電阻性質(zhì)是超導(dǎo)態(tài)的兩個獨(dú)立的基本屬性，衡量一種材料是否具有超導(dǎo)電性必須看是否同時具有零電阻和邁斯納效應(yīng)。37邁斯納效應(yīng)產(chǎn)生的原因

當(dāng)超導(dǎo)體處于超導(dǎo)態(tài)時，在磁場的作用下，表面產(chǎn)生無損耗感應(yīng)電流，這個電流產(chǎn)生的磁場與原磁場的大小相等，方向相反，因而總合成磁場為零。即，無損感應(yīng)電流對外加磁場起著屏蔽的作用，因此又稱為抗磁性屏蔽電流。

38根據(jù)上述超導(dǎo)材料的兩個基本特征，可以看出：

超導(dǎo)體是指某種物質(zhì)冷卻到某一溫度時電阻突然變?yōu)榱悖瑫r物質(zhì)內(nèi)部失去磁通成為完全抗磁性的物質(zhì)。39超導(dǎo)材料的組成元素有金屬、類金屬和非金屬元素，在元素周期表上的位置如圖所示。40在元素周期表相應(yīng)位置的元素中，有的可由單一元素制成超導(dǎo)材科，但絕大多數(shù)超導(dǎo)材料是由多種元素構(gòu)成的合金、化合物或陶瓷。下表中列出了代表性的超導(dǎo)材料及Ｔc值。41超導(dǎo)材料及Ｔc值42在上述超導(dǎo)特性被發(fā)現(xiàn)后，對超導(dǎo)電性的理論研究即已開始，但直到20世紀(jì)50年代建立了超導(dǎo)電性的微觀理論，人們才對金屬超導(dǎo)體的超導(dǎo)行為獲得了滿意的解釋。43四、傳統(tǒng)超導(dǎo)電體的超導(dǎo)電性理論(1)唯象理論①二流體模型②倫敦方程③金茲堡--朗道理論44(2)傳統(tǒng)超導(dǎo)體的微觀機(jī)制①同位素效應(yīng)②超導(dǎo)能隙③庫柏電子對④相干長度⑤BCS理論45(1)唯象理論①二流體模型早期為了解釋超導(dǎo)體的熱力學(xué)性質(zhì)，1934年戈持(C.J.Gorter)和卡西米爾(H.B.G.Casimir)提出超導(dǎo)電性的二流體模型，它包含以下三個假設(shè)：46

（一）

金屬處于超導(dǎo)態(tài)時，共有化的自由電子(總數(shù)為N)分為兩部分：一部分叫正常電子Nn

；另一部分叫超流電子Ns，超流電子在晶格中無阻地流動，它占電子總數(shù)的Ns/N。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，兩種電子相對的數(shù)目是溫度的函數(shù)。

47（二）

超導(dǎo)態(tài)時，共有化的自由電子中的正常電子的性質(zhì)與正常金屬自由電子相同，由于受到晶格振動的散射而產(chǎn)生電阻，所以對熵有貢獻(xiàn)。48

（三）

超流電子處在一種凝聚狀態(tài)，即凝聚到某一低能態(tài)，所以超導(dǎo)態(tài)是比正常態(tài)更加有序的狀態(tài)。這個假設(shè)的依據(jù)主要有下面兩點(diǎn)：49１、當(dāng)超導(dǎo)態(tài)Ｈ＝Ｈc時，磁場中超導(dǎo)態(tài)將轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)。故超導(dǎo)態(tài)的自由能要比正常態(tài)低

0HC2V/2(Ｖ是超導(dǎo)金屬的體積)。２、超導(dǎo)態(tài)的電子不受晶格散射，又因?yàn)槌瑢?dǎo)態(tài)是低能量狀態(tài)，所以超流電子對熵沒有貢獻(xiàn)。50

二流體模型對超導(dǎo)體零電阻特性的解釋：當(dāng)T＜Tc時，出現(xiàn)超流電子，它們的運(yùn)動是無阻的，超導(dǎo)體內(nèi)部的電流完全來自超流電子的貢獻(xiàn)，它們對正常電子起到短路作用，正常電子不載荷電流，所以樣品內(nèi)部不能存在電場，也就沒有電阻效應(yīng)。51從二流體模型出發(fā)，可以解釋許多超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，如超導(dǎo)轉(zhuǎn)變時電子比熱的“

”型躍變等，倫敦正是在這個模型的基礎(chǔ)上建立了超導(dǎo)體的電磁理論。52②倫敦方程

最具實(shí)用價值的超導(dǎo)現(xiàn)象無疑與超導(dǎo)體的電動力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。1935年，倫敦兄弟F.London，H．London)在二流體模型的基礎(chǔ)上，提出兩個描述超導(dǎo)電流與電磁場關(guān)系方程，與麥克斯韋方程一起構(gòu)成了超導(dǎo)體的電動力學(xué)基礎(chǔ)。53倫敦第一方程式中，m是電子質(zhì)量，Js為超流電流密度，ns是超導(dǎo)電子密度。54由上式可見：在穩(wěn)態(tài)下，超導(dǎo)體中的電流為常值時，，則E＝0。

即，在穩(wěn)態(tài)下，超導(dǎo)體內(nèi)的電場強(qiáng)度等于零，因此，它說明了超導(dǎo)體的零電阻性質(zhì)。55倫敦第二方程?╳（

Js）=-B式中，

＝(m／nse2)。m是電子質(zhì)量，Js為超流電流密度，ns是超導(dǎo)電子密度

磁場在超導(dǎo)體中的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布和穿透深度考慮一維情形，設(shè)超導(dǎo)體占據(jù)x≥0的空間，x＜0的區(qū)域?yàn)檎婵?如圖所示)。56由式?╳（

Js）=-B，結(jié)合麥克斯韋方程，可以求得在超導(dǎo)體內(nèi)，表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度B以指數(shù)形式迅速衰減為零。57倫敦第一方程和倫敦第二方程可以概括零電阻效應(yīng)和邁斯納效應(yīng)，并預(yù)言了超導(dǎo)體表面上的磁場穿透深度

l。58下表列舉了幾種金屬超導(dǎo)體的磁場穿透深度。在0K下的磁場穿透深度

l59

③金茲堡--朗道理論1950年金茲堡(Ginsberg)和朗道(Landau)將朗道的二級相變理論應(yīng)用于超導(dǎo)體，對于在一個恒定磁場中的超導(dǎo)體行為給予了更為適當(dāng)?shù)拿枋?，?gòu)成金茲堡—朗道理論。該理論也能預(yù)言邁斯納效應(yīng)，并且還可以反映超導(dǎo)體宏觀量子效應(yīng)的一系列特征。60(2)傳統(tǒng)超導(dǎo)體的微觀機(jī)制

二流體模型、倫敦方程和金茲堡--朗道理論作為唯象理論，在解釋超導(dǎo)電性的宏觀性質(zhì)方面取得了很大成功，然而這些理論無法結(jié)出超導(dǎo)電性的微觀圖像。20世紀(jì)50年代初，同位素效應(yīng)、超導(dǎo)能隙等關(guān)鍵性的發(fā)現(xiàn)，提供了揭開超導(dǎo)電性之謎的線索。61①同位素效應(yīng)1950年，E.Maxwell和C.A.Raynold各自獨(dú)立地測量了水銀同位素的臨界轉(zhuǎn)變溫度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

隨著水銀同位素質(zhì)量的增高，臨界溫度降低。對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理后得到原于質(zhì)量M和臨界溫度Tc的簡單關(guān)系：M

Tc=常數(shù)其中，=0.500.03

這種轉(zhuǎn)變溫度Tc依賴于同位素質(zhì)量Ｍ的現(xiàn)象就是同位素效應(yīng)。62如果構(gòu)成晶格的離子質(zhì)量不同，在給定波長的情況下，晶格振動的頻率就會依離子質(zhì)量不同而發(fā)生變化，即

離子質(zhì)量Ｍ反映了晶體的性質(zhì)。63從式M

Tc=常數(shù)可看出，離子質(zhì)量Ｍ反映了晶體的性質(zhì)，臨界溫度Tc反映了電子性質(zhì)，所以，同位素效應(yīng)把晶格與電子聯(lián)系起來了。而在固體理論中，描述晶格振動的能量子稱之為聲子，因此，從同位素效應(yīng)可知，電子--聲子的相互作用與超導(dǎo)電性有密切關(guān)系。

64人們發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)電性良好的堿金屬和貴金屬由于其電子--晶格相互作用很微弱，故都不是超導(dǎo)體。而常溫下導(dǎo)電性不好的材料，在低溫卻有可能成為超導(dǎo)體，此外臨界溫度比較高的金屬，由于其電子--聲子相互作用強(qiáng)，故常溫下導(dǎo)電性較差。65弗洛里希(H．Frolich)曾經(jīng)提出，電子--聲子相互作用是高溫下引起電阻的原因，而在低溫下導(dǎo)致超導(dǎo)電性。因此，同位素效應(yīng)支持了弗洛里希提出的電子-聲子相互作用的探討方向。66

②超導(dǎo)能隙

在20世紀(jì)50年代，許多實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)金屬處于超導(dǎo)態(tài)時，超導(dǎo)態(tài)的電子能譜與正常金屬不同，下圖是在T＝0K的電子能譜示意圖。67從上圖可知：超導(dǎo)態(tài)時，費(fèi)米能EF附近出現(xiàn)了一個半寬度為

的能量間隔。在這個能量范圍內(nèi)，沒有電子占據(jù)。人們把這個

叫做超導(dǎo)能隙，能隙大小的數(shù)量級約在10-3~10-4

eV。68在絕對零度，能量處于能隙以下的各態(tài)全被占據(jù)，而能隙以上的各態(tài)則全空著，這就是超導(dǎo)基態(tài)。69當(dāng)頻率為

的電磁波照射到超導(dǎo)體上時，由于超導(dǎo)能隙Eg的存在，只有當(dāng)照射頻率滿足式h

≥Eg時，激發(fā)過程才會發(fā)生。當(dāng)照射頻率=

0=Eg/h時，超導(dǎo)體就會開始強(qiáng)烈的吸收電磁波。臨界頻率

0

一般處于微波或遠(yuǎn)紅外頻譜部分。當(dāng)h

?Eg時，相當(dāng)于把Eg看成等于零。超導(dǎo)體在這些頻段的行為，等同于正常金屬。

70實(shí)驗(yàn)表明，超導(dǎo)體的臨界頻率

0，與超導(dǎo)體的能隙Eg有一定聯(lián)系。不同的超導(dǎo)體，其Eg不同，且隨溫度升高而減小，當(dāng)溫度達(dá)到臨界溫度Tc時，有Eg=0，

0＝0。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，一般超導(dǎo)體的臨界頻率

0的數(shù)量級為1011Hz，相應(yīng)的超導(dǎo)體能隙的數(shù)量級為10-4

eV左右。71

③庫柏電子對

L.N.Cooper發(fā)現(xiàn)，如果帶電粒子的正則動量(機(jī)械動量與場動量之和)等于零，那么很容易從超導(dǎo)電流密度的基本關(guān)系Jc=-nse.V得到倫敦方程。由此可見，超導(dǎo)態(tài)是由正則動量為零的超導(dǎo)電子組成的，它是動量空間的凝聚現(xiàn)象。要發(fā)生凝聚現(xiàn)象，必須有吸引力的作用存在。72如右圖所示：電子在晶格點(diǎn)陣中運(yùn)動，它對周圍的正離子有吸引作用，從而造成局部正離子的相對集中，導(dǎo)致對另外電子的吸引作用。這樣兩個電子通過晶格點(diǎn)陣發(fā)生間接的吸引作用。

73庫柏認(rèn)為，只要兩個電子之間有凈的吸引作用，不管這種作用力多么微弱，它們都能形成束縛態(tài)。這種吸引作用有可能超過電子之間的庫侖排斥作用，而表現(xiàn)為凈的相互吸引作用，這樣的兩個電子被稱為庫柏電子對。從能量上看，組成庫柏對的兩個電子由于相互作用將導(dǎo)致勢能降低。庫柏電子對是現(xiàn)代超導(dǎo)理論的基礎(chǔ)。74

④相干長度皮帕德(A.B.Pippard)證明，當(dāng)一個電子從金屬的正常區(qū)移動到超導(dǎo)區(qū)時，其波函數(shù)不能從它的正常態(tài)值突然轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)值，這種轉(zhuǎn)變只能發(fā)生在一個距離

上，

被稱為相干長度。75可見，實(shí)際的庫柏對并非局限在非常小的空間里，而是擴(kuò)展在

～10-6

m的空間寬度上，這里

就稱為超導(dǎo)態(tài)的相干長度，它描述了配對電子間的距離。

相干長度

和穿透深度

一樣，都是超導(dǎo)體的特征參量。下表列舉了一些有代表性的超導(dǎo)體的相干長度。76幾種物質(zhì)在0K下的超導(dǎo)相干長度

77

⑤BCS理論

美國的巴丁(J．Bardeen)、庫柏(LN．Cooper)和施瑞弗(J．R．Schrieffer)在1957年提出了超導(dǎo)電性量子理論，被稱為BCS超導(dǎo)微觀理論。它可以解釋與低溫超導(dǎo)相關(guān)的各種實(shí)驗(yàn)事實(shí)，從而獲得1972年諾貝爾物理獎。78BCS超導(dǎo)微觀理論的核心是

(1)電子間的相互吸引作用形成的庫柏電子對會導(dǎo)致能隙的存在。超導(dǎo)體臨界場、熱學(xué)性質(zhì)及大多數(shù)電磁性質(zhì)都是這種電子配對的結(jié)果。79(2)元素或合金的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度與費(fèi)米面附近電子能態(tài)密度N(EF)和電子--聲子相互作用能U有關(guān)，它們可以從電阻率來估計，當(dāng)UN(EF)<<1時，BCS理論預(yù)測臨界溫度為：式中，

D為德拜溫度。有關(guān)Tc的理論結(jié)果在定性上滿足實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。80另外，從上式中得到這樣一個有趣的結(jié)論：一種金屬如果在室溫下具有較高的電阻率(因?yàn)槭覝仉娮杪适请娮?-聲子相互作用的量度)，冷卻時就有更大可能成為超導(dǎo)體。81

BCS理論可以得到磁通量子化的結(jié)論，即，磁通量子的電荷有效單位是2e而不是e。

由于BCS基態(tài)涉及的是庫柏電子對，所以磁通量子化中的電子對電荷2e是BCS理論的一個推論。82

BCS理論是第一個成功地解釋了超導(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。后來，雖然又有了一些形式上的發(fā)展和完善，但基本思想和物理圖像則沒有更大的改變。83

五、超導(dǎo)隧道效應(yīng)

在經(jīng)典力學(xué)中，若兩個空間區(qū)域被一個勢壘分隔開，則只有粒子具有足夠的能量越過勢壘時，它才會從一個空間進(jìn)入另一個空間區(qū)域中去。84在量子力學(xué)中，情況卻并非如此，粒子要具有足夠的能量不再是一個必要條件。一個能量不大的粒子也可能會以一定的幾率“穿過”勢壘，這就是所謂的隧道效應(yīng)。

851、正常電子隧道效應(yīng)

考慮被絕緣體I

隔開的兩個金屬Ｎ，如下圖所示。

絕緣體通常阻擋從一種金屬流向另一種金屬的傳導(dǎo)電子。如果阻擋層足夠薄，則由于隧道效應(yīng)，電子具有相當(dāng)大的幾率穿越絕緣層。86當(dāng)兩個金屬都處于正常態(tài)，夾層結(jié)構(gòu)(或隧道結(jié))的電流--電壓曲線在低電壓下是歐姆型的，即電流正比于電壓，如圖所示：87賈埃弗(I.Giaever)發(fā)現(xiàn)，如果金屬中的一個變?yōu)槌瑢?dǎo)體時，電流--電壓的特性曲線會變化如下：88可以用超導(dǎo)能隙來解釋正常金屬--絕緣體--超導(dǎo)體(NIS）結(jié)和超導(dǎo)體1--絕緣體--超導(dǎo)體2(S1IS2)結(jié)的超導(dǎo)隧道效應(yīng)。89

2、約瑟夫森隧道電流效應(yīng)

上面所述的NIS結(jié)和SIS結(jié)，其隧道電流都是正常電子穿越勢壘。

正常電子導(dǎo)電，通過絕緣介質(zhì)層的隧道電流是有電阻的。這種情況的絕緣介質(zhì)厚約幾十納米到幾百納米。90如果SIS隧道結(jié)的絕緣層厚度只有1nm左右，那么理論和實(shí)驗(yàn)都證實(shí)了將會出現(xiàn)一種新的隧道現(xiàn)象，即庫柏電子對的隧道效應(yīng)，電子對穿過位壘后仍保持著配對狀態(tài)。91

約瑟夫遜在研究電子對通過超導(dǎo)金屬間的絕緣層時指出，當(dāng)兩塊超導(dǎo)體之間的絕緣層薄至接近原子尺寸(10-20?)時，超導(dǎo)電子可以穿過絕緣層產(chǎn)生隧道效應(yīng)，即超導(dǎo)體--絕緣體--超導(dǎo)體這樣的超導(dǎo)結(jié)(約瑟夫遜結(jié)或SIS結(jié))具有超導(dǎo)性。92約瑟夫森結(jié)當(dāng)通過超導(dǎo)結(jié)的電流大于Ic時，超導(dǎo)結(jié)兩端會出現(xiàn)電位差U，這時除有正常的隧道電流外，還存在頻率f=2ev/h(h為普朗克常量)的交流超導(dǎo)電流。93當(dāng)一頻率為f的電磁波信號照射到超導(dǎo)結(jié)上，在其直流I--U曲線上，電壓U=nhf/2e(n為整數(shù))的地方將出現(xiàn)電流臺階(shapiro臺階)，稱為約瑟夫遜效應(yīng)，它為超導(dǎo)電性的電子學(xué)(弱電)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。94

直流約瑟夫森效應(yīng)：在不存在任何電場時，有直流電流通過結(jié)。通過結(jié)的超導(dǎo)電子對電流J和對位相

的依賴關(guān)系是其中，J0正比于遷移相互作用。電流J0是能夠通過結(jié)的最大零電壓電流。95

交流約瑟夫森效應(yīng)：當(dāng)在超導(dǎo)結(jié)的兩端施加直流電壓時，電流會發(fā)生振蕩，其頻率是：1uv的直流電壓，產(chǎn)生振蕩的頻率為483.6MHz。96上式說明當(dāng)電子對穿過勢壘時，會放出光子，其能量為：。這個效應(yīng)被用于h／e的精確測量。另外，如果與直流電壓同時施加一個射頻電壓，則能產(chǎn)生通過超導(dǎo)結(jié)的直流電流。97

宏觀長程量子干涉

直流磁場加到包含兩個結(jié)的超導(dǎo)電路，會使最高超導(dǎo)電流呈現(xiàn)隨磁場強(qiáng)度變化的干涉效應(yīng)，超導(dǎo)量子干涉儀就是利用這個效應(yīng)工作的。98半導(dǎo)體的禁帶寬度一般在ev數(shù)量級，而超導(dǎo)體的能隙通常僅為lmev左右，只需很小的信號就能使超導(dǎo)體中的狀態(tài)產(chǎn)生很大變化。因此與半導(dǎo)體相比，超導(dǎo)電子器件具有低功耗、超高速和高靈敏度等優(yōu)點(diǎn)。99六、超導(dǎo)材料的分類⑴常規(guī)超導(dǎo)體⑵高溫超導(dǎo)體(HTS)

⑶其它類型超導(dǎo)體100

⑴常規(guī)超導(dǎo)體相對于高溫超導(dǎo)體而言，元素、合金和化合物的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度較低(以液氮溫度77K為界)，因此這類超導(dǎo)體被稱為常規(guī)超導(dǎo)體。101①元素超導(dǎo)體(50多種)

一些元素在常壓或高壓下具有超導(dǎo)電性能，另外一些元素經(jīng)特殊處理后顯示出超導(dǎo)電性。由于臨界電流和臨界磁場均較小，所以元素超導(dǎo)體很難實(shí)用化。

102103②合金超導(dǎo)體

超導(dǎo)合金在技術(shù)上有重要價值，它們具有較高的臨界溫度和特別高的臨界磁場以及臨界電流。超導(dǎo)合金具有塑性好，易于大量生產(chǎn)，成本低等優(yōu)點(diǎn)。104

最早出售的超導(dǎo)線材是Nb--Zr系，用于制造超導(dǎo)磁體。Nb--Zr合金具有低磁場高電流的特點(diǎn)。1965年后被加工性能好、臨界磁場高、成本低的Nb--Ti所取代。目前Nb-Ti系合金實(shí)用的線材使用最廣，Nb--Zr--Ti，Nb--Ti--Ta，Nb--Ti--Zr--Ta用于磁流體發(fā)電機(jī)大型磁體。105③化合物超導(dǎo)體

Nb3Sn

和V3Ga

是最先引起人們的注意的，其次是Nb3Ga、Nb3Al、Nb3(AlGa)。

實(shí)際能夠?qū)嵱玫闹挥蠳b3Sn和V3Ga兩種。其它的化合物因難于加工線材還不能實(shí)用。106復(fù)合法制備Nb3Sn,V3Ga線材107⑵高溫超導(dǎo)體(HTS)

一些復(fù)雜的氧化物陶瓷具有高的轉(zhuǎn)變溫度，其臨界溫度超過了77K，可在液氮的溫度下工作，稱為高溫超導(dǎo)體。108超導(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，它們都是由巖鹽(R)型、鈣鈦礦(P)型與螢石(F)型3種基本結(jié)構(gòu)單元相互重復(fù)連接而成的復(fù)雜晶體物質(zhì)。

109(C)螢石(F型)(AX2)

(a)巖鹽(R型)(AX)(b)鈣鈦礦(P型)(ABX３)110許多銅氧化物超導(dǎo)體是由R型、P型與F型基本結(jié)構(gòu)單元依次聯(lián)結(jié)構(gòu)筑而成，通常都是沿c軸平行地重復(fù)構(gòu)造而得，每個單元中有二維的“CuO2席位”兩個以上。111

(a)(Nd1-xSrx)(Nd1-yCey)CuO4-x

(b)(La1-xAx)CuO4(A=Ca,Sr,Ba)(c)YBa2Cu4O8

112113⑶其它類型超導(dǎo)體

①堿金屬摻雜的C60超導(dǎo)體

②有機(jī)超導(dǎo)體

③非晶超導(dǎo)材料

④重費(fèi)米子超導(dǎo)體

⑤金屬間化合物(R—T—B—Ｃ)超導(dǎo)體

⑥復(fù)合超導(dǎo)材料114①堿金屬摻雜的C60超導(dǎo)體

C60具有極高的穩(wěn)定性，當(dāng)C60中摻入堿金屬時，人們發(fā)現(xiàn)在一些特定成分上可以形成富勒烯結(jié)構(gòu)。通過與各種堿金屬原子的結(jié)合，AxC60的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度已經(jīng)提高到30K以上，超導(dǎo)溫度最高RbCs2C60的臨界轉(zhuǎn)變溫度為33K。115②有機(jī)超導(dǎo)體

第一個被發(fā)現(xiàn)的有機(jī)超導(dǎo)體是(TMTSF)2PF6，盡管這種有機(jī)鹽的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度只有0.9K，但是，它的發(fā)現(xiàn)預(yù)示了一個新的超導(dǎo)電性研究領(lǐng)域的出現(xiàn)。116

有機(jī)超導(dǎo)體具有低維特性、低電子密度和異常的頻率關(guān)系，已引起了眾多科學(xué)家的注意。117(TMTSF)2PF6

Thefirstorganicsuperconductordiscovered.

118組成有機(jī)超導(dǎo)體的四類化合物：119③非晶超導(dǎo)材料

非晶態(tài)超導(dǎo)體的研究主要包括非晶態(tài)簡單金屬及其合金和非晶態(tài)過渡金屬及其合金。它們具有高度均勻性、高強(qiáng)度、耐磨、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。120非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的長程無序性對其超導(dǎo)電性的影響很大，能使有些物質(zhì)的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc提高，這是由于非晶態(tài)超導(dǎo)體與晶態(tài)超導(dǎo)體的不同所引起的。

非晶態(tài)過渡金屬及合金的性質(zhì)比簡單金屬更為復(fù)雜。121④重費(fèi)米子超導(dǎo)體

重費(fèi)米子超導(dǎo)體是20世紀(jì)70年代末期發(fā)現(xiàn)的，它的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度只有0.7K。

122由于這類超導(dǎo)體的低溫電子比熱系數(shù)非常大，是普通金屬的幾百甚至幾千倍。因此，推斷出這類超導(dǎo)體的電子有效質(zhì)量比自由電子(費(fèi)米子)的質(zhì)量重幾百甚至幾千倍，因此稱為重費(fèi)米子超導(dǎo)體。

重費(fèi)米子超導(dǎo)體的研究對于超導(dǎo)電機(jī)制研究有重大意義。123⑤金屬間化合物(R-T-B-Ｃ)超導(dǎo)體

20世紀(jì)70年代，人們發(fā)現(xiàn)稀土--過渡元素--硼組成的金屬間化合物具有超導(dǎo)電性。這類超導(dǎo)體表現(xiàn)出鐵磁性與超導(dǎo)電性共存的復(fù)雜現(xiàn)象，因此又稱為磁性超導(dǎo)體。124在金屬間化合物(R—T—B—Ｃ)超導(dǎo)體中，以鉛鉬硫(PbMoS8)的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度最高。后來人們又制備出YNi4B超導(dǎo)體和YNi2B2C超導(dǎo)體等等，四元素硼碳金屬間化合物的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度達(dá)到23K。125⑥復(fù)合超導(dǎo)材料

許多超導(dǎo)體與良導(dǎo)體可以進(jìn)行復(fù)合，進(jìn)而形成復(fù)合超導(dǎo)材料。

復(fù)合超導(dǎo)材料可以承載更大的電流、減少退化效應(yīng)、增加超導(dǎo)的穩(wěn)定性、提高機(jī)械強(qiáng)度和超導(dǎo)性能等。126

復(fù)合超導(dǎo)體有超導(dǎo)電纜、復(fù)合線、復(fù)合帶、超導(dǎo)細(xì)線復(fù)合線等等，其主要由超導(dǎo)材料以及良導(dǎo)體、填充料、絕緣層以及高強(qiáng)度材料包覆層和屏蔽層六部分組成。127

七、高溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用

高溫超導(dǎo)材料的用途，大致可分為以下三類：（１）大電流應(yīng)用（強(qiáng)電應(yīng)用）；（２）電子學(xué)應(yīng)用（弱電應(yīng)用）；（３）抗磁性應(yīng)用。128

大電流應(yīng)用主要是指超群的超導(dǎo)磁體用于超導(dǎo)發(fā)電、輸電和儲能等三方面。

電子學(xué)應(yīng)用包括超導(dǎo)計算機(jī)、超導(dǎo)天線、超導(dǎo)微波器件等；

抗磁性主要應(yīng)用于磁懸浮列車和熱核聚變反應(yīng)堆等。129超群的超導(dǎo)磁體

超導(dǎo)材料最誘人的應(yīng)用是發(fā)電、輸電和儲能。由于超導(dǎo)材料在超導(dǎo)狀態(tài)下具有零電阻和完全的抗磁性，因此只需消耗極少的電能，就可以獲得10萬高斯以上的穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場。而用常規(guī)導(dǎo)體做磁體，要產(chǎn)生這么大的磁場，需要消耗3.5兆瓦的電能及大量的冷卻水，投資巨大。130

超導(dǎo)磁體可以制作:A、交流超導(dǎo)發(fā)電機(jī)Ｂ、磁流體發(fā)電機(jī)Ｃ、超導(dǎo)輸電線路131A、交流超導(dǎo)發(fā)電機(jī)在電力領(lǐng)域，利用超導(dǎo)線圈磁體可以將發(fā)電機(jī)的磁場強(qiáng)度提高到5萬～6萬高斯，并且?guī)缀鯖]有能量損失，這種發(fā)電機(jī)便是交流超導(dǎo)發(fā)電機(jī)。132

超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的單機(jī)發(fā)電容量比常規(guī)發(fā)電機(jī)提高5～10倍，達(dá)1萬兆瓦，而體積卻減少1/2，整機(jī)重量減輕1/3，發(fā)電效率提高50％。133Ｂ、磁流體發(fā)電機(jī)

磁流體發(fā)電機(jī)同樣離不開超導(dǎo)強(qiáng)磁體的幫助。磁流體發(fā)電機(jī)發(fā)電，是利用高溫導(dǎo)電性氣體（等離子體）作導(dǎo)體，并高速通過磁場強(qiáng)度為5萬～6萬高斯的強(qiáng)磁場而發(fā)電。134磁流體發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)非常簡單，用于磁流體發(fā)電的高溫導(dǎo)電性氣體還可重復(fù)利用。135Ｃ、超導(dǎo)輸電線路

超導(dǎo)材料還可以用于制作超導(dǎo)電線和超導(dǎo)變壓器，從而把電力幾乎無損耗地輸送給用戶。136據(jù)統(tǒng)計，目前的銅或鋁導(dǎo)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(dá)1000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)十個大型發(fā)電廠。137超導(dǎo)貯能

超導(dǎo)材料在輸送電流時，不會損耗電力，故用它可把作發(fā)電機(jī)可以做得很小。138例如一臺普通大型發(fā)電機(jī)需用15~20噸銅絲繞成線圈，如果用超導(dǎo)材料作線圈，只要幾百克就夠了，而發(fā)出的電力卻一樣。因此，超導(dǎo)材料是一種極好的節(jié)能材料和儲能材料。1391987年，美國國防部為適應(yīng)“星球大戰(zhàn)”的需要，決定建立一個用超導(dǎo)材料儲能的蓄電裝置。在和平時期可向居民供電，在有導(dǎo)彈襲來時，可為激光武器供電，用激光摧毀導(dǎo)彈。

140

因?yàn)槌瑢?dǎo)材料沒有電阻，它的蓄能效率高，可以回收98％的多余電力，而且反應(yīng)速度快。一旦需要電力，在0.3秒內(nèi)就可從超導(dǎo)儲能線圈中把電流引出來送到任何電網(wǎng)。這對星球大戰(zhàn)時所需電力是非常重要的。141美國已設(shè)計并著手建造一個可以儲存500萬千瓦小時的巨型圈。它的直徑有1568米，儲存的電力足以供幾十萬人口的城市照明用電。142超導(dǎo)材料之所以能儲存電能是因?yàn)樗鼪]有電阻，只要把電“注入”超導(dǎo)線圈，電流就可以無休止地在線圈中流動也不會有損耗。143超導(dǎo)計算機(jī)

高速計算機(jī)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。144超導(dǎo)計算機(jī)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(dǎo)器件來制作，不存在散熱問題，同時計算機(jī)的運(yùn)算速度大大提高。此外，科學(xué)家正研究用半導(dǎo)體和超導(dǎo)體來制造晶體管，甚至完全用超導(dǎo)體來制作晶體管。145超導(dǎo)磁懸浮列車

利用超導(dǎo)材料的抗磁性，將超導(dǎo)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(dǎo)體，磁體和超導(dǎo)體之間會產(chǎn)生排斥力，使超導(dǎo)體懸浮在磁體上方。利用這種磁懸浮效應(yīng)可以制作高速超導(dǎo)磁懸浮列車。146磁懸浮列車上的磁鐵不是常見的那種永久磁鐵，而是電磁鐵。

電磁鐵外有一個用導(dǎo)線繞成的線圈，線圈中有電流通過時，鐵就產(chǎn)生磁力，只要線圈中一斷電，鐵就立即失去磁力。147

電磁鐵的線圈有兩種，一種是普通的銅導(dǎo)線繞成的，另一種則是用超導(dǎo)材料導(dǎo)線制成的。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。而電磁鐵之間的排斥力和通過電磁線圈中的電流有直接關(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。148但普通的銅導(dǎo)線有電阻，電流一大，銅導(dǎo)線就會發(fā)熱，電流過大時，還可能使導(dǎo)線燒毀。所以銅導(dǎo)線通過的電流大小受到限制，例如直徑1毫米的銅導(dǎo)線，只能通過6安培左右的電流，否則就會過熱燒毀。

149為了使銅導(dǎo)線通過更大的電流，需要加大導(dǎo)線直徑，增加冷卻設(shè)備，這樣就會使磁懸浮列車本身的重量加重，這對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，又能讓電磁鐵產(chǎn)生很大的磁力呢?這似乎是一個難以克服的固難。但自從有了超導(dǎo)材料后，就克服了這一困難。

150因?yàn)槌瑢?dǎo)材料沒有電阻，多大的電流通過它也不會產(chǎn)生焦耳熱，也不會有電阻產(chǎn)生的損耗。因此，目前世界上許多國家都在爭先恐后地研究和開發(fā)超導(dǎo)磁懸浮列車。超導(dǎo)磁懸浮列車因?yàn)椴缓丸F軌接觸，沒有摩擦力，只有空氣產(chǎn)生的阻力，因此時速可達(dá)到650公里，和普通的民航飛機(jī)的速度差不多。151如果將磁懸浮列車裝在真空隧道中運(yùn)行，速度可達(dá)每小時1600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)。152我國在90年代初開始研制磁懸浮列車，并在“八五”末期研制出第一輛試驗(yàn)性磁懸浮列車，它沒有車輪，依靠磁斥力使車體浮起來10毫米左右，用直線電動機(jī)推進(jìn)。這輛磁浮列車是由鐵道部長春客車工廠制造的，鐵道科學(xué)院、國防科技大學(xué)、西南交通大學(xué)、長沙鐵道學(xué)院、大連鐵道學(xué)院等單位共同參加了研制。153核聚變反應(yīng)堆“磁封閉體”核聚變反應(yīng)時，內(nèi)部溫度高達(dá)1億～2億℃，沒有任何常規(guī)材料可以包容這些物質(zhì)。而超導(dǎo)體產(chǎn)生的強(qiáng)磁場可以作為“磁封閉體”，將熱核反應(yīng)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(jì)前景廣闊的新能源。154高溫超導(dǎo)材料在其它方面的用途

（１）磁分離技術(shù)（２）醫(yī)學(xué)方面155在磁分離技術(shù)方面，超導(dǎo)體主要是利用超導(dǎo)線圈產(chǎn)生的強(qiáng)大磁力從食物和各種原材料(如剛玉、方解石、砂石等)中把有鐵磁性或順磁性的雜質(zhì)清除出去。故超導(dǎo)體被稱作剔除雜質(zhì)的能手。156

超導(dǎo)磁分離裝置的工作原理如下：把需要處理的原材料先制成漿，送進(jìn)一個裝滿不銹鋼絨毛的容器內(nèi)，由于超導(dǎo)磁體能產(chǎn)生強(qiáng)大而均勻的磁場，漿料中的鐵磁性或順磁性雜質(zhì)就被吸住留在容器內(nèi)，被凈化的料漿則從低部的管道流出來。157超導(dǎo)材料在醫(yī)學(xué)方面，可以用來制造一種能測量極微小的電壓和電流的電子元件，叫做超導(dǎo)量子干涉器件。158

超導(dǎo)量子干涉器件可以測量小到100億億分之一伏特的電壓差和100億億分之一安培的電流(每秒僅通過幾個電于)，也可以測量小于100萬億分之一特斯拉的磁場(僅相自于地磁場的100億分之一)。159由于腦體和心臟細(xì)胞有病變時會改變腦電流和心電流信號，因此可用超導(dǎo)量子干涉器件診斷心臟和腦部的疾病。

磁腦照相術(shù)就是利用超導(dǎo)量子器件的這一性能，它可以檢測出稍大于10萬億分之一特拉斯的腦電信號，并能確定幾毫米范圍內(nèi)的神經(jīng)信號源。因此，超導(dǎo)材料在醫(yī)學(xué)上被稱作診斷疾病的“神醫(yī)”。160從超導(dǎo)材料的應(yīng)用可以看出，人類的生活中已經(jīng)切實(shí)感受到了超導(dǎo)電技術(shù)帶來的好處，因此人類的未來離不開超導(dǎo)電技術(shù)及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。161超導(dǎo)電技術(shù)將會在越來越廣泛的范圍里造福人類，而且對高溫超導(dǎo)電性機(jī)理的了解，將對凝聚態(tài)物理學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生極為深遠(yuǎn)的影響。在二十一世紀(jì)的今天，超導(dǎo)電技術(shù)將會變得更為重要。162

八、超導(dǎo)陶瓷材料人們在探索具有高臨界轉(zhuǎn)變溫度的超導(dǎo)陶瓷材料方面取得突破，發(fā)現(xiàn)Ba-La-Cu-O體系和Ba-Y-Cu-O體系的超導(dǎo)陶瓷材料，實(shí)現(xiàn)了液氮溫度超導(dǎo)。現(xiàn)在許多人正在研究更高臨界溫度的超導(dǎo)陶瓷材料。163一系列陶瓷高溫超導(dǎo)材料群體突破了液氮溫度壁壘，開辟了超導(dǎo)應(yīng)用的新途徑。例如，制成高溫超導(dǎo)線材?？梢詫⑿滦吞沾刹牧铣晒Φ乩瞥扇彳浀募?xì)絲用作超導(dǎo)線材，這些成功，為超導(dǎo)陶瓷材料開辟了新的應(yīng)用領(lǐng)域。164１、超導(dǎo)陶瓷的特征和制備方法超導(dǎo)陶瓷材料由于種類繁多，很難分類，但如果從化學(xué)的觀點(diǎn)來說，可以依據(jù)化合物的種類、結(jié)構(gòu)特征來分類。目前超導(dǎo)材料的形態(tài)有單晶材料、多晶材料、非晶材料，也有大塊超導(dǎo)體和超導(dǎo)薄膜之分。165除了金屬、合金和金屬間化合物外，還發(fā)現(xiàn)許多其他無機(jī)化合物如氧化物、硫?qū)倩衔?、碳化物和氮化物具有超?dǎo)性質(zhì)，這些無機(jī)化合物統(tǒng)稱為超導(dǎo)陶瓷材料。有時為了方便，也把金屬間化合物包括在超導(dǎo)陶瓷材料之內(nèi)。

166陶瓷超導(dǎo)材料的種類不同，制備方法也不一樣。但總的說來，凡有實(shí)用價值的化學(xué)反應(yīng)都能被用來制備超導(dǎo)材料，包括固--固、固--氣、氣相反應(yīng)等。167但是，由于原有的高Tc超導(dǎo)材料多數(shù)為金屬和合金，它們的制備方法常常不完全適用于新發(fā)展起來的材料體系，因此新材料制備方法的研究日益引起重視。168例如，研究得較多的Ba—Pb—Bi--O體系，現(xiàn)已發(fā)展了陶瓷法、化學(xué)共沉淀、固相反應(yīng)法、熱壓法來制備多晶材料。169單晶材料的單晶生長主要用水熱合成和熔鹽法。

超導(dǎo)薄膜的制備也取得顯著進(jìn)展，例如外延生長、射頻濺射、等離子噴涂和金屬有機(jī)化合物氣相淀積等都獲得了廣泛的應(yīng)用。170

另一類超導(dǎo)陶瓷即氧化物超導(dǎo)體，其分子式為YBa2Cu3O7-x，Y可以被其他稀土元素、特別是重稀土元素取代，用Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Tb和Lu取代Y后形成相應(yīng)的超導(dǎo)單相或多相材料。171部分超導(dǎo)陶瓷的性質(zhì)如下表所示172

近年來，隨著超導(dǎo)陶瓷材料不斷發(fā)展，逐漸形成了一類新型的“非常規(guī)超導(dǎo)材料”，包括重費(fèi)米子超導(dǎo)體、超晶格超導(dǎo)體、低電子密度超導(dǎo)體、有機(jī)超導(dǎo)體、磁性超導(dǎo)體、低維無機(jī)超導(dǎo)體、非晶態(tài)超導(dǎo)體和顆粒超導(dǎo)體。173

氧化物超導(dǎo)體屬于低電子密度超導(dǎo)體。這類超導(dǎo)體往往呈現(xiàn)出一些未被預(yù)期的性質(zhì)，通過對它們的研究不僅有可能導(dǎo)致新的超導(dǎo)電機(jī)制的建立和高臨界溫度超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)，而且還包含有許多前沿課題的解決。因此，對于這類新型超導(dǎo)體的應(yīng)用開發(fā)具有重大的實(shí)用價值。174

2、氧化物超導(dǎo)陶瓷材料的結(jié)構(gòu)和特性氧化物超導(dǎo)陶瓷材料種類很多，由于Ba-Pb--Bi--O和Li-Ti--O體系的超導(dǎo)臨界溫度較高，也是人們研究較多的體系。175

BaPbO3和BaBiO3分別是具有鈣鐵礦型結(jié)構(gòu)的半金屬和半導(dǎo)體，它們所組成的固溶體在一個狹窄的組成范圍內(nèi)呈現(xiàn)出13K的超導(dǎo)電性。176中子衍射實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)BaBiO3中Bi的含量由0~1時，材料的晶體結(jié)構(gòu)在室溫下經(jīng)歷了由正交晶系(I)--四方晶系---正交晶系(II)--單斜晶系的一系列相變過程，但超導(dǎo)相僅在四方晶系中出現(xiàn)。177過去的高Tc超導(dǎo)材料都含有過渡族元素，這是因?yàn)槠鋎軌道具有更大的局域性。但是，在BaPbl-xBixO3體系中，不含任何過渡族元素。因此，在此理論上，提出了一些新的高Tc機(jī)制。諸如在電聲子框架內(nèi)的呼吸膜，聲頻等離激元和激子機(jī)制的兩相模型等。178

Li--Ti--O體系的Li1+xTi2-xO4尖晶石型結(jié)構(gòu)，是一個引入注目的高Tc氧化物超導(dǎo)陶瓷材料。當(dāng)0

x1/3時，該體系形成完全固溶體。但在該區(qū)間的兩端點(diǎn)時，Li1+xTi2-xO4體系具有完全不同的電學(xué)性質(zhì)。例如：179

當(dāng)x=0時，Li1+xTi2-xO4

成為LiTi2O4，它在高溫時為金屬相，在13.7K出現(xiàn)超導(dǎo)態(tài)；當(dāng)x=1/3時，Li1+xTi2-xO4

成為Li(Li1/3Ti5/3)O4，此時成為半導(dǎo)體相；180在x＝0.1附近，Li1+xTi2-xO4會出現(xiàn)金屬--半導(dǎo)體相變。通過ESR譜、漫反射光譜、電子能譜研究表明，發(fā)生的金屬--半導(dǎo)體相變是由于顆粒界面處富Li和缺Li所形成的不均勻性引起的。181九、高溫超導(dǎo)陶瓷的應(yīng)用

HTS的應(yīng)用基本上還處于研究開發(fā)階段，今后10年將是HTS走向?qū)嵱没?/p>