材料的超導(dǎo)電性綜述

材料的超導(dǎo)電性綜述摘要：回顧了超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)及發(fā)展，綜述了超導(dǎo)電性的微觀機(jī)理，超導(dǎo)物理學(xué)研究的歷史和主要成果，介紹了超導(dǎo)電性的幾種突出的應(yīng)用，并指出目前對(duì)于超導(dǎo)電性的認(rèn)識(shí)在理論、實(shí)驗(yàn)、研究上都是初步的，還需要進(jìn)行更多的和更深入全面的研究。關(guān)鍵詞:超導(dǎo)電性；超導(dǎo)應(yīng)用；BCS理論；高溫超導(dǎo)銅氧化物超導(dǎo)體1超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)及發(fā)展1908年，荷蘭萊登實(shí)驗(yàn)室在卡茂林-昂尼斯的指導(dǎo)下，用液氫預(yù)冷的節(jié)流效應(yīng)首次實(shí)現(xiàn)了氦氣的液化，從而使實(shí)驗(yàn)溫度可低到4?1K的極低溫區(qū)，并開(kāi)始在這樣的低溫區(qū)測(cè)量各種純金屬的電阻率。1911年,卡茂林-昂尼斯［1］發(fā)現(xiàn)Hg的電阻在4.2K時(shí)突降到當(dāng)時(shí)的儀器精度已無(wú)法測(cè)出的程度，即Hg在一確定的臨界溫度Tc=4.15K以下將喪失其電阻,這是人們第一次看到的超導(dǎo)電性。昂尼斯也憑這一發(fā)現(xiàn)獲得了1913年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。后來(lái)的實(shí)驗(yàn)證明，電阻突變溫度與汞的純度無(wú)關(guān)，只是汞越純，突變?cè)郊怃J。隨后,人們?cè)赑b及其它材料中也發(fā)現(xiàn)這種特性:在滿(mǎn)足臨界條件（臨界溫度Tc、臨界電流Ic、臨界磁場(chǎng)Hc）時(shí)物質(zhì)的電阻突然消失，這種現(xiàn)象稱(chēng)為超導(dǎo)電性的零電阻現(xiàn)象。應(yīng)該指出，只是在直流電情況下才有零電阻現(xiàn)象。從此，誕生了一門(mén)新興的學(xué)科——超導(dǎo)。一直到20世紀(jì)50年代，超導(dǎo)只是作為探索自然界存在的現(xiàn)象和規(guī)律在研究，1957年Bardeen、Cooper和Schrieffer［2］提出了著名的BCS理論，揭示了漫長(zhǎng)時(shí)期不清楚的超導(dǎo)起因。1961年Kunzler將Nb3Sn制成高場(chǎng)磁體，開(kāi)辟了超導(dǎo)在強(qiáng)電中的應(yīng)用，特別是1962年Josephson效應(yīng)的出現(xiàn),將超導(dǎo)應(yīng)用推廣到一個(gè)嶄新的領(lǐng)域。到20世紀(jì)70年代超導(dǎo)在電力工業(yè)和微弱信號(hào)檢測(cè)應(yīng)用方面的進(jìn)展顯示了它無(wú)比的優(yōu)越性，但由于臨界溫度低，必須使用液氦,這就極大地限制了它的優(yōu)越性。從20世紀(jì)70年代起人們就將注意力轉(zhuǎn)向?qū)ふ腋邷爻瑢?dǎo)體上，在周期表上排列、組合成各種二元、三元合金或化合物，但進(jìn)展一直不大，人們又去找四元化合物，仍無(wú)成效，1973年找到的最高臨界溫度是23.2K的Nb3Ge薄膜。直到1986年4月當(dāng)瑞士蘇黎世的IBM研究室的學(xué)者Bednorz和Muller［3］報(bào)道了La-Ba-Cu-O體系的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為36K時(shí)，人們是多么的激動(dòng)，從而在世界范圍內(nèi)掀起了研究、探索高溫超導(dǎo)材料的熱潮。最引人注目的突破性進(jìn)展是幾個(gè)系列高溫超導(dǎo)氧化物的相繼問(wèn)世。1987年初，美國(guó)的朱經(jīng)武等［3］和中科院物理所的趙忠賢等［4］分別獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)了Tc超過(guò)90K的Y-Ba-Cu-O超導(dǎo)體，這是第一個(gè)液氮溫區(qū)超導(dǎo)體，實(shí)現(xiàn)了Tc超出液氮沸點(diǎn)的重要突破。1988年又發(fā)現(xiàn)了更高Tc的兩個(gè)系列超導(dǎo)氧化物：110K的Bi-Sr-Ca-Cu-O［5］和125K的Tl-Ba-Ca-Cu-O［6］系統(tǒng)，隨后,Hg-Ba-Ca-Cu-O［8］等高溫超導(dǎo)材料相繼問(wèn)世，。1993年12月法國(guó)國(guó)家科研中心宣布也是在HgBaCaCuO體系中（估計(jì)是1234或1245結(jié)構(gòu)）出現(xiàn)了-43°C?-3°C的超導(dǎo)現(xiàn)象，如果這一結(jié)果得到其他實(shí)驗(yàn)室的獨(dú)立證實(shí)，那將是一種非常接近室溫超導(dǎo)的材料。2000年,Schoen等人［7］報(bào)道采用在場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)下通過(guò)柵極誘導(dǎo)的空穴摻雜使C60的空穴密度顯著增大，從而在很寬的空穴密度范圍內(nèi)觀察到超導(dǎo)電性。2001年1月，Nagamatsu等人［8］報(bào)道發(fā)現(xiàn)了一種新的超導(dǎo)材料MgB2。它是簡(jiǎn)單的二元金屬化合物，Tc=39K左右。在非銅氧化物和沒(méi)有C60基的超導(dǎo)材料中，其Tc已相當(dāng)高，并且制作方法簡(jiǎn)單，因此在全世界范圍內(nèi)掀起了對(duì)其基礎(chǔ)性質(zhì)和實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行研究的極大興趣。2超導(dǎo)電性的微觀機(jī)理（本質(zhì)）自1911年發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)電性開(kāi)始，人們一直在努力探索產(chǎn)生超導(dǎo)電性本質(zhì)。大量實(shí)驗(yàn)表明，超導(dǎo)電性是由于電子氣的行為發(fā)生了某種深刻變化引起的，特點(diǎn)是無(wú)阻地運(yùn)動(dòng)，電子氣處在這種高度有序的狀態(tài)意味著電子之間的相互作用是吸引的。1957年，Bardeen、Cooper和Schrieffer三人提出了一種完整的超導(dǎo)微觀理論,簡(jiǎn)稱(chēng)為BCS理論。BCS理論是第一個(gè)成功的微觀理論，它很好地解釋了大多數(shù)金屬元素的超導(dǎo)電性的起因及其重要性質(zhì)，由它預(yù)言的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)很好地符合。BCS理論認(rèn)為:超導(dǎo)體中的傳導(dǎo)電流的超導(dǎo)電子是結(jié)合成對(duì)的，叫Cooper對(duì)。Cooper對(duì)不能互相獨(dú)立地運(yùn)動(dòng),而只能以關(guān)聯(lián)的形式作集體運(yùn)動(dòng)。當(dāng)某一電子對(duì)受到擾動(dòng)，就要涉及到這個(gè)電子對(duì)所在空間范圍內(nèi)的所有其它電子對(duì)。這個(gè)范圍內(nèi)的所有Cooper對(duì)，在動(dòng)量上彼此關(guān)聯(lián)成為有序的集體，因此超導(dǎo)電子對(duì)在運(yùn)動(dòng)時(shí)，就不像其它正常電子那樣,被晶體缺陷和振動(dòng)散射產(chǎn)生電阻,從而呈現(xiàn)零電阻現(xiàn)象。同時(shí)還能抗拒外來(lái)磁場(chǎng)的進(jìn)入而導(dǎo)致Meissner效應(yīng)。BCS理論可以解釋常規(guī)超導(dǎo)體中的超導(dǎo)持續(xù)電流、邁斯納效應(yīng)和比熱容的反常變化等一系列超導(dǎo)現(xiàn)象，習(xí)慣上人們又將常規(guī)超導(dǎo)體稱(chēng)為BCS超導(dǎo)體。就在BCS理論成功地解釋了超導(dǎo)現(xiàn)象近30年之際，新的高溫超導(dǎo)電性被發(fā)現(xiàn),首先在理論上對(duì)傳統(tǒng)的超導(dǎo)機(jī)制發(fā)起了挑戰(zhàn)。對(duì)于高溫超導(dǎo)，總的來(lái)說(shuō)至今還沒(méi)有一個(gè)理論能比較成功地闡明已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了的高溫超導(dǎo)電性的機(jī)理問(wèn)題。不過(guò)，圍繞Cooper電子如何配對(duì)的問(wèn)題，已提出了幾十種唯象模型，除了電-聲機(jī)制，還提出了諸如各種交換作用的激子機(jī)制、雙極化子模型、共振價(jià)鍵態(tài)機(jī)制（RVB）,以及電子-負(fù)u中心模型等。有關(guān)高溫超導(dǎo)電性的上述理論模型都能解釋一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，都存在一定意義上的合理性。但是,用它們來(lái)解釋具體超導(dǎo)體時(shí)，都遇到了許多困難。這一切均說(shuō)明人們目前對(duì)于高溫超導(dǎo)電性的認(rèn)識(shí)在理論上是初步的。因此，要想對(duì)高溫超導(dǎo)現(xiàn)象作出正確的描寫(xiě)，不但在理論上要進(jìn)行深入探討，而且還需要更多的和更深入全面的實(shí)驗(yàn)研究。3超導(dǎo)電性物理學(xué)研究的現(xiàn)狀（一）高溫銅氧化物超導(dǎo)體的奇異性質(zhì)1986年對(duì)于超導(dǎo)物理學(xué)來(lái)說(shuō)是一個(gè)不平常的年份，這一年的4月份，德國(guó)物理學(xué)家柏諾茲等人發(fā)現(xiàn)了高溫銅氧化物超導(dǎo)體，當(dāng)年他獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。隨后出現(xiàn)了被超導(dǎo)物理學(xué)家稱(chēng)為“淘金熱”的全世界范圍內(nèi)的超導(dǎo)研究熱潮，先后發(fā)現(xiàn)了七大系列的高溫銅氧化物超導(dǎo)材料，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度均在90K以上。新發(fā)現(xiàn)的高溫銅氧化物超導(dǎo)體具有許多奇異性質(zhì)，例如，很小的超導(dǎo)相十長(zhǎng)度，并且相干長(zhǎng)度呈現(xiàn)各向異性的性質(zhì)；各向異性的大的穿透深度；各向異性的大的能隙；超導(dǎo)載流子都是空穴；存在著贗能隙［9］；正常態(tài)電阻率隨溫度變化呈現(xiàn)各相異性及非線性特征；霍爾系數(shù)隨溫度變化的非線性特征［10］；母體均為反鐵磁結(jié)構(gòu)，材料的結(jié)構(gòu)存在著電荷庫(kù)層相間夾雜著超導(dǎo)層的結(jié)構(gòu)，屬于典型的第二類(lèi)超導(dǎo)體等［10］。（二）高溫超導(dǎo)銅氧化物超導(dǎo)機(jī)理研究的現(xiàn)狀自高溫超導(dǎo)銅氧化物發(fā)現(xiàn)以來(lái)，人們力求用BCS理論進(jìn)行解釋?zhuān)邷爻瑢?dǎo)銅氧化物超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變溫度已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了該理論預(yù)言的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，BCS理論從來(lái)沒(méi)有給出超導(dǎo)體參數(shù)各相異性的結(jié)果，因此，BCS理論遇到了前所未有的挑戰(zhàn)，陷入了極為尷尬的境地。超導(dǎo)物理學(xué)家們先后提出了各種各樣的強(qiáng)耦合超導(dǎo)物理模型（費(fèi)米液體模型，非費(fèi)米液體模型［10］，力圖解釋高溫超導(dǎo)銅氧化物的超導(dǎo)機(jī)理，但直到現(xiàn)在為止，還沒(méi)有哪一種理論能夠?qū)⒏邷爻瑢?dǎo)銅氧化物超導(dǎo)體所有性質(zhì)都解釋得清楚的完整理論。他們往往是解釋了其中的幾個(gè)性質(zhì)而其他性質(zhì)就無(wú)法解釋了，這樣的理論顯然不是高溫超導(dǎo)銅氧化物超導(dǎo)體的超導(dǎo)機(jī)理，盡管一些理論是由世界著名的物理學(xué)家提出的，但仍然不能被確認(rèn)為高溫超導(dǎo)銅氧化物超導(dǎo)體的理論。目前，雖然BCS理論存在著明顯的缺陷，超導(dǎo)物理學(xué)家們?nèi)匀灰运鼮榛A(chǔ)來(lái)研究和衡量超導(dǎo)方面的研究結(jié)果。因?yàn)椋还艿蜏爻瑢?dǎo)體還是高溫超導(dǎo)銅氧化物超導(dǎo)體的載流子都是庫(kù)珀電子對(duì)，在這一點(diǎn)上二者是相同的。4超導(dǎo)電性的應(yīng)用4.1超導(dǎo)磁場(chǎng)凈化用超導(dǎo)強(qiáng)磁場(chǎng)除去水中的重金屬，懸浮物和某些微生物，從而使被污染的河流和湖泊得到凈化。為了使瓷器更潔白漂亮，也可用超導(dǎo)體制成高梯度強(qiáng)磁場(chǎng)除去高嶺上土中的金屬磁性雜質(zhì)。4.2超導(dǎo)技術(shù)在軍事上主要體現(xiàn)在：超導(dǎo)計(jì)算機(jī):超導(dǎo)計(jì)算機(jī)應(yīng)用于C3I指揮系統(tǒng)，可使作戰(zhàn)指揮能力迅速改善提高；超導(dǎo)探測(cè)器:利用超導(dǎo)器件對(duì)磁場(chǎng)和電磁輻射進(jìn)行測(cè)量,靈敏度非常高,可用于探測(cè)地雷、潛艇，還可制成十分敏感的磁性水雷。超導(dǎo)紅外毫米波探測(cè)器不僅靈敏度高，而且頻帶寬，探測(cè)范圍可覆蓋整個(gè)電磁頻譜,填補(bǔ)現(xiàn)有探測(cè)器不能探測(cè)亞毫米波段信號(hào)的空白。利用超導(dǎo)器件制造的大型紅外焦平面陣列探測(cè)器，可以探測(cè)隱身武器,將大大提高軍事偵察能力。大功率發(fā)動(dòng)機(jī):這種發(fā)動(dòng)機(jī)具有能量大、損耗小、重量輕、體積小等優(yōu)點(diǎn)，可用作飛機(jī)、艦艇等的動(dòng)力裝置。超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng):利用超導(dǎo)材料的高載流和零電阻特性，可制成體積小、重量輕、容量大的儲(chǔ)能系統(tǒng)，用作粒子束武器、自由電子激光器、電磁炮的能源。超導(dǎo)磁流體推進(jìn)系統(tǒng)，為水面艦艇和潛艇提供動(dòng)力。4.3超導(dǎo)電子器件利用超導(dǎo)隧道效應(yīng)可制成各種電子器件和電路。特別是在精密測(cè)量，電壓標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)視，微波和遠(yuǎn)紅外應(yīng)用以及超導(dǎo)電子計(jì)算機(jī)的邏輯存貯電路方面，超導(dǎo)器件將產(chǎn)生巨大的影響。目前在電子學(xué)技術(shù)中，利用超導(dǎo)的高頻訊號(hào)特性可作為微波通訊中的混頻器件。在電子計(jì)算機(jī)中，由于超導(dǎo)電子器件的超靈敏度，超高精度，超快速和低功耗。能使電子計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度比現(xiàn)在的速度提高幾十倍，而且功耗大大降低，體積也大大減少。又如超導(dǎo)量子干涉器件（簡(jiǎn)稱(chēng)SQUID）是一種高靈敏度的傳感器。用它可以測(cè)出人心臟或人腦中所發(fā)出的磁訊號(hào)。在軍事方面，它可以探測(cè)出潛艇在海底時(shí)引起的地磁變化.4.4抗磁性應(yīng)用超導(dǎo)材料的另一重要特征是具有完全的抗磁性。若把超導(dǎo)材料放在一塊永久磁體之上，由于磁體的磁力不能穿過(guò)超導(dǎo)體,磁體和超導(dǎo)體之間就會(huì)產(chǎn)生斥力，使超導(dǎo)體懸浮在磁體上方。超導(dǎo)磁懸浮列車(chē)?yán)贸瑢?dǎo)磁石使車(chē)體上浮，通過(guò)周期性地變換磁極方向而獲得推進(jìn)動(dòng)力。日本于1977年制成了ML500型超導(dǎo)磁浮列車(chē)的實(shí)驗(yàn)車(chē)，1979年12月達(dá)到了每小時(shí)517公里的高速度，證明了用磁懸浮方式高速行駛的可能性。1987年3月，日本完成了超導(dǎo)體磁懸浮列車(chē)的原型車(chē)，其外形呈流線形，車(chē)重17噸，可載44人，最高時(shí)速為420千米。車(chē)上裝備的超導(dǎo)體電磁鐵所產(chǎn)生的電磁力與地面槽形導(dǎo)軌上的線圈所產(chǎn)生的電磁力互相排斥，從而使車(chē)體上浮。槽形導(dǎo)軌兩側(cè)的線圈與車(chē)上電磁鐵之間相互作用，從而產(chǎn)生牽引力使車(chē)體一邊懸浮一邊前進(jìn)。我國(guó)從70年代開(kāi)始進(jìn)行磁懸浮列車(chē)的研制，首臺(tái)小型磁懸浮原理樣車(chē)在1989年春“浮”起來(lái)了。1995年5月，我國(guó)第一臺(tái)載人磁懸浮列車(chē)在軌道上空平穩(wěn)地運(yùn)行起來(lái)。這臺(tái)磁懸浮列車(chē)長(zhǎng)3.36米，寬3米，軌距2米,可乘坐20人，設(shè)計(jì)時(shí)速500千米。1996年7月，國(guó)防科技大學(xué)緊跟世界磁懸浮列車(chē)技術(shù)的最新進(jìn)展，成功地進(jìn)行了各電磁鐵運(yùn)動(dòng)解耦的獨(dú)立轉(zhuǎn)向架模塊的試驗(yàn)。目前，美國(guó)正在研制地下真空磁懸浮超音速列車(chē)。這種神奇的“行星列車(chē)”設(shè)計(jì)最高時(shí)速為2.25萬(wàn)千米，是音速的20多倍。它橫穿美國(guó)大陸只需21分鐘，而噴氣式客機(jī)則需5小時(shí)。高超導(dǎo)在運(yùn)載上的其他應(yīng)用可能還有用作輪船動(dòng)力的超導(dǎo)電機(jī)、電磁空間發(fā)射工具及飛機(jī)懸浮跑道等。利用超導(dǎo)體產(chǎn)生的巨大磁場(chǎng)，還可應(yīng)用于受控制熱核反應(yīng)。核聚變反應(yīng)時(shí)，內(nèi)部溫度高達(dá)1億?2億。C,沒(méi)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(chǎng)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(lái)，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。5總結(jié)超導(dǎo)現(xiàn)象雖已發(fā)現(xiàn)90余年了，超導(dǎo)材料也已發(fā)現(xiàn)了千余種，但直到現(xiàn)在人類(lèi)還沒(méi)有給出超導(dǎo)電性的完整理論。這不能不說(shuō)是一大遺憾!BCS理論雖然不能解釋高溫超導(dǎo)銅氧化物超導(dǎo)體的超導(dǎo)電性問(wèn)題，但它畢竟給人們指出了超導(dǎo)電性問(wèn)題的研究思路。這一切說(shuō)明了人們目前對(duì)于超導(dǎo)電性的認(rèn)識(shí)在理論上是初步的,還需要進(jìn)行深入地探討。在超導(dǎo)應(yīng)用研究上，主要是利用超導(dǎo)體的零電阻性、完全抗磁性、Josephson效應(yīng)、磁通量子化和量子干涉效應(yīng)等一些基本性質(zhì)以及在強(qiáng)磁場(chǎng)中能承受很大的超導(dǎo)電流和它在發(fā)生超導(dǎo)態(tài)-正常態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)的物理性能的變化，已開(kāi)始在能源、工業(yè)、交通、醫(yī)療、航天、國(guó)防和科學(xué)實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域中得到應(yīng)用，并顯示出突出的優(yōu)點(diǎn)和廣闊的前景。超導(dǎo)及其相關(guān)的技術(shù)應(yīng)用，必將成為21世紀(jì)的核心技術(shù)，為造福全人類(lèi)而做出巨大的貢獻(xiàn)。參考文獻(xiàn)王金星.超導(dǎo)磁體[M].北京:原子能出版社，1985.張?jiān)：?超導(dǎo)物理[M[.合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，1997：44—45.張禮，《近代物理學(xué)進(jìn)展》，北京清華大學(xué)出版社，1997趙忠賢，等.[J].科學(xué)通報(bào)，1987,661馮端等.金屬物理學(xué)（第四卷）：超導(dǎo)電性和磁性EM3.北京：科學(xué)出版社，1998：26—62.周午縱，梁維耀等.高溫超導(dǎo)基礎(chǔ)研究[M3.上海：上?？?/p>