超導(dǎo)體具有三個臨界參數(shù):臨界轉(zhuǎn)變溫度Tc、臨界磁場強度Hc、臨界電流密度Jc。當(dāng)超導(dǎo)體同時處于三個臨界條件內(nèi)時,才顯示出超導(dǎo)性。
(1)臨界轉(zhuǎn)變溫度Tc:當(dāng)溫度低于臨界轉(zhuǎn)變溫度Tc時,材料處于超導(dǎo)態(tài);超過臨界轉(zhuǎn)變溫度Tc,超導(dǎo)體由超導(dǎo)態(tài)恢復(fù)為正常狀態(tài)。
(2)臨界磁場強度Hc:當(dāng)外界磁場強度超過臨界磁場強度Hc時,超導(dǎo)體由超導(dǎo)體恢復(fù)為正常狀態(tài)。臨界磁場強度Hc與溫度有關(guān),關(guān)系式如下:
(3)臨界電流密度Jc:當(dāng)通過超導(dǎo)體的電流密度超過臨界電流密度Jc時,超導(dǎo)體由超導(dǎo)體恢復(fù)為正常狀態(tài)。臨界電流密度Jc與溫度、磁場強度有關(guān)。
為闡明超導(dǎo)體的機理,科學(xué)家提出了多種理論,包括:1935年提出的,用于描述超導(dǎo)電流與弱磁場關(guān)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(dǎo)電流與強磁場(接近臨界磁場強度)關(guān)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(dǎo)體的BCS(Bardeen-Cooper-Schrieffer)理論等。[4]
[5]
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(chǔ),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?。↗.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(dāng)中可以無損耗的運動,形成超導(dǎo)電流。對于庫珀對產(chǎn)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(dǎo)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(jié)合能相結(jié)合配對。在很低的溫度下,這個結(jié)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(dǎo)電流。
BCS理論很好地從微觀上解釋了第一類超導(dǎo)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(xué)獎。但BCS理論無法解釋第二類超導(dǎo)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(dǎo)體的臨界轉(zhuǎn)變溫度不能高于40K),早已被第二類超導(dǎo)體突破。
GL理論
GL理論是在朗道二級相變理論的基礎(chǔ)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(dāng)外界磁場強度接近超導(dǎo)體的臨近磁場強度時,超導(dǎo)體的電流不服從線性規(guī)律,且超導(dǎo)體的零點振動能不可忽略。
GL理論的最大貢獻在于預(yù)見了第二類超導(dǎo)體的存在。從GL理論出發(fā),可以引出表面能κ的概念。當(dāng)超導(dǎo)體的表面能κ
時,為第一類超導(dǎo)體;當(dāng)超導(dǎo)體的表面能κ
時,為第二類超導(dǎo)體。[4]
超導(dǎo)體的分類方法有以下幾種:
(1)根據(jù)材料對于磁場的響應(yīng):
第一類超導(dǎo)體和
第二類超導(dǎo)體。從宏觀物理性能上看,第一類超導(dǎo)體只存在單一的臨界磁場強度;第二類超導(dǎo)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(dǎo)體的標(biāo)準(zhǔn)。
在已發(fā)現(xiàn)的元素超導(dǎo)體中,第一類超導(dǎo)體占大多數(shù),只有釩、鈮、锝屬于屬于第二類超導(dǎo)體;但很多合金超導(dǎo)體和化合物超導(dǎo)體都屬于第二類超導(dǎo)體。[6]
(2)根據(jù)解釋理論:傳統(tǒng)超導(dǎo)體(可以用
BCS理論或其推論解釋)和非傳統(tǒng)超導(dǎo)體(不能用BCS理論解釋)。
(3)根據(jù)臨界溫度:
高溫超導(dǎo)體和
低溫超導(dǎo)體。高溫超導(dǎo)體通常指臨界溫度高于液氮溫度(大于77K)的超導(dǎo)體,低溫超導(dǎo)體通常指臨界溫度低于液氮溫度(小于77K)的超導(dǎo)體。
20世紀中前期
1911年,荷蘭科學(xué)家卡末林—昂內(nèi)斯用液氦冷卻汞,當(dāng)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(dǎo)電性??┝忠虼双@得1913年諾貝爾獎。
1933年,
邁斯納和奧克森菲爾德兩位科學(xué)家發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體的完全抗磁性,后人稱之為“邁斯納效應(yīng)”。
昂尼斯持久電流實驗
從1954年3月16日始,到1956年9月5日止,為了證實超導(dǎo)體電阻為零,科學(xué)家將一個鉛制的圓環(huán),放入溫度低于T
c=7.2K的空間,利用電磁感應(yīng)使環(huán)內(nèi)激發(fā)起感應(yīng)電流。在兩年半的時間內(nèi)的電流一直沒有衰減,這說明圓環(huán)內(nèi)的電能沒有損失,當(dāng)溫度升到高于T
c時,圓環(huán)由超導(dǎo)狀態(tài)變正常態(tài),材料的電阻驟然增大,感應(yīng)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(xué)研究生約瑟夫森在理論上預(yù)言,電子能通過兩塊超導(dǎo)體之間薄絕緣層,在不到一年的時間內(nèi),安德森和羅厄耳等人從實驗上證實了約瑟夫森的預(yù)言。這一重要發(fā)現(xiàn)為超導(dǎo)體中電子對運動提供了證據(jù),使對超導(dǎo)現(xiàn)象本質(zhì)的認識更加深入。約瑟夫森效應(yīng)成為微弱電磁信號探測和其他電子學(xué)應(yīng)用的基礎(chǔ)。
20世紀70年代
1973年,發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)合金――鈮鍺合金,其臨界超導(dǎo)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(dǎo)列車成功地進行了載人可行性試驗,時速達517千米。[7]
20世紀80年代
1980年,丹麥的Bechgaard等人合成出第一個有機超導(dǎo)體(TMTSF)
2PF
6。[8]
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L(fēng)aBaCuO
4具有高溫超導(dǎo)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(zhì),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(xué)獎。此后,高溫超導(dǎo)的研究迅速發(fā)展。[9]
1986年,美國
貝爾實驗室研制出臨界超導(dǎo)溫度達40K(﹣235.15℃)的超導(dǎo)材料,打破液氫的“溫度壁壘”(40K)。
1987年,美國華裔科學(xué)家、
休斯頓大學(xué)教授
朱經(jīng)武以及中國科學(xué)家
趙忠賢相繼研制出釔-鋇-銅-氧系材料,臨界超導(dǎo)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(dǎo)溫度提高了近100K。
1988年,日本日立制作所發(fā)現(xiàn),汞系超導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)磁體為主的
超導(dǎo)超級對撞機特大型設(shè)備,于美國得克薩斯州建成并投入使用,耗資超過82億美元。
超導(dǎo)磁流體推進船
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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)輸電電纜,電纜長6000米,由纏繞鉍-鍶-鈣-銅-氧系超導(dǎo)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RuSr
2GdCu
2O
8-δ同時具有超導(dǎo)性和鐵磁有序性,其超導(dǎo)臨界溫度為15~40K,鐵磁性轉(zhuǎn)變溫度為133~136K。[10]
由于該化合物同時具有超導(dǎo)性和鐵磁有序性,在計算機數(shù)據(jù)存儲上有較大應(yīng)用潛力。
21世紀初
2004年1月29日,美國標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院和美國科羅拉多大學(xué)的科學(xué)家組成的聯(lián)合研究小組提出一種新的物質(zhì)形態(tài)——
費米子凝聚態(tài)(fermionic condensate),并預(yù)言它將幫助人類做出下一代超導(dǎo)體。
2006年,
日本東京工業(yè)大學(xué)細野秀雄(Hideo Hosono)教授合成以鐵為超導(dǎo)主體的化合物L(fēng)aFeOP,開創(chuàng)了對鐵基超導(dǎo)體的研究。
2012年9月,德國
萊比錫大學(xué)發(fā)現(xiàn)石墨顆粒能在室溫下表現(xiàn)出超導(dǎo)性。
銅氧超導(dǎo)體
銅氧超導(dǎo)體是最早發(fā)現(xiàn)的高溫超導(dǎo)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(dǎo)體和朱經(jīng)武、趙忠賢合成的釔-鋇-銅-氧系高溫超導(dǎo)體均屬于此范疇。
釔-鋇-銅-氧超導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)
銅氧超導(dǎo)體包括90K的稀土系,110K的鉍系,125K的鉈系,135K的汞系超導(dǎo)體。它們都含有銅和氧,因此稱為銅氧超導(dǎo)體。銅氧超導(dǎo)體具有相似的層狀結(jié)晶結(jié)構(gòu),其中銅氧層是超導(dǎo)層。
目前,對銅氧超導(dǎo)體的研究呈現(xiàn)以下趨勢:首先,銅氧超導(dǎo)體已經(jīng)較為成熟,如由鉈-鋇-鈣-銅-氧超導(dǎo)薄膜制成的裝置,已應(yīng)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。[12]
其次,銅氧超導(dǎo)體的基礎(chǔ)研究處在瓶頸階段,轉(zhuǎn)變溫度一直以來不能突破164K。再次,對銅氧超導(dǎo)體的機理研究有所進展,如2002年,德國、法國和俄羅斯的科學(xué)家利用
中子散射技術(shù),在單銅氧層Tl
2Ba
2CuO
6+δ中觀察到
磁共振,有助于對探明銅氧化物超導(dǎo)體的機理。[13]
鐵基超導(dǎo)體
自從2006年發(fā)現(xiàn)鐵基超導(dǎo)體以來,對鐵基超導(dǎo)體日趨深入,比較突出的成果有:2008年,日本科學(xué)家細野秀雄發(fā)現(xiàn)摻雜F的LaFeOP超導(dǎo)體具有26K的臨界溫度;2008年,中國科學(xué)家趙忠賢、陳仙輝、王楠林、聞?;?、方忠發(fā)現(xiàn)臨界溫度達43K的SmFeAs1-xFx超導(dǎo)體和臨界溫度達55K的ReFeAs1-xFx超導(dǎo)體,在鐵基超導(dǎo)體的領(lǐng)域首次突破40K的麥克米蘭極限溫度。
鐵基超導(dǎo)體之所以受到關(guān)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(dǎo)的觀點,為探索新的超導(dǎo)體提供了一種思路;其二,類似于銅氧超導(dǎo)體,鐵基超導(dǎo)體也存在強的電子與自旋相互作用,對探明高溫超導(dǎo)機理有參考價值。[14]
硼化鎂超導(dǎo)體
2001年1月,日本
青山學(xué)院大學(xué)J.Akimitsu教授等人首次發(fā)現(xiàn)MgB
2具有超導(dǎo)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(dǎo)體、鐵基超導(dǎo)體相比,仍有很多優(yōu)勢,包括:結(jié)構(gòu)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(dǎo)體本質(zhì)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(dǎo)體發(fā)展的一個因素,MgB2超導(dǎo)體可以彌補這一不足。
超導(dǎo)體的應(yīng)用可分為三類:強電應(yīng)用、弱電應(yīng)用和抗磁性應(yīng)用。強電應(yīng)用即大電流應(yīng)用,包括超導(dǎo)發(fā)電、輸電和儲能;弱電應(yīng)用即電子學(xué)應(yīng)用,包括
超導(dǎo)計算機、超導(dǎo)天線、超導(dǎo)微波器件等;抗磁性應(yīng)用主要包括
磁懸浮列車和熱核聚變反應(yīng)堆等。
強電應(yīng)用
超導(dǎo)發(fā)電機:目前,超導(dǎo)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(dǎo)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。[15]
另一種含義是指超導(dǎo)
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(chǎn)生很大的損耗,而超導(dǎo)磁體自身損耗小,可以彌補這一不足。
超導(dǎo)輸電電纜
超導(dǎo)輸電:由超導(dǎo)材料制作的超導(dǎo)電線和超導(dǎo)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(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。
弱電應(yīng)用
超導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(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。
抗磁性應(yīng)用
磁懸浮列車
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。
全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置
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1億~2億攝氏度,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世紀前景廣闊的新能源