材料结构与性能 超导

探求高Tc超导材料
1911年发现汞具有超导性以来，人们 经历了七十余年，直到发现Nb3Ge，Tc值 才到23K。从纯金属及其合金寻找高Tc超 导材料似乎走入绝路，人们开始转向化 合物。 到1985年，已观察到许多化合物在低 温下具有零电阻，例如金属氧化物 Li2TiO4 ， Tc=13.7K 、 硫 化 物 PbMo6S8 ， Tc=15.2K以及由电荷转移化合物形成的有 机金属 (Tc 到 13K) 。所有这些体系，在它 们在Tc以上温度时，均呈现出类金属的导 电行为。一般说来，这些化合物的临界 温度都是很低的，大多数在10K以下。
不久，昂尼斯又发现了其他几种金属也可进入
“超导态”，如锡和铅。锡的转变 温度为3.8K， 铅的转变温度为6K。由于这两种金属的易加工特
性，就可以在无电阻状 态下进行种种电子学试验。
此后，人们对金属元素进行试验，发现铍、钛、
锌、镓、 锆、铝、锘等24种元素是超导体。从此，
超导体的研究进入了一个崭新的阶段。
电阻和转变温度TC是超导体的第一特征。
迈斯纳效应
我们把处于超导态的超导体置于一个不太强的磁
场中，磁力线无法穿过超导体，超导体内的磁感 应强度为零。这种现象称作超导体的完全抗磁性，
这是超导体的第二特征。这种抗磁现象最早于
1933年由 W.Merssner和 R. Ochenfeld做实验时
发现，因而这种现象又称作迈斯纳效应。
H0
超导态 HC 外加磁场
正常态
第二类超导体
有二个临界磁场HC1和HC2。当外加磁场H0＜HC1时， 同第一类，超导态具有迈斯纳效应，体内没有磁感应
线穿过；当HC1＜H0＜HC2时，处于混合态，这时体内
有磁感应线通过，形成许多半径很小的圆柱形正常态，
Fra Baidu bibliotek
正常态周围是连通的超导圈。整个样品的周界仍有逆
磁电流，就是在混合态也有逆磁性，又没有电阻。外
加磁场强度达到HC2时，正常态区域扩大，超导区消失，
整个金属变为正常态。金属铌属于典型的第二类超导
体。下图给出了两类超导体的磁性特征。
H Ho HC1 HC2 混合态 正常态 超导态 混 合 态 超导态 正常态
HC1 HC2
HC
TC T
超导态第二类超导体
低温超导体
我们将临界温度在液氦温度以下的超导体称为低 温超导体。人们陆续发现了锡、铅等多种金属元 素和许多合金以及化合物都具有超导现象，但临
迈斯纳效应
S
N N
注：S表示超导态
S
N表示正常态
不过，当我们加大磁场强度时，可以破环超导
态。这样。超导体在保持超导态不致于变为正常态
时所能承受外加磁场的最大强度 HC称作超导体的临 界磁场 HC(T) 。临界磁场与温度有关， 0K时的临界 磁场HC(0) 和HC(T)的关系为： HC(T) ＝HC(0) [1-(T/TC)2]
库柏电子对的形成原理可用图来 描述：金属晶体中的外层价电子 处在带正电性的原子实组成的晶 格环境中，带负电的电子吸引原 子实向它靠拢，在电子周围形成 正电势密集的区域，它又吸引第 二个电子，即电子通过格波声子 相互作用形成电子对，称为“库 柏电子对”。这种库柏电子对具 有低于两个单独电子的能量，在 晶格中运动没有任何阻力，因而 产生超导性。
库柏电子对形成示意
格波 电子在离子晶格间运动时，电子密度有起伏， 当电子在某处集中时，会对附近的离子晶格产生吸 引，从而使离子产生振动，并以波的形式在点阵中 传播，这种波称为格波。 声子 格波是量子化的，其量子称为声子。形成格 波的过程相当于电子发射出一个声子。
• 处在超导态的电子，配成库柏对存在，配 对的电子，其自旋方向相反，动量的大小 相等而方向相反，总动量为零。库柏对作 为整体与晶格作用，因此一个电子若从晶 体得到动量，则另一个电子必失去动量， 作为整体，不与晶格交换动量，也不交换 能量，能自由地通过晶格，因此没有电阻。
在临界温度 TC以下，超导态不至于被破坏而容
许通过的最大电流称作临界电流IC。这三个参数TC 、 HC 、IC是评价超导材料性能的重要指标，对理想的 超导材料，这些参数越大越好。
超导现象的BCS理论
解释金属超导 现象的重要理论是 巴丁、库柏和施里 弗（J. Bardeen, L. N. Cooper, J. R. Schrieffer）建立的 电声作用形成库柏 电子对的理论，简 称BCS理论。
界温度一直很低（在液氦温度以下）。经过多年
的努力，如今人们已经可以使大部分金属元素都 具有超导电性。在采用了特殊技术后（如高压技 术，低温下沉淀成薄膜的技术，极快速冷却等）， 以前那些认为不能变成超导体的金属元素也已经
在一定状态下使它们实现了超导态。
高温超导体
一直以来人们只能得到液氦温度以下的低温超导 体，因此工业应用价值不大，除了极少数的应用 外超导体的实际应用一直停滞不前。终于在众多 杰出的物理学家的不懈努力下，直到1987年超导 技术有了决定性的突破，美国学者（邱等人）在 铱，钡和氧化铜基础上制成了高温超导体（YBa2-Cu3-O7）Tk=90-100K，这个温度已经超过氮 的沸点（77K）。我们称这种临界温度在液氮沸点 以上的超导体为高温超导体。1987年以来发现的 高温超导体几乎都是铜酸盐类的陶瓷，虽然临界 温度有了较大的提高，但是高温超导体目前还没 有达到所需要的稳定性，载流量也有所下降。
基本概念 材料的电阻随着温度的降低会发生降 低，某些材料会出现当温度降低到某一程度时出现
电阻突然消失的现象，我们称之为超导现象。人们
将这种以零电阻为特征的材料状态称作为超导态。 超导体从正常状态（电阻态）过渡到超导态（零电 阻态）的转变称作正常态－超导态转变，转变时的 温度TC称作这种超导体的临界温度。也就是说，零
当温度大于临界温度时，热运动使库柏对 分散为正常电子，超导态转为正常态。
当磁场强度达到临界强度时，磁能密度 等于库柏对的结合能密度，所有库柏对都获 得能量而被撤散，超导态转为正常态。
两类超导体
超导体可以依据它们在磁场中的磁化特性划分
为两大类:
第一类超导体 只有一个临界磁场HC，超导态 具有迈斯纳效应，表面层的超导电流维持维持体内 完全抗磁性。除Nb、V、Tc以外，其他超导元素都 属于这一类。