物理前沿讲座——超导体

摘要：自1911年以来，陆续发现某些元素、合金、化合物或其他材料，当温度低于某临界温度T c以下时，电阻小到微不足道，这种现象称为超导电性。具有超导电下哦那个的材料成为超导体。1933年发现超导体具有抗磁性，这种现象称为麦斯纳（Meissner）效应。20世纪70年代发现的超导体主要是元素超导体（包括金属和半导体）和合金超导体，临界温度一般为几K，最高不超过30K,这些称为常规超导体。20世纪80年代以来陆续发现某些铜氧化物超导体，临界温度可达数十K甚至超过100K,这些称为高温超导体。由于高温超导体具有奇特特性和广阔的应用前景，因此，对高温超导现象的理论与实验研究有着重要意义，是当今凝聚态物理一个重要的前沿课题。

关键词：超导体迈斯纳效应BCS理论高温超导体

超导体的基本特征

1超导体的临界温度

我们把电阻突然消失的温度称为超导体的临界温度T

C

。到目前为止，人们发现周期表中相当一部分元素在各种条件下出现超导电性。

2超导体的临界磁场

用一个磁场加到超导体上之后，当磁场达到某一定值时，超导体就回复了电阻，回到了正常态。假如把磁场平行的加到一根细长的超导棒上，在一定的磁场强度下，棒的电阻突然恢复，使这个电阻突然恢复的磁场值称为临界磁场。

当外磁场强度增加到某一临界值H

C

时，超导体的导电性受到破坏，材料由

超导态转为正常态，临界磁场H

c 与温度T有关，H

c

(T)的经验公式为

H C =H

C

(0)［1-（T/T

C

）2］[1] (T≦T

C

)

3临界电流

实验发现，当对超导线通以电流时，无阻的超流态要受到电流大小的限制，

当电流达到某一临界值I

之后，超导体将恢复到正常态，对大多数超导金属元

C

素正常态的恢复是突变的，我们称这个电流为临界电流。

二、迈斯纳效应

1933年德国物理学家Meissner和Ochsenfeld对锡单晶球超导体做磁场分布测量时在弱磁场中把金属冷却进入超导态时的磁感应线似乎一下子被排斥出，保持体内磁感应强度等于零。

当材料处在超导状态时，随着进入超导体内部的增加磁场速度衰减，磁场主要存在于超导体表面一定厚度的薄层内。对于宏观超导体，若把这个薄层看成趋近于零，则可近似认为超导体内部磁感应强度B=0超导体有完全抗磁性，我们称之为理想迈斯纳态，不能理想化的状态称之为一般迈斯纳态。

三、Josephson效应

作为超导载体的Cooper对能以一定几率贯穿能垒,称此为隧道效应。例如,在两层超导物质间夹有厚度为纳米量级的绝缘层,若通过连线导入电流,该电流则以电阻为零的状态流动。

BCS理论的创立

1955年，巴丁应德国出版的《物理学手册》的邀请，写了一篇关于超导理论的述评．这使巴丁对当时的超导研究有了更全面的了解．这时，巴丁已经明确了超导现象的产生涉及3个关键因素：一是电子～声子相互作用；二是能隙的存在：三是速度空间的凝聚．

要真正建立微观理论。关键是要对超导态有一个清晰的物理图像．1956年春天，库珀不负众望，迈出了关键的一步，提出了超导理论所需要的额图像．库珀利用量子场论方法，直接从动力学的角度考虑相互吸引的直接作用，得到了费米面近旁两个动量和自旋都大小相等而方向相反的电子能结合成对。这种电子对被称为“库珀对”。库珀对的提出成为Bcs理论成功的关键．

库珀对提出后巴丁指出，单用库珀方法构造一个超导理论还是不可能，必须找到超导体的基态波函数，这个重任落到了施里弗的肩上。他凭借自己的直觉和灵感，大胆地猜出一个考虑了库珀对的超导基态波函数的可能形式。经过数学处理，他得到了能隙方程，吸引势的简单模型以及绝对零度时的凝聚能。巴丁认真地核实了施里弗提出的超导基态波函数，很快就确认了它的正确性。

1957年3月，巴丁、库珀和施里弗三人有关超导理论的头两篇专题论文在费城召开的美国物理学会年会上公开发表．库珀代表三人首次公开地报告了这一理论的有关成果．人们习惯上取三位作者各自姓氏的第一个字母，称这一理论为BCS 理论

高温超导体

1973年发现锗化铌（Nb 3Ge ），将 Tc 提高至 23.2 K ，此后随然陆续发现多

新的超导体，但是在 Tc 的提升方面却无法再突破，使 Nb 3Ge 停留在最高 Tc 之

位长达13 年之久。直到 1986 年，瑞士 IBM 苏黎士研究所的 Bednorz 和 Muller 发现一类具有 K 2NiF 4 型结构的超导体材料，名义上的成分（nominal

composition ）为镧钡铜氧（La 4.25Ba 0.75Cu 5O 15-x ），其 Tc 高达 35 K 。再度引起全

世界对新型高溫超导体领域研究的高度兴趣。紧接着在 1987 年由吴茂昆与朱经武两位教授等人发现 Tc 高达 90 K 以上的超导体钇钡铜氧化合物 （YBa 2Cu 3O 7-x ），首度将 Tc 提高至液态氮温度（77 K ）以上。此发现突破 BCS 理

论预测的极限，因此科学家对于高温超导体理论之研究及更高Tc 的超导体化合物的发展燃起了新的希望。

在一发现的高温超导材料中，YBCO （YBa 2Cu 3O 7-δ）以其在77K 下所就有的优

良性能（高的临界转化温度T c =92K,高的临界电流密度J c =72A/cm 2

和高的临界磁

场H C =120T ，引起各国科学家越来越的研究兴趣，YBCO 高温超导体块材料在工程

上有着许多潜在的应用，如可以用作磁性轴承、磁体（利用捕获磁通）、故障电流限制器及飞轮储能系统等。

图 3 为自 1911 年发现超导现象起的超导体发展历史