超导体和微波

IEEE microwave magazine May 2009 84

Martin Nisensoff

Jeffrey M.Pond

超导体和微波

超导性，与其它低温电子技术一起可以为微波和毫米波元件，无论是无源的还是有源的提供比用室温常规技术所生产的元件更加卓越的性能[1]，[2]。50多年以来，射电天文学家将其接收机前置端的温度冷却到了10K 以下，而从70年代起，被冷却到4K 左右的超导体-绝缘体-超导体（SIC ）器件已被优先选择用作运行在毫米波范围内的射电望远镜中的混频器和检测器。当需要极低噪声以及在长波长的工作状态时，可追溯到60年代的其它低温技术还包括工作在50-70K 温度下的红外焦平面阵列。虽然超导器件（例如高Q-值谐振腔）在高能物理（HEP ）粒子加速器的使用已经有了很长的历史，但还没有在其它方面得到广泛应用。这其中的因素包括某些技术还不够成熟，并且低温技术的造价被视为过于庞大了，以至于淹没了其所带来的性能优势。

在1986年以前，所有已知的超导材料必须要工作在深冷温度下，即低于23K 。由于工作在这个温度下所

要求的繁重的低温费用，微波工程师对这些材料一般都没有什么兴趣。当然也有一些非常特殊的的应用，例如要求很高的射电天文应用中的低噪声放大器和毫米波混频器及检测器，为改善这些器件性能所付出的努力和繁重的过程还是很值得的。虽然这些低温超导体[（LTS ）：低于23k]由于工作温度极低，因此对于外行来说觉得很稀罕，其实它们并不罕见。元素周期表中三分之一以上的元素在低于9K 时都会呈现出超导性，而5,000种以上的合金，复合物和混合物在23K 温度以下都具有超导性。

在1986年发现了温度接近于40K 时便具有超导性的氧化铜这类材料后，公众对超导的兴趣便有了极大的提高[3]，这有许多报纸和杂志首页的头版文章为证。随后进展迅速，从而将这些氧化物为基的高温导体材料（HTS ）的最高温度推到了90-120K 。这些对超导体高涨热情的结果便是在国际微波年会（IMS ）中经常会有一到两个专门讨论这些材料和微波器件应用的会议。遗

_______________________________________________________________________________ Martin Nisenoff (m.nisenoff@) is with M. Nisenoff Associates, 1201 Yale Place, Suite # 1004,

Minneapolis, MN 55403-1958, USA. Jeffrey M. Pond (jeff.pond@) is with Microwave Technology Branch, Code 6850, Electronic Science and Technology Division, Naval Research Laboratory, 4555 Overlook Avenue, SW, Washington, DC 20375, USA.

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憾的是，这些氧化铜为基的材料的冶金过程很难（它们

可能会有四个或更多的成分，并且这些成分的比例以及

晶格结构极大地影响着其超导性能），因此，在90年

代中后期，对高温超导材料和其在微波中应用的热情急

剧下降，提交给IMS 的这类论题的文章数目也极大地减少了。

然而，近年来，超导材料和低温技术有了极大的发展，结果超导的许多新兴的应用引起了微波和毫米波界的关注。基于这些新近的发展，在即将于2009年六月在马萨诸塞州州的波士顿市召开的IMS 大会上将会有一个关于“微波超导的最新进展”的专题会议，详细情况见表1。这个专题会议将由IEEE 微波理论和技术协会

（MTT-S ）的技术协调委员会MTT-18，即微波超导委员会，和IEEE 超导理事会联合主办。

本文旨在向一般的微波工程师们介绍超导的基本原理，并且描述可在微波和毫米波技术中开发来为元件提供比常规系统性能显著增强的超导特性。此外，还要介绍与超导微波元件和系统的应用相关的制冷方面的观点。在这些背景材料的基础上，我们希望可以鼓励读者去参加2009年国际微波年会（IMS ）和关于微波超导的专题会议。

超导的背景

超导是在自然界中所观察到的最奇特的现象之一。当超导体的温度被冷却到某个临界点以下时，其电阻就会消

失，见图1所示，叫做零电阻[4]

。零电阻可能很难理解。从一个电气工程师的角度来看待这个概念更好的方式是，考虑一个感应电流沿着高质量的超导电线(多匝)回路流动这样一个实验。如果想要观察电流随时间的衰减，这个衰减时间最好的上限估测值大约是109年，对于特定的电感线圈回路来说，超导状态下导线的直流电阻率的上限至少比低温下铜的电阻率小20个数量级。在实际应用中使用超导体的主要障碍是对低温冷却的要求。

虽然超导体似乎是一个完美的导体，但在超导体和完美导体之间有一个根本的区别，这便是被称为迈斯纳效应（Messiner effect ）的现象[1]。在其转变温度之上，暴露在弱磁场中的超导体会让磁通量均匀地从它体内穿

过[图2(a)]。如果超导体是一个完美导体的话，在弱的外磁场存在的条件下，将其冷却至超导体转变温度以下，其内部的磁通量将会被冻结。然而，在实验中观察到当

暴露在弱磁场中的超导体冷却至转变温度时，在正常状态下穿过样品的磁通量几乎完全从其内部被驱逐出去，这意味着超导体是一个完美的抗磁体[图2(b)]。因此，测试一个真正的超导体是当在转变温度以下时，被测样品必须既要具有零电阻，还要将磁通量驱逐出去，即，它必须具有抗磁性。

超导现象是1911年由荷兰物理学家，Onnes 发现的[4]。直到半个世纪之后，才由三个美国物理学家：John

Bardeen （晶体管的共同发明人），Leon Cooper ，和Robert Schreiffre 在著名的BCS 文章[5]中提出了一个完整的超导理论。在常规状态下，随机旋转的单电子穿过导体时，受到晶格上的杂质，缺陷和热波动的散射。这种散射便导致了电子移动时的电阻。 根据BCS 理论， 在合适的室温条件下的超导体中，通过与晶格特别的交互作用，具有相反旋转方向的电子有可能会配对（被称

为库柏电子对，Cooper Pair ）。这些库柏电子对可以无散射地从导体中穿过，因而没有任何电阻。要了解更详

细和更严格的超导机理，可以直接参考BCS 论文[5]或有关超导的教科书[1]，[2]。

对于每一种超导材料来说，存在一个临界温度（T c ）和临界磁场（H c ），要想观察到超导状态，则不能超过这些临界值。这是材料的两个固有特性。还有第三个临界参数，临界电流密度（J c ），实际上这取决于样品的冶金方式和物理条件。只要实验的工作温度低于临界温度，并且环境磁场低于临界磁场，特定样品中的电流密度低于临界电流密度，便可以观察到如图3所示的超导性。对于微波应用来说，材料相对于临界温度的工作温

度是超导器件运行的主要判据，而环境磁场通常不是问题。超导微波器件的临界电流密度非常重要，因为它决定了样品中会劣化微波超导器件性能的谐波信号所产生的感应电流的上限。

与超导性相关的另一个特性是超导能隙。在超导状态下，库柏电子对比单个电子的能量要低，因此在材料状态密度上存在着能隙，库柏电子对处于能隙之下，正

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