超导材料的特征、发展及其应用

超导材料的特性、发展及其应用

1.超导材料简介

1.1 超导材料的三个基本参量

超导材料是指在一定的低温条件下会呈现出电阻等于零以及排斥磁力线的性质的材料，其材料具有三个基本临界参量，分别是：

1> 临界温度T c：破坏超导所需的最低温度。T c是物质常数，同一种材料在相同条件下有确定的值。T c值因材料而异，已测得超导材料T c值最低的是钨，为0.012K。当温度在T c 以上时，超导材料具有有限的电阻值，我们称其处于正常态；当温度在T c以下时，超导体进入零电阻状态，即超导态。

2> 临界电流I c和临界电流密度J c：临界电流即破坏超导所需的最小电流，I c一般随温度和外磁场的增加而减少。单位截面积上所承载的I c称为临界电流密度，用J c来表示。

3> 临界磁场H c：即破坏超导状态所需的最小磁场。

图1-1 位于球内的部分为超导状态

超导材料的这些参量限定了应用材料的条件，因而寻找高参量的新型超导材料成了人们研究的重要课题。以T c为例，从1911年荷兰物理学家昂纳斯发现超导电性(Hg，T c=4.2K)起，直到1986年以前，人们发现的最高的T c才达到23.2K(Nb3Ge，1973)。1986年瑞士物理学家K.A.米勒和联邦德国物理学家J.G.贝德诺尔茨发现了氧化物陶瓷材料的超导电性，从而将T c提高到35K；之后仅一年时间，新材料的T c已提高到了100K左右。如今，超导材料的T c最高已超过了150K[1]。

1.2 超导体的分类

第Ⅰ类超导体：第I类超导体主要包括一些在常温下具有良好导电性的纯金属，如铝、锌、镓、镉、锡、铟等，该类超导体的溶点较低、质地较软，亦被称作“软超导体”。其特征是由正常态过渡到超导态时没有中间态，并且具有完全抗磁性。第I类超导体由于其临界电流密度和临界磁场较低，因而没有很好的实用价值[2]。

第Ⅱ类超导体：除金属元素钒、锝和铌外，第II类超导体主要包括金属化合物及其合金。第II类超导体和第I类超导体的区别主要在于：

(1) 第II类超导体由正常态转变为超导态时有一个中间态(混合态)；

(2) 第II类超导体的混合态中有磁通线存在，而第I类超导体没有；

(3) 第II类超导体比第I类超导体有更高的临界磁场、更大的临界电流密度和更高的临界温度。

第II类超导体根据其是否具有磁通钉扎中心而分为理想第II类超导体和非理想第II类超导体。

理想第II类超导体的晶体结构比较完整，不存在磁通钉扎中心，并且当磁通线均匀排列时，在磁通线周围的涡旋电流将彼此抵消，其体内无电流通过，从而不具有高临界电流密度。非理想第II类超导体的晶体结构存在缺陷，并且存在磁通钉扎中心，其体内的磁通线排列不均匀，体内各处的涡旋电流不能完全抵消，出现体内电流，从而具有高临界电流密度。在实际上，真正适合于实际应用的超导材料是非理想第II类超导体。

图1-2 第Ⅰ和第II类超导体的几种状态

2.超导材料的特性

2.1零电阻效应

超导材料处于超导态时电阻为零，能够无损耗地传输电能。如果用磁场在超导环中引发感生电流，这一电流可以毫不衰减地维持下去。

1910年，昂纳斯开始和他的学生研究低温条件下的物态变化。1911年，他们在研究极低温下水银电阻与温度变化的关系时发现了超导现象，当时他们发现Hg的电阻在4.2K左右陡然下降。后来经实验证明，测量电流越小，电阻变化越尖锐；当电流足够小时，可以使得电阻的下降集中发生在0.01K的窄小范围内。在这个转变温度下，电阻完全消失。图2-1是Tc附近温度与电阻之间的关系。

图2-1 Tc附近温度与电阻之间的关系

2.2 迈斯纳效应(完全抗磁性)

当一个磁体和一个处于超导态的超导体相互靠近时，磁体的磁场会使超导体表面中出现超导电流。此超导电流形成的磁场，在超导体内部，恰好和磁体的磁场大小相等，方向相反。这两个磁滞抵消，使超导体内部的磁感应强度为零，B=0，即超导体排斥体内的磁场。这就是迈斯纳效应。

1933年，迈斯纳和奥克森费尔德发现超导体具有完全抗磁性。即超导体处于超导态时，只要周围的外加磁场没有强到可以破坏超导性的程度，超导体就会把穿透到体内的磁力线完全排出体外，在其内部永远保持磁感应强度为零。这与是将它先加磁场再降温至超导态，还是先进入超导态再加磁场的过程无关。迈斯纳效应的发生使人们意识到超导体的行为并不是不可逆的。

迈斯纳效应和零电阻现象是实验上判定一个材料是否为超导体的两大要素。

迈斯纳效应指明了超导态是一个热力学平衡状态，与如何进入超导态的途径无关，超导态的零电阻现象和迈斯纳效应是超导态的两个相互独立，又相互联系的基本属性。单纯的零电阻并不能保证迈斯纳效应的存在，但是零电阻效应又是迈斯纳效应的必要条件。因此，衡量一种材料是否是超导体，必须看是否同时具备零电阻和迈斯纳效应[6]。

2.3 同位素效应

同位素效应是指由于质量或自旋等核性质的不同而造成同一元素的同位素原子(或分子)之间物理和化学性质有差异的现象。同位素效应是同位素分析和同位素分离的基础。它在化学结构基本不变的情况下引起物理、化学常数的改变，因此能更深入地揭示物质微观结构与性质之间的关系。

1950年美国科学家E.M.麦克斯韦和C.A.雷诺兹分别独立发现汞的几种同位素临界温度 各不相同，它与原子量平方根成反比。同位素的原子量越小，T c 越高，后来发现其他超导元素也有类似现象，这就是超导的同位素效应[3]。见公式(1)

t C T M c cos 0= (1) 式中M 为元素的原子质量，T c 为超导材料的临界温度，C 0和t 均为常数。

2.4 超导的热力学性质(熵和比热)

通过对磁场中超导转变的研究，可以帮助我们分析超导态的热力学性质，根据完全抗磁性，可以推导出在磁场中超导态的吉布斯函数： 202

)(),(H T G H T G s s μ+= 由式(2)可知超导态的吉布斯函数是随磁场增加的。当T