超导特性的发展及其应用.docVIP

超导特性的发展及其应用 超导电子学（superconductive electronics）是超导体物理与电子技术相结合的一门科学，超导电子学的理论是以超导体的两个基本特性即零电阻的理想导电性和迈斯纳效应的完全抗磁性为基础，以超导微观理论和超导约瑟夫逊效应为核心。主要研究物体处于超导状态下超导电子所具有一系列效应的理论、技术和应用。 一、超导特性的发展 随着低温技术的发展，荷兰物理学家昂纳斯于1908年首次将学术界争议中的“永久气体”氦(He)在4.25K的低温下液化成功。1911年昂尼斯研究低温条件下金属汞(HB)的导电性时发现，当温度降至4.2K左右，汞的电阻突然急剽下降到零的“异常”现象。他随即对其他金属的导电性能作实验，发现锡在3.72K，铅在7．20K左右，也出现电阻突然下降为零的现象。昂纳斯因对低温下物质性质的研究并液化了氦而获得1913年度诺贝尔物理学奖。超导电性现象，当时令人不可思议。因为，按照经典电子论的观点，任何金属的原子总是按一定的点阵排列成晶格，金属导电的机制是由于核外自由电子在电场力作用下作定向运动形成电流。电子在定向运动过程中，总会与晶格相互作用而交换能量，即金属导电过程中总会有电阻．这就难于解释超导电性现象。 后来，人们更认识到超导体表现出的主要特性有二：一是上述的零电阻效应，二是具有完全的抗磁性。后者是1933年德国的物理学家迈斯纳和奥克森菲尔特实验测量超导体的磁性质发现的，当超导样品在外磁场中从正常态转变为超导态时，不仅与温度有关，而且与外加磁场H有关，临界磁场Hc与温度T满足如下关系： 式中Tc为不加外磁场时的转变温度，Hc(o)为OK时的临界磁场。实验衰明，超导体进入超导态后，超导体内部的磁通密度B就始终等于零，磁力线不能保留在超导体内。这就是说，处于超导态的超导体是完全抗磁的，而与到达超导态的路径(降温和外加磁场的先后)无关，超导态是一种热力学平衡态。人们称这种超导态为迈斯纳态。经典电磁理论无法解释这种现象。 超导体的无阻传输电流的能力和完全的抗磁性表明，它将对电磁理论和科技应用带来突破性进展，因此吸引了众多科技工作者进行研究。从而掀起了超导研究的第一次高潮。由于制作在液氦低温区工作的超导体付出的代价昂贵，应用范围大受限制，因此，研究者把目标集中在寻求临界温度Tc较高的超导体方面。按照经典电子论的观点，他们自然地把良导体金属作为研究的重点对象。1911年后约持续了二十年，几乎试遍了所有可能的金属元素，超导临界温度Tc一直未能超过10K。1930年后，超导研究对象转向金属合金和化合物，临界温度Tc的提高也并无多大进展。 人们并未就此罢休，继续艰苦地探求超导体的基本特性和物理机制。先后有人在热力学理论基础上建立超导的二流体模型，在电动力学基础上建立伦敦(London)方程，在二级相变理论基础上建立金兹堡—郎道理论等等。尽管它们多属唯象理论，带有一定的局限性，但是对解释和推动实验，探索超导体的基本特性，建立超导理论等方面都起过重要作用。到l957年，美国物理学家巴丁(Bardeen)、库克(Cooper)、施里弗(Schrieffer)，在前人大量实验和理论研究的基础上，发展成比较完整的低温超导理论。他们把超导电性归因于一个全新的机制，提出一个电动力学模型。他们认为主要是由于金属中的电子与声子(离子晶格的振动)相互作用，通过振动晶格的媒介，使在费米球面附近自旋和动量都相反的成对电子相互吸引，两两结合成束缚电子对(库珀对)。这种由于电子—声子作用提供库珀电子对的吸引力胜过它们之间的库仑排斥作用，它们在晶格中做整体运动而不会被晶格散射，因此不产生电阻，它们和晶格发生作用前后，交换动量而不损失能量，从而导致超导电性。这是BCS超导理论的物理图象。按照这一理论，能够给出一个超导能隙，得出超导电子比热随温度T按指数规律减小，在临界温度Tc附近发生二级相变，并与实验结果相符合。这一理论成功地解释了零电阻效应，迈斯纳效应，也解释了因晶格点阵的粒子质量不同而影响超导体Tc的同位素效应。BCS理论的三位创建者获1973年诺贝尔物理奖。 第一个超导电性微观理论—BCS理论取得的成就，引起物理学家的极大兴趣。五十年代末六十年代初，第二类超导体和超导量子隧道效应的理论和实验发现，进一步加深了对超导电性的认识，为超导电子技术的应用发展奠定了基础，掀起了超导研究的第二次高潮。第二类超导体的理论是在金兹堡—朗道理论的基础上于1957年由阿布里柯夫提出。它不同于前述第一类超导体之处在于：当超导体在外加变化磁场由迈斯纳态转变为正常态时，还存在一个中间混合态(涡旋态)，即存在有上、下二个临界磁场Hc1和Hc2，处在混合态(Hc1HHc2)下的样品，存在部分磁通穿透(B≠0)，抗磁性不完全，但仍具有零电阻效应。人们过去也曾在实验