当代物理前沿专题之四超导电性.doc

当代物理前沿专题之四超导电性 ? 赵忠贤? 李? 阳 ? 4．1? 引言 超导现象早在本世纪初就被荷兰科学家卡末林·昂纳斯发现．在这以后很长的时间里，人们一直把它当作纯粹科学进行研究，以探讨超导电性的起源．30年代，实验发现了迈斯纳效应，这一发现使人们认识到超导电性是一种宏观尺度的量子现象．1957年，巴丁、库柏和施瑞弗基于电子和声子的相互作用，建立了成功的微观理论．这不仅解释了超导电性的起源，而且对凝聚态物理以致整个物理学的发展产生了巨大的影响，它是现代凝聚态物理的重要成就．50年代末和60年代初，第Ⅱ类超导体及其约瑟夫森效应的发现，促使超导电性的应用开始逐步地成为一门新技术，即低温超导电技术．从60年代到80年代，超导电性的应用已具有一定的规模和相应的工业部门．低温超导电技术有其独特的优越性．例如可以建立基本上无损耗的磁场强度达几个到二十个特斯拉的超导磁体，以超导量子干涉器件为基本元件的磁强计可检测到比10-15T还 弱的磁场，就能量分辨率而言，原则上可以接近量子力学不确定关系所限定的极限．所有这些都是其它材料和器件无法代替的．低温超导电技术之所以还没有得到广泛的应用，是由于这些超导体必须在极低温度下运行，通常用的工作物质是液氦．如我们在医院里见到的核磁共振成像用的超导磁体就是在液氦下运行的．液氦除价 格较贵之外，生产、储存、运输和使用的技术比较复杂，设备维护相对困难一些，特别是在军事和工业上，安全系数也是一个问题．人们在不断地发展低温技术促进低温超导技术广泛应用的同时，也一直在探索能在液氮温区甚至能在室温下工作的高温超导体． 中国的超导电性研究开始于50年代，1959年首次实现了氦的液化．探索高临界温度超导电性的研究则始于1976年．当时的基本情况是A15结构的Nb3Ge（铌三锗）的临界温度已达到23K，即已在液氢的沸点（20.4 K） 以上．强耦合理论的发展使我们认识到超导体的临界温度与晶格不稳定性密切相关，只要不发生结构相变，晶格越不稳定临界温度就越高．还提出了一些新的导致超 导机制的模型，如激子模型等．虽然这些模型都不成熟，但都预见了可能有更高临界温度的超导体存在．同时不断有新的非常规的超导材料被合成出来．中国科技工作者坚持不懈地从事新超导材料及机制的探索．正是有了这十年的努力和积累，中国的科技工作者参与发现了液氮温区超导体．这类超导转变温度较高的超导体通常 被称之为高温超导体． 自从高温氧化物超导体被发现以来，在材料、机制以及应用三个方面的研究及开发工作都进展很快．用高临界温度超导体制备的SQUID器件及其它一些相关仪器将会在今后几年内走进市场．在线材制备和工艺方面亦有很大的发展，短距离大电流的输电及在电力工业方面的其它应用也会在不远的将来出 现．使用高温超导材料而制备的微波器件将是最有希望得到较大规模应用的．一些新的超导材料不断被发现，从而不断给出更多的揭示高温超导电性的新的信息及开辟新的应用领域．高温超导体的临界温度已达134K[在HgBa2Ca2Cu3Oy（汞钡钙铜氧化物超导体）中]． 高温超导的机制至今还没有完全搞清．出现如此情况，原因之一是材料的物理特征还没有被完全认识．尽管与宏观量子现象有关的若干特征，如零电阻、迈斯纳效应、磁通量子化和约瑟夫森效应已确认无疑，但某些关键性的性质还未定论，需要逐步地证实．从某种意义上讲，高温氧化物超导体的非均匀性阻碍了弄清其结构及 化学和物理方面的特征，因而也就阻碍了对其机制的理解和应用的实施．看来要解决超导机理问题，要进一步提高超导样品的质量，提高测量的精度，还有赖于强关联电子系统的理论的发展．而探索更高的甚至室温超导体也是相当有希望的． 在本专题中，我们将就超导 体的基本特征给予概述，并简要描述超导电性的唯象理论（这对目前已发现的高温氧化物超导体基本是一样的），以及简要描述传统超导电性即低温超导电性的微观理论．本书将就与应用有关的超导体性质作简要介绍．对于在液氮温区工作的铜氧化物超导体以及超导电性的应用也将举例作简要说明． 在此，我们对在撰写过程中曾给予我们热情帮助的同志们表示衷心的感谢． ? 4．2? 超导体的基本性质 ? 4．2．1? 从低温的获得到超导电性的发现 超导电性是在人类发展低温技术并不断地在新的温度范围里研究物质的物理性质的过程中发现的．19世纪末，低温技术获得了显著的进展．曾一向被视为“永久气体”的空气被液化了．1877年氧气被首先液化，液化点也就是我们所说的常压下的沸点是-183℃（绝对温度90 K）．随后人们又液化了液化温度是-196℃（绝对温度77 K）的氮气．1898年杜瓦（J． Dewar）第一次把氢气变成液体氢，液化温度为-253℃．下面的图片是杜瓦的工作照（图4-1），他拿着盛放液化气体的容器，这就是他发明的并以他的名字命名的杜