专题五、半导体与超导体

第二部分 超导体

    我们知道，自由电子沿某一特定方向运动就在物体中形成了电流。但导体有电阻，电阻的存在，使一部分电能转变为热能损耗掉了。人们曾有一个梦想：有朝一日能出现没有电阻的导电材料，这就是超导材料。电流流经超导体不受任何阻力，没有热损耗，于是就能以小的功率得到大的电流，从而产生几个甚至几十个特斯拉的超强磁场，具有很高的应用价值。今天，这一梦想已经实现。

一、超导体的基本特性

1. 零电阻效应

    l911年荷兰著名低温物理学家昂纳斯(H．K．Onnes，1853—1926)发现了水银(汞，Hg)的超导现象。超导现象的发现是与低温技术的发展分不开的。1906年昂纳斯首次制备出液态氮，获得4开的低温(相当于-269℃)，随后又获得了1.04开的 低温。这是继 1898 年制备出液态氢获得 14 开低温之后的巨大进展。随着低温技术的进展，科学家已注意到纯金属的电阻随温度的降低而减小的现象。昂纳斯首先研究低温下水银电阻的变化。他们发现，在 4.2 开附近水银电阻突然变小。图 9 是水银的电阻随温度的变化情况，纵坐标是该温度下水银电阻与 0 ℃时电阻的比值： R(T) ／ R(0 ℃ ) 。较精确的测量给出水银的超导转变温度 Tc＝ 4.153 开。继续降温到 3 开时，电阻降到仅为 0℃ 时电阻值的 10^-7 ，电阻值实际已可看作零了。

    图9  水银的零电阻效应

    1912 — 1913 年间昂纳斯又发现锡 (Sn) 。在 3.8 开低温时，也有零电阻现象。随后科学家们又发现了其他许多金属或合金在低温下都有零电阻效应。昂纳斯首先将这种特殊的电学性质称为超导。昂纳斯由于液氦的制备和超导现象的研究获 l913 年诺贝尔物理学奖。

2 ．完全抗磁性

    1933 年，迈斯纳 (W ． Meissner) 通过实验发现：当置于磁场中的导体通过冷却过渡到超导态时，原来进入此导体中的磁力线会一下子被完全排斥到超导体之外 ( 见图 10) ，超导体内磁感应强度变为零，这表明超导体是完全抗磁体。这个现象称为迈斯纳效应。

3 ．存在临界磁场

    实验表明，超导态可以被外磁场所破坏，在低于 T c 的任一温度 T 下，当外加磁场强度 H 小于某一临界值 Hc 时．超导态可以保持；当 H 大于 H c 时，超导态会被突然破坏而转变成正常态。临界磁场 Hc不仅与超导体本身性质有关，还与温度 T 有关，

其中从 H c (0) 为 T→0 开时的临界磁场，对于不同的超导材料有不同的 Hc (0) 值。

    超导材料性能由临界温度 Tc 和临界磁场 Hc 两个参数决定，高于临界值时是一般导体，低于此数值时成为超导体。表 1 列出了一些元素的超导参数 Tc 和 Hc (0) 。

表 1 一些元素的超导参数

4 ．同位索效应

    超导体的临界温度 T c 与其同位素质量 M 有关。 M 越大， T c 越低，这称为同位素效应。例如，原子量为 199.55 的汞同位素，它的 T c 是 4.18 开，而原子量为 203.4 的汞同位素， T c 为 4.146 开。 M与 T c 有近似关系：

TcM^1/2 ＝常数

    理论上如何来解释这种超导电性呢? 从发现超导，经过了近半个世纪，直到 1957 年，才由美国的巴丁、库柏 (L N ． Cooper ， 1930 一 ) 和施里弗 (J ． R ． Schrieffer ， 1931 一 ) 三位科学家攻克了这个难题。他们提出了超导电性的微观理论 ( 简称 BCS 理论，这是他们三人之姓的第一个字母 ) ，成功地解释了有关超导电性的各种基本特性，要深入了解此理论的读者可参见参考资料 [1] 。由于他们的杰出贡献，共同获得 1972 年诺贝尔物理学奖。

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二、常规超导与高温超导

    常规超导材料按其化学组成可分为三种：元素超导体、合金超导体和化合物超导体。大部分金属元素都具有超导电性 ( 见表 1) ，但是在室温下，导电性能非常好的一些金属元素 ( 如金、银、铜等 ) 却在很低的温度下都不是超导体。实用超导材料主要是合金型和化合物型两大类，这是由于它们具有易制备、成本低、塑性好等优点。合金型目前主要是铌钛合金 (NbTi ， T c ＝ 9．5 开 ) ，比较成熟，已达到了商品化。另外，用得较多的一些化合物超导材料主要有铌三锡 (Nb 3 Sn ， T c ＝ 18.3 开 ) 、钒三镓 (V₃Ga ， Tc＝ 16.5 开 ) 和钒三硅 (V₃Si ． Tc ＝ 17.1 开 ) 等。

    1911 年发现超导体后，人们通过多年努力，到 1986 年止已发现或制造出上千种超导材料。然而临界温度最高的是铌三锗 (Nb 3 Ge) ，才达到 23.3 开。在 1973 年以前，平均每五年 T c 才提高 l 开。从 1973年到 1986 年的 13 年中， T c 竟 1 开也没有提高。很低的温度给超导的应用带来了极大的困难。

    美国 IBM 公司设在瑞士苏黎士的研究所的科学家贝德诺兹 (G ． Bednortz ， 1950 一 ) 和缪勒 (K．A ． Muller ， 1927 一 )1986 年 4 月首先发现镧钡铜氧 (LaBaCuO) 陶瓷材料的超导转变临界温度为 T c＝ 35 开。他们的论文《可能的高临界温度超导体》在同年 9 月发表在德国一份不引人注目的《德国物理评论》上，但是只测量了零电阻效应，没有测量完全抗磁性；曲线形状也不是光滑单调变化，给人印象是实验相当粗糙；再加上超导史上屡屡出现的伪信息，以及 BCS 理论所给出的对最高 T c 的限制，文章发表后相当长时间内没有什么反响。直到 1986 年底和 1987 年初，中、日两国科学家重复了这一结果，才掀起轩然大波．形成世界性超导热。因为陶瓷材料在常温下一般是绝缘体，在低温下竟一下子变成了超导体，大大出乎人们的意料，改变了从金属和合金中寻找超导材料的传统想法。 1987 年 2 月 24 日中国科学院宣布，赵忠贤领导的科研组已将钇钡铜氧 (YBaC) 材料的 T c 提高到了 92.8 开以上，从而实现了转变温度在液氮温区的突破。液氮的沸点为 77.3 开，其价格比液氦便宜 100 倍，冷却效率高 63 倍，且氮又是十分安全的气体，故大大扩展了超导的应用前景，使沉闷了半个多世纪的超导界—下子变得气氛活跃起来。为此，仅隔一年贝德诺兹和缪勒共同获得了 1987 年诺贝尔物理学奖，开创了获奖时间相距成果发表时间最短的先例。现已发现高温超导材料有上百种。但高温超导的许多性质无法用 BCS 理论解释。目前高温超导的理论还远远落后于实验。

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三、超导应用简介

    高温超导研究所以会引起世界各国科学家的关注，就是因其有巨大的科学和经济价值。在交通运输方面，利用超导体的无电阻和抗磁性的特点，已研制出时速超过 550 千米的磁悬浮列车；在节能方面可制造功率极大、体积小、效率高的超导发电机，这种电机载流能力可达 10 4 安／厘米 2 以上，比常规电机高 1 — 2个数量级。利用超导电缆可实现无损耗长距离输电，而目前 30 ％电能在输送电路上损耗掉。超导核磁共振成像仪已在医学上应用，用常规电磁铁一般能产生的最高磁场强度约 2 特斯拉，而用超导磁体可产生几十特斯拉的强磁场，而功耗降低到 1 ／ 100 。 10 特斯拉超导磁体，只需用汽车蓄电池即可供电。核磁共振成像仪分辨率与磁场强度成正比，故皆采用超导磁体以提高分辨率；超导磁体在磁约束的受控热核聚变反应堆中也是必不可少的，只有利用超导磁体才有可能在几十立方米的空间中产生十几特斯拉的磁场作为等离子体的加热和约束之用。

     高温超导体问世以来，已把超导 T c 提高到 134 开，在加压时可达 164 开，进入了液氮温区，由铋、锶、钙、铜和氧构成的高温超导材料已制成超导导线，比常规铜线运载的电流大 100 倍。 1998 年我国第一根铋系高温超导输电电缆研制成功，运载电流达到 1200 安培，使我国成为世界上少数几个掌握这一技术的国家。高温超导薄膜，也已顺利通过了试验阶段，进入实用研究。这种薄膜特别适用于蜂窝电话基地电台的滤波器，经其过滤的信号保持原来强度而提高了信噪比，而常规的铜滤波器使信号强度降低，难以与噪声区别。1996 年年底这种薄膜已进入市场。

    目前超导应用上的主要困难已不是提高 T c ，而是要提高材料能承受的电流强度 ( 不致破坏超导态 )和增强材料的展延性，以拉伸成材。超导应用前景十分广阔，随着应用领域的扩大，这一高科技领域的产业化必将得到迅速发展。

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