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超导基础

什么是超导?

幸运快三超导现象是指材料在低于某一温度时,电阻变为零的现象,而这一温度称为超导转变温度(Tc)。超导现象的特征是零电阻和完全抗磁性。

 

 电阻起源于载流子(电子或空穴)在材料中运动过程中受到的各种各样的阻尼。按照材料的常温电阻率从大到小可以分为绝缘体、半导体和导体。绝大部分金属都是良导体,他们在室温下的电阻率非常小但不为零,在10-12 mΩ ∙ cm量级附近。

 

幸运快三 自然界是否存在电阻为零的材料呢?答案是肯定的,这就是超导体。当把超导材料降到某个特定温度以下的时候,将进入超导态,这时电阻将突降为零(图1),同时所有外磁场磁力线将被排出超导体外,导致体内磁感应强度为零,即同时出现零电阻态和完全抗磁性。超导态开始出现的温度一般称为超导临界温度,一般定义为Tc。微观上来说,当超导材料处于超导临界温度之下时,材料中费米面附近的电子将通过相互作用媒介而两两配对,这些电子对将同时处于稳定的低能组态,叫“凝聚体”。在外加电场驱动下,所有电子对整体能够步调一致地运动,因此超导又属于宏观量子凝聚现象。对于零电阻态,实验上已经证实超导材料的电阻率小于10-23 mΩ∙cm,在实验精度允许范围内已经可以认为是零。如果将超导体做成环状并感应产生电流,电流将在环中流动不止且几乎不衰减。超导体的完全抗磁性并不依赖于超导体降温和加场的次序,也称为迈斯纳(Meissner)效应。一个材料是否为超导体,零电阻态和完全抗磁性是必须同时具有的两个独立特征。

 

 超导态下配对的电子对又称库珀(Cooper)对。配对后的电子将处于凝聚体中,打破电子对需要付出一定的能量,称为超导能隙,它反映了电子间的配对强度。一般来说,超导态在低外磁场及低温下是稳定的有序量子态。超导体的一系列神奇特性意味着我们可以在低温下稳定地利用超导体,比如实现无损耗输电、稳恒强磁场和高速磁悬浮车等。

超导体的发展史

幸运快三1911年,荷兰科学家卡末林—昂内斯(Heike Kamerlingh-Onnes)用液氦冷却汞,当温度下降到4.2K(﹣268.95℃)时,水银的电阻完全消失,这种现象称为超导电性,此温度称为临界温度。

  1933年,迈斯纳和奥克森菲尔德两位科学家发现,如果把超导体放在磁场中冷却,则在材料电阻消失的同时,磁感应线将从超导体中排出,不能通过超导体,这种现象称为抗磁性。

  1973年,发现超导合金――铌锗合金,其临界超导温度为23.2K(﹣249.95℃),这一记录保持了近13年。

  1986年,设在瑞士苏黎世的美国IBM公司的研究中心报道了一种氧化物(镧钡铜氧化物)具有35K(﹣240.15)的高温超导性。

  1986年,美国贝尔实验室研究的超导材料,其临界超导温度达到40K(﹣235.15℃)液氢的“温度壁垒”(40K)被跨越。

幸运快三  1987年,美国华裔科学家朱经武以及中国科学家赵忠贤相继在钇-钡-铜-氧系材料上把临界超导温度提高到90K(﹣185.15℃)以上,液氮的“温度壁垒”(77K)也被突破了。1987年底,铊-钡-钙-铜-氧系材料又把临界超导温度的记录提高到125K(﹣150.15℃)。从1986-1987年的短短一年多的时间里,临界超导温度提高了近100K。

  1987年在超导材料的探索中又有新的突破,美国休斯顿大学物理学家朱经武小组与中国科学院物理研究所赵忠贤等人先后研制成临界温度约为90K的超导材料YBCO(钇钡铜氧)。

幸运快三  1988年初日本研制成临界温度达110K的Bi-Sr-Ca-Cu-O超导体。至此,人类终于实现了液氮温区超导体的梦想,实现了科学史上的重大突破。这类超导体由于其临界温度在液氮温度(77K)以上,因此被称为高温超导体。

幸运快三  自从高温超导材料发现以后,一阵超导热席卷了全球。科学家还发现铊系化合物超导材料的临界温度可达125K(﹣150.15℃)汞系化合物超导材料的临界温度则高达135K。如果将汞置于高压条件下,其临界温度将能达到难以置信的164K。

  1997年,研究人员发现,金铟合金在接近绝对零度时既是超导体同时也是磁体。

  1999年科学家发现钌铜化合物在45K(﹣230.15℃)时具有超导电性。由于该化合物独特的晶体结构,它在计算机数据存储中的应用潜力将是非常巨大的。  

 自2007年12月开始,中国科学院物理研究所的陈根富博士已投入到镧氧铁砷非掺杂单晶体的制备中。今年2月18日,日本东京工业大学的细野秀雄教授和他的合作者在《美国化学会志》上发表了一篇两页的文章,指出氟掺杂镧氧铁砷化合物在零下247.15℃时即具有超导电性。在长期研究中保持着跨界关注习惯的陈根富和王楠林研究员立即捕捉到了这一消息的价值,王楠林小组迅速转向制作掺杂样品,他们在一周内实现了超导并测量了基本物理性质。

 

 几乎与此同时,物理所闻海虎研究组通过在镧氧铁砷材料中用二价金属锶替换三价的镧,发现有临界温度为零下248.15℃以上的超导电性。  

幸运快三 2008年3月25日和3月26日,中国科学技术大学陈仙辉组和物理所王楠林组分别独立发现临界温度超过零下233.15℃的超导体,突破麦克米兰极限,证实为非传统超导。  

 2008年3月29日,中国科学院院士、物理所研究员赵忠贤领导的小组通过氟掺杂的镨氧铁砷化合物的超导临界温度可达零下221.15℃,4月初该小组又发现无氟缺氧钐氧铁砷化合物在压力环境下合成超导临界温度可进一步提升至零下218.15℃。

超导体的基本特性

零电阻性:
  

1911年春,荷兰物理学家海克•卡末林•昂内斯在用液氦将汞的温度降到4.15 K时,发现汞的电阻降为零。他把这种现象称为超导性。后来昂内斯和其他科学家陆续发现其他一些金属也是超导体。昂内斯因为这项重大发现而获得1913年的诺贝尔物理学奖。

完全抗磁性:
  

幸运快三1933年,德国物理学家迈斯纳(Walther Meissner)发现了超导体的完全抗磁性,即当超导体处于超导状态时,超导体内部磁场为零,对磁场完全排斥,即迈斯纳效应(图2)。但当外部磁场大于临界值时,超导性被破坏。

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