高溫超導體電阻對溫度的依賴性及邁斯納效應研究

段丁槊

摘要：本文基于高溫超導體電阻對溫度的依賴性，采用了四點電探針和銥熱敏電阻的超導材料裝在鋁殼中，利用計算機繪制了溫度與電壓（電位差）的關系圖像。并且通過使磁體和超導體相互靠近，磁體的磁場在超導體表面產生超導電流，磁場被扭曲產生向上浮力，從而觀測懸空狀來間接證明邁斯納效應。

關鍵詞：邁斯納效應；高溫超導體；溫度依賴性

近些年來，超導電性逐漸被人所熟悉，而在1911年，荷一位蘭物理學家第一個觀察到這種現象。本文以此為入手點，通過理解超導效應現象的微觀效應以及庫伯電子對，使用銥熱電偶測量其電位差與溫度變化的關系，并將其延伸、驗證了邁斯納效應。

1 理論介紹

超導電性是一種相變。當一些金屬被冷卻到低于某一臨界溫度Tc時，它們的行為就像一個完美的導體，即它們的電阻率降到零。在1911年，荷蘭物理學家Kamerlingh Onnes是第一個觀察到這種現象的人，他在用水銀工作時注意到，電阻率低于T=4.15 K時幾乎是不可測量的值，而其他金屬在冷卻時表現出相近的現象。它們的特征臨界溫度。

1957，巴丁、庫珀和施里弗提供了關于超導效應現象的微觀效應的解釋，稱為BCS理論。BCS理論是基于晶格電子相互作用，這實際上是在較高溫度下電阻率增加的原因。在溫度足夠低的條件下，超導體中的電子會形成庫珀對，會形成吸引力的相互作用。但是，當電子通過庫侖相互作用排斥時，這是怎么可能的呢？這是因為正離子形成的晶格由于一個電子的通過而發生變形，導致正電荷的濃度在該區域中增加，從而吸引第二個電子，如下圖1所示。

在庫珀電子對中，一個電子自旋上升，另一個電子自旋下降，它們也有相反的動量。動量使得庫珀電子對的行為類似于自旋零點的粒子，由于其不再服從Pauli的排斥原理，因此它們具有相同的能量狀態。晶格振動和缺陷在金屬的正常狀態下散射電子，導致其電阻率增加，但在超導體中，一個庫珀對的速度不能改變，而不改變所有的對。因此在沒有散射的情況下，其中的電流可以永遠持續。

超導體也同時表現出顯著的磁性。當在弱外部磁場的存在下冷卻到臨界溫度以下時，超導體將磁通從其內部排出。這就是所謂的西爾維奧·邁斯納效應，它是由于持續電流引起的感應而產生的。然而，足夠強的磁場可以使電子在磁場方向上與自身對齊，以降低它們的能量，從而破壞超導狀態。破壞超導狀態所需的最小磁場稱為臨界場BC。

1986年，J·格奧爾·本德羅茲和Karl Alex M 烏勒發現了由鑭、銅和鋇構成的氧化物在約30 K時超導性的證據，這個證據標志著高溫超導體時代的到來。一些氧化物已被報道為在150 K的溫度下顯示超導性，盡管這背后的機制還沒有被完全理解。

2 實驗過程

本實驗采用四點電探針和銥熱敏電阻的超導材料（YBa2Cu3O7 x）裝在鋁殼中。此時的超臨界溫度遠高于液氮，約為90K。在該臨界溫度以下，它經歷超導轉變，即它表現出可忽略的電阻和排除內部磁場（MESSNER效應）的特性。四點探針是一種物理學中的多用途器件，其廣泛應用于電現象研究。電學中的電阻測量可以通過將兩條導線連接到樣品兩端，讓電流穿過樣品，同時測量這些相同導線上的電壓降，測量的電阻必然包含來自導線樣品常態點的貢獻。這種接觸電阻將完全消除對低電阻樣品進行精確測量的可能性，并且將為超導樣品提供無意義的結果。四點探針可以通過使用單獨的電壓測量線來避免接觸電阻的影響。由于伏特計的高阻抗通過這對導線的電流很小，因此，由于與樣品之間的電位差相比，這些導線的接觸電阻引起的電壓降是可以忽略的，并且僅測量樣品的電阻。對于該實驗中的溫度范圍（77K到300K），使用銥熱電偶。

3 實驗結果及分析

本實驗采用四點電探針和銥熱敏電阻的超導材料（YBa2Cu3O7 x）裝在鋁殼中。由于伏特計的高阻抗通過這對導線的電流很小，因此，由于與樣品之間的電位差相比，這些導線的接觸電阻引起的電壓降是可以忽略的，并且僅測量樣品的電阻。所以在溫度的特定值上，UB1會急劇下降。

邁斯納效應是指當磁體和超導超導體相互靠近時，磁體的磁場在超導體表面產生超導電流。由超導內部的超導電流所形成的磁場與磁體的磁場完全相同，并且在相反的方向上。電流與磁體產生的兩個磁場相互抵消，因此在超導體內部的磁感應強度為零，也就是B=0，形成的效果就是超導體排斥身體中的磁場。而磁鐵懸浮在超導圓盤之上是由于超導體是完全反磁性的，因此小磁鐵的磁力線不能穿透超導體，磁場被扭曲，導致向上浮力。

參考文獻：

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