超導現象及超導體概述

劉明坤 王紅宇 王浩 王天倚 何亮

摘要：超導現象指的是某些材料在溫度降低到某一臨界溫度時，電阻突然消失的現象。自超導現象被發現以來，科學家一直致力于新型超導體的發現，超導微觀機理的研究以及超導體的應用。本文對超導現象及一些超導體的特性進行了概述。

關鍵詞：超導體;零電阻;邁斯納效應

超導現象和超導體

1908年7月10日，荷蘭萊頓大學的昂尼斯等人成功地將氦氣液化。沸點為4.2K的液態氦為低溫物理的研究打開了一扇新的大門[1]。1911年4月8日，昂尼斯等人在研究金屬在低溫下的電阻行為的實驗中，發現金屬汞冷卻到4.2K時，其電阻值突然下降到儀器測量范圍的最低點，這在實驗上可認為金屬汞在4.2K的溫度條件下的電阻降為了零[2]。昂尼斯把這種材料在低溫下表現出電阻為零的現象稱為超導現象。超導現象被發現后，引起了科研工作者們的極大關注。在發現超導現象的半個世紀里，陸續又發現了許多的金屬以及合金在低溫條件下同樣有超導現象的出現，而一些非金屬單質在溫度、壓力等外界條件的干預下也會有超導現象的發生。除了一些磁性單質、惰性氣體、放射性重元素和部分堿金屬外，許多元素單質在一定條件下都可以成為超導體[3]。德國物理學家邁斯納在1933年的實驗中發現，超導體除了具有零電阻的特性之外，還具有另外一個獨立的特殊性質，即完全抗磁性[4]。當超導體進入超導態時，外界的磁場不能進入材料內部，同時材料內部的磁感應強度為零。在此之后，人們想要確定一種材料是否為超導體材料，就必須滿足零電阻和邁斯納效應這兩種條件。

超導體被發現后，人們提出了很多的理論來解釋超導體的零電阻特性的形成原因，其中具有代表性的是BCS理論[5]。BCS理論解釋了超導體形成的微觀機理，這一理論指出，金屬中自旋和動量相反的電子可以配對形成一種“庫珀對”，庫珀對在材料的晶格當中可以無損耗的運動，形成超導電流，在一定條件下能夠出現零電阻現象。此外BCS理論也預言了這種機制所誘導的超導轉變溫度不能超過40K，這稱為麥克米蘭極限[6]。

零電阻與邁斯納效應

自1911年發現金屬汞有零電阻現象后，至今為止已經有上千種的超導體被人們所發現。元素周期表中的大部分元素都會在特定的條件下變成超導體。超導材料中的電子可以不受阻尼地運動，并且在偏移之后形成“永久”電流。曾經有人把超導線圈放入磁場中，當撤銷外界磁場時，線圈內會因為磁場的影響而產生感應電流。在非超導體材料中的感應電流很快就會衰減，而超導材料制成線圈中卻一直存在著感應電流。我們可以把超導體制成電纜，利用零電阻的特性消除傳輸時的電力損耗;還可以制成超導線圈，利用強電流產生強磁場。超導體的特殊性質不單單是零電阻。Meissner和Ochsenfeld發現，當超導體處于超導狀態時，超導材料的內部磁場為零，磁感應線被排除在外，這種完全抗磁的現象被稱為邁斯納（Meissner effect）效應，在此之后，判斷某種材料是否為超導體的依據就是觀察其是否具有零電阻與邁斯納效應。

超導體的重要基本參數

超導體的性能是由其固有參數決定的，其中有三個最為重要的基本參數，分別為臨界轉變溫度（Tc）、上臨界場（Hc2） 和臨界電流密度（Jc）這三種，這三種參數的值越大，材料的應用范圍就越廣。

1.臨界轉變溫度

當材料溫度低于臨界轉變溫度時，材料表現為超導狀態，當材料溫度高于臨界超導溫度時，材料呈正常狀態，臨界轉變溫度Tc是超導材料的重要參數。臨界轉變溫度越高，材料從正常狀態轉變為超導狀態就越容易實現。在后期的應用上也會更加節能。

2.上臨界場

上臨界場Hc2是超導體在外界磁場的干涉下是否仍能保持超導狀態的重要參數。當參與干預的磁場強度高于上臨界場的數值時，材料從超導狀態恢復到正常狀態。根據公式：

可知上臨界場的大小與溫度有關。這項臨界參數決定了材料能夠實現超導的最高外界磁場大小。上臨界場參數越高，材料在超導狀態下能夠承受的外界磁場就越強。因此在強磁場下工作的超導材料其自身往往需要具有較高的上臨界場。

3.臨界電流密度

超導材料保持零電阻狀態時存在著一個電流上限，我們稱之為臨界電流密度。當通入超導體材料的電流密度超過了其自身的臨界電流密度時，超導體的零電阻現象將會消失，恢復成正常的導體狀態。這項參數決定了當材料被制成超導帶材后，高溫超導體所參與制成的儀器能夠承受的最大電流密度存在一定上限。

第二類超導體與強場下的應用

超導體具有邁斯納效應，即在其內部沒有磁感線穿過。因此，在強電流或者強磁場的作用下，這種超導體就無法正常工作。1957年，Alexi Abrikosov發現，存在著與常規超導體不同的“第二類超導體”。對第二類超導體來說，隨著磁場增強，超導態向正常態之間轉變的過程中，要經歷一個混合態。而在這種混合狀態下，材料內部是允許有磁場進入的，同時材料仍能保持零電阻狀態。當磁場繼續增強時，材料會正式轉變為正常態，失去超導特性。

第二類超導體包括NbTi，Nb3Sn，V3Ga，Nb3Ga，Nb3Ge等。在超導電纜輸電、磁約束受控核聚變等強場領域都能夠看到第二類超導體的身影。這些應用正是采用了對第二類超導體混合態的利用。超導體除了零電阻和邁斯納效應等基本特性外，還具有磁通量子效應、約瑟夫森效應等特殊的物理性質，在磁屏蔽，微弱電磁測量等領域也都得到了應用。相信在不久的未來，我們會在更多的領域利用到超導體的其他奇異特性。

參考文獻

[1]羅會仟.鐵基超導的前世今生[J].物理，2014，43（07）：430-438.