对超导体的基本认识

《对超导体的基本认识》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、对超导体的基本认识一.超导现象的发现超导是某些金属或合金在低温条件下出现的一种奇妙的现象。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沸点是-183℃（90K）。随后人们又液化了液化温度是-196℃的氮气。1898年杜瓦（J.Dewar）第一次把氢气变成了液体氢，液化温度为-253℃，他并发明了盛放液化气的容器——杜瓦瓶。最先发现这种现象的是荷兰物理学家卡麦林·昂纳斯。1908年卡麦林·昂纳斯液化氦（-259℃）成功，

2、从而达到一个新的低温区（4.2K以下），他在这样的低温区内测量各种纯金属的电阻率。1911年夏天，当昂纳斯的两个研究生在做低温实验时，偶然发现某些金属在极低温环境中，金属的电阻突然消失了。昂纳斯接着用水银做实验，发现水银在4.1K时（约相当于-269℃），出现了这种超导现象；不但纯汞，而且加入杂质后,甚至汞和锡的合金也具有这种性质。他把这种性质称为超导电性。他又用铅环做实验，九百安培的电流在铅环中流动不止，两年半以后仍旧毫无衰减。1932年霍尔姆和卡茂林－昂尼斯都在实验中发现，隔着极薄一层氧化物的两块处于

3、超导状态的金属，没有外加电压时也有电流流过。1933年荷兰的迈斯纳和奥森菲尔德共同发现了超导体的一个极为重要的性质。　二.超导体的基本性质1、零电阻效应在超导条件下，电阻等于零是超导体的最显著的特性。如果将一金属环放在磁场中,突然撤去磁场,在环内就会出现感生电流。金属环具有电阻R和电感L。由于焦耳热损耗,感生电流会逐渐衰减到零，衰减速度与L和R的比值有关,L/R的值越大，衰减越慢。如果圆环是超导体，则电阻为零而电感不为零；因此电流会毫不衰减地维持下去。这种“持续电流”已在多次实验中观察到。测量超导环中持续

4、电流变化的实验给出，样品铅的电阻率小于3.6×10-2欧姆厘米，它比铜在室温下的电阻率1.6×10-6欧姆厘米还要小4.4×1016倍。这个实验结果表明超导体的电阻率确实是零。临界温度Tc——超导体由正常态转变为超导态的温度。临界磁场BC——对于超导体，只有当外加磁场小于某一量值时，才能保持超导电性，否则超导态即被破坏，而转变为正常态。这一磁场值称为临界磁场BC（临界磁感应强度），有时用HC（临界磁场强度）表示。临界磁场与温度的关系为HC＝Ho[1-(T/Tc)2]  式中Ho为0K时的临界磁场。同样，超

5、导体也存在一临界电流IC。　2、迈斯纳效应（理想抗磁性）这是超导体的另一个特征。1933年德国物理学家迈斯纳（W.Meissner）和奥森菲尔德（R.Ochsebfekd）对锡单晶球超导体做磁场分布测量时发现，在小磁场中把金属冷却进入超导态时，体内的磁力线一下被排出，磁力线不能穿过它的体内，也就是说超导体处于超导态时,体内的磁场恒等于零。这说超导体不是电阻无限小的理想导体。因为对于电阻率ρ无限小的理想导体，根据J＝σＥ＝Ｅ／ρ，当ρ为０时，Ｅ必须为０才能使Ｊ保持有限。这就是说对理想导体在没有电场Ｅ的条件下

6、仍可以维持稳恒的电流密度。另一方面，磁感应强度Ｂ不随时间变化，或者说，在理想导体中磁感应通量不可能改变。但迈斯纳效应与其不一致。二、超导体的微观机制　1956年，L.N.库珀从理论上证明了费密面附近的两个电子，只要存在净的吸引作用，不管多么微弱，都可以形成束缚态──库珀对。第二年，J.巴丁、库珀和J.R.施里弗建立了完整的超导微观理论（BCS理论）。BCS理论是以电子-声子相互作用为基础解释超导电性的经典理论，它能很好地解释金属元素及金属间化合物的超导电性。BCS理论是以近自由电子模型为基础,是在电子－声

7、子作用很弱的前提下建立起来的理论。对于某些超导体，例如汞和铅,有一些现象不能用它来解释。在BCS理论的基础上发展起来的超导强耦合理论，对这些现象能很好地解释（见强耦合超导体）。两个基本概念。第一,超导电性的起因是费密面附近的电子之间存在通过交换声子而发生的吸引作用。第二，由于这种吸引作用，费密面附近的电子两两结合成对，叫做库珀对。关于通过交换声子而发生的吸收作用，一个电子状态发生变化，能量和动量从ε1、p1变为ε1′、p1′。这个状态的改变引起了固体中整个电子气电荷分布的扰动。这种扰动必然牵动点阵振动，即

8、发射声子。点阵振动反过来也可以影响电子气。影响的结果可以使电子气复原，能量和动量为ε1′、p1′的电子恢复到原来的状态ε1、p1,其效果就是电子在运动过程因牵动点阵而增加了惯性，或有效质量。影响的结果也可以是使另一个电子发生状态的变化，从ε2、p2变为ε2′、p2′，这就是声子被另一个电子吸收。后一种情形的结果是一对电子之间发生了能量和动量的交换，也就是发生了以声子为媒介的电子间的间接的相互作用。计算表明，当每一个电子前后状态