超导体之超导温度

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超導體之超導溫度微電能實驗室一.實驗目的：超導體材料是指一種在電流通過時，不會產生電阻的材料。既然電阻為零，傳輸的電能就不會損耗，因此超導體可以廣泛應用在電子、能源、醫療及交通等工業上。故本課程將針對超導體作簡單介紹，使同學們了解超導體的工作原理，並且透過本實驗實際操作，使同學們對於YBCO超導體的臨界溫度有更進一步的瞭解。二.實驗原理：2-1.起源：一項科學的新發現，往往是在充分的條件下偶然發生的。超導的發現或許就是個例子。我們都知道物質有固－液－氣三種形態，若把常溫空氣降到很低的溫度(約零下200℃)，則可以得到液體狀的空氣。在19世紀末大多數的氣體已經可以被液化，只剩下氦氣仍不能被液化，氦氣還一度被稱為「永久氣體」。但是在1908年，荷蘭科學家歐尼斯(Kammerlingh-Onnes)證明這是錯誤的，他在4.2Ｋ(-269℃)成功地液化氦氣。成為歷史上第一位將氦氣液化的人。由於歐尼斯的成果使低溫研究向前跨了一大步。當時對於金屬的電阻會隨著溫度降低而減少已被確定，然而在趨近0Ｋ時電阻究竟會低到某個最低值呢？或是因電子在此時停止流動，而成為絕緣體？這是兩個完全不同的結果。歐尼斯對這方面感到興趣，而持續研究著。為了減少雜質的影響，歐尼斯選用在當時所能找到純度較高的金屬－汞(水銀)－來作實驗。他將汞置於液態氦中量測電阻，卻意外的發現電阻在4.2Ｋ時突然降到無法量測，這是物理中從未發生過的現象，歐尼斯將汞稱為超導體(superconductor)，時間為1911年。2-2.超導體的特性：(1.)零電阻5 即完全沒有電阻，因此，電流不會有所損耗，而成為永久電流。一般的導體，電阻是因原子熱振動或晶格缺陷等阻礙電流流動所造成；但在超導狀態下，自旋相反的成對電子組成古柏偶對（Cooperpair），這種成對電子在傳導時不受晶格中離子的妨礙，因此形成零電阻現象。為什麼同樣帶負電的電子能夠不互相排斥而形成古柏偶對？負負不是應該相斥嗎？為何反而會相吸？巴丁、古柏和薛瑞佛三人（J.Bardeen,L.N.Cooper,andR.J.Schrieffer）利用量子力學對此做了計算與解釋：在低溫時，古柏偶對中的兩個電子會藉由帶正電的原子核的協助，由相互排斥變為非常弱的相互吸引，使得古柏偶對因此存在。當外在溫度升高、磁場增強到某臨界值時，會使古柏偶對遭到破壞，造成超導現象消失。(2.)反磁效應超導體的內部磁通量為零，磁力線無法進入超導體，這個性質又稱為「麥士那效應（Meissnereffect）」。這種現象產生的過程是：當超導體放入磁場中時，超導體和一般導體一樣會產生感應電流，而超導體的電阻為零，因此只要磁場存在，電流就能一直流動，此電流即為「屏蔽電流」。屏蔽電流在超導體周圍產生與外部磁場方向相反的磁場，因而阻擋外部磁場進入。磁浮現象即是由這個原理產生的，可應用在磁浮火車上。(3)約瑟夫穿隧效應(JosephsonEffects)若把兩個超導體中間夾一薄層的絕緣體，則絕緣層也會出現一微弱的超導電流，而能通電。而在兩超導體上施加某一定的電壓時，則能得到一甚強之共振電流。這就是約瑟夫效應，這是由兩分開的超導體中的超導電子相互合作產生的。這一個現象對磁場非常敏感，所以可以利用它來偵測磁場的變化。2-3.高溫超導體材料：1986年發現的高溫超導體，不同於以往的金屬或合金，它實際上是一種陶瓷。我們對陶瓷的印象不外乎是硬、脆、不導電，但在適當溫度下這些陶瓷卻能轉變為超導體，實在是令人驚訝。這類超導陶瓷的結構均非常複雜，且超導性能也深受這些結構的影響。超導電流在某一方向能夠流通，在另一個方向卻很難流通，這和其晶體結構有一定的關係。而科學家將這些超導陶瓷分為第一代和第二代。第一代超導陶瓷典型代表為鑭鋇銅氧超導體(LaBaCuO)，它是由IBM5 公司的研究員貝茲和幕勒發現的，也開啟此一鋇銅氧化合物超導體的時代。第一代超導的臨界溫度約在30K~50K左右，超導電流在圖中灰色平面流動。（位於八面體體心位置）第二代超導陶瓷中最著名的莫過於釔鋇銅氧(簡稱YBCO)超導體，它也是由吳茂昆博士發現的第一個臨界溫度超過液態氮的沸點——77K的超導體。它的結構如下圖，簡單的來說即是一個銅及五個氧所構成的金字塔構造排成層狀，層中有鋇，層間夾釔。其中銅離子扮演的角色極為重要，若將銅原子換掉則臨界溫度大幅下降。而圖中綠色的銅氧平面，在超導機制似乎有很重要的作用，科學家發現此平面上的氧容易脫落，而氧的脫落比例越低臨界溫度越高。超導電流則沿此平面流動，或沿底部的銅氧黃色平面流動。5 一.實驗儀器:YBCO超導體、熱電偶、伏特計、安培計、直流電源供應器(DCPOWERSUPPLY)、液態氮。二.實驗步驟：1.電源線接到電源供應器。2.接上伏特計。3.熱電偶接到伏特計上並校正。4.小心地將超導體浸入液態氮裡。5.當停止沸騰，仔細地將電流直條至0.5安培。6.記錄下溫度以及V1、V2的電壓差。7.讓液態氮緩慢地蒸發而使超導體逐漸暖化。8.當超導體暖化時，記錄下電壓和溫度的差值，電源供應器關掉，記錄下熱電差值9.銅金屬與矽晶片以同樣方式來量測並作圖。三.實驗結果：1.詳細紀錄實驗操作流程及注意事項。2.電阻和溫度的關係四.問題與討論：1.為何會有超導現象的產生？2.YBa2Cu3O7的臨界溫度是多少？3.列舉超導體的應用範圍（每種特性至少一種）？五.參考文獻：1.超導體的世界曾煥華編譯銀禾文化事業有限公司民國77年11月5 2.超導體的震撼歐陽鐘仁博士編譯禮記出版社民國76年11月3.超導體革命林振輝編譯牛頓文庫民國76年12月4.低溫、超導、磁浮何建民著台灣書局民國85年3月5.超導體應用工學賴耿陽編譯復漢出版社民國75年11月6.磁懸浮與磁力軸承賴耿陽編譯復漢出版社5