大学物理素材-前沿浏览-超导

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1、第三章超导之谜超导现象及其主要特性一、什么是超导体到目前为止，科学家已发现某些金属（包括合金）、有机材料、陶瓷材料在一定的温度Tc以下，会出现零电阻的现象，我们称这些材料为超导体。同时，科学家们还发现，强磁场能破坏超导状态。每一种超导材料除了有一定的临界温度Tc外，还有一个临界磁场强度Hc，当外界磁场超过Hc时，即使用低于Tc的温度也不可能获得超导态。此外，在生物体中也发现有超导现象存在。ROT图3-1在Tc处，R陡降为0超导现象首先是由荷兰Leiden大学学者KamerlinghOnnes（卡末林·昂尼斯）在1911年发现的。早在1908年，Lei

2、den实验室就掌握了He（氦）气的液化技术，He在一个大气压下液化时，温度为4.2K，Onnes将这一低温技术成果用来研究Hg（水银）导线的电阻随温度变化的规律。他测得样品在温度为4.2K时，电阻骤降为零。当时，所有的理论都无法圆满地解释金属导体这种非零温下的零电阻效应。几乎经历了半个世纪，这个谜才得到解答。二、超导的主要特性超导现象有许多特性，其中最主要的有五个，即零电阻效应，完全抗磁性效应（Meissner效应），二级相变效应，单电子隧道效应，约瑟夫森（Josephson）效应。下面，将分别加以介绍。碰撞改变球的运动方向图3-2ABAB球A将它全

3、部的动能交给球B图3-31.零电阻效应零电阻是超导体的一个最基本的特性。图3-1是金属电阻与温度的关系曲线，在T>Tc时，R与T成直线关系。当温度降低时，这种线性关系会失去，从而出现偏离线性的情况。当T达到临界温度Tc时，电阻R突然变为零。由经典理论可知，金属中的电阻是由晶格热振动对自由电子定向漂移的散射所引起的。金属原子容易失去其外层电子而变成带正电的离子，这些离子在金属中有规则地呈周期性排列，形成晶格。在晶格中，正离子只能在平衡位置附近作热振动。当自由电子在外电场作用下进行定向运动时，自由电子各向同性的热运动与沿电场力方向的定向运动就叠加在一起，

4、称为定向漂移。定向漂移的电子将和作热振动的正离子发生碰撞。碰撞中，产生两个结果：一是自由电子在碰撞时把定向漂移的能量传给正离子，使正离子的热振动加剧；二是自由电子在碰撞中，改变了原运动方向，被称为散射。我们可以用日常观察到的碰撞来说明这种散射及能量交换效果。当你观察台球运动时，常会看到图3-2所示的情况：球A与球B碰撞后，改变了自己原来的运动方向。如果A、B两球的质量相等，且B球开始静止不动，则当A与B正碰时，球A将变为静止，球B则以A球的入射速度前进，如图3-3所示，球A将自己的运动能全部交给了球B。在金属中，正是类似的效果使自由电子的定向漂移受到

5、阻碍，通常讲的金属中的电阻指的就是这个意思。什么时候电阻才可能为零呢？按照经典理论，只有当温度T=0K，即为绝对零度时晶格才停止热振动，不再散射电子，电阻才为零，我们称此理论为零温零电阻论。在较高温度时，电阻与温度成直线关系，于是由经典理论应得到图3-4所示的R-T直线。显然用这条直线是无法解释超导的非零温零电阻现象的。图3-5量子理论的R-T曲线RT图3-4经典理论的R-T直线RR再看看量子理论能否解释。根据谐振子的量子理论，即使T=0K，晶格仍有零点振动能。因此，电阻不能为零。图3-5是按量子理论得到的R-T关系曲线，其中T=0K时R≠0；在T较

6、小时，。由此可见，量子理论也无法解释超导的非零温零电阻效应。2.完全抗磁性效应（Meissner效应）1933年，德国学者Meissner（迈斯纳）和Ochsenfeld（奥奇森菲尔德）观察到，磁场中的锡样品冷却为超导体时，能排斥磁场进入样品内部，这一现象称为完全抗磁性效应或Meissner效应。迈斯纳效应是超导体根本的特性。早期曾有人认为超导体是一种导电率等于无穷大的导体，即用纯电学的观点去看超导体。实际上，这种观点认为超导体与普通导体没有本质区别，其不同之处仅仅在于电导率的大小存在着差异而已，实验证明这种想法是不正确的。电学中有一个欧姆定律，它反

7、映了电压V，电流I和电阻R之间的关系：V=IR。如果用场的观点来表示，则欧姆定律有一定微分形式其中，j是电流密度矢量，E是电场强度，是电导率。此外，由电磁学的麦克斯韦方程可知，若将超导看成是的导体，于是在超导体中的磁场B应满足方程上式表明，超导体内的磁场B与时间t无关，或B不随时间改变，而完全由初始条件决定。即超导体内，如果t=0时，有磁场B，则以后磁场B的大小和方向皆不改变；如果t=0时，超导体内无磁场，则以后恒无磁场。根据以上的结论，我们可以设计两个实验，如图3-6所示，如果认为超导志体是的普通导体，则应出现图3-6（a）的结果，即超导体内有无磁

8、场，完全取决于初始条件，先冷却，后加磁场则超导体内无磁场；先加磁场，后冷却则超导体内有磁场。但实验结果表明图