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臨界參數(shù)
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超導(dǎo)體具有三個(gè)臨界參數(shù)：臨界轉(zhuǎn)變溫度Tc、臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度Hc、臨界電流密度Jc。當(dāng)超導(dǎo)體同時(shí)處于三個(gè)臨界條件內(nèi)時(shí)，才顯示出超導(dǎo)性。
（1）臨界轉(zhuǎn)變溫度Tc：當(dāng)溫度低于臨界轉(zhuǎn)變溫度Tc時(shí)，材料處于超導(dǎo)態(tài)；超過(guò)臨界轉(zhuǎn)變溫度Tc，超導(dǎo)體由超導(dǎo)態(tài)恢復(fù)為正常狀態(tài)。
（2）臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度Hc：當(dāng)外界磁場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度Hc時(shí)，超導(dǎo)體由超導(dǎo)體恢復(fù)為正常狀態(tài)。臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度Hc與溫度有關(guān)，關(guān)系式如下：
（3）臨界電流密度Jc：當(dāng)通過(guò)超導(dǎo)體的電流密度超過(guò)臨界電流密度Jc時(shí)，超導(dǎo)體由超導(dǎo)體恢復(fù)為正常狀態(tài)。臨界電流密度Jc與溫度、磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)。
理論解釋
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為闡明超導(dǎo)體的機(jī)理，科學(xué)家提出了多種理論，包括：1935年提出的，用于描述超導(dǎo)電流與弱磁場(chǎng)關(guān)系的London方程；1950~1953年提出的，用于完善London方程的Pippard理論；1950年提出的，用于描述超導(dǎo)電流與強(qiáng)磁場(chǎng)（接近臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度）關(guān)系的GL（Ginzburg-Landau）理論；1957年提出的，從微觀(guān)機(jī)制上解釋第一類(lèi)超導(dǎo)體的BCS（Bardeen-Cooper-Schrieffer）理論等。[4] [5] 其中比較重要的理論有BCS理論、GL理論。
BCS理論
BCS理論是以近自由電子模型為基礎(chǔ)，以弱電子－聲子相互作用為前提建立的理論。理論的提出者是巴�。↗.Bardeen）、庫(kù)珀（L.V.Cooper）、施里弗（J.R.Schrieffer）。
BCS理論認(rèn)為，金屬中自旋和動(dòng)量相反的電子可以配對(duì)形成庫(kù)珀對(duì)，庫(kù)珀對(duì)在晶格當(dāng)中可以無(wú)損耗的運(yùn)動(dòng)，形成超導(dǎo)電流。對(duì)于庫(kù)珀對(duì)產(chǎn)生的原因，BCS理論做出了如下解釋?zhuān)弘娮釉诰Ц裰幸苿?dòng)時(shí)會(huì)吸引鄰近格點(diǎn)上的正電荷，導(dǎo)致格點(diǎn)的局部畸變，形成一個(gè)局域的高正電荷區(qū)。這個(gè)局域的高正電荷區(qū)會(huì)吸引自旋相反的電子，和原來(lái)的電子以一定的結(jié)合能相結(jié)合配對(duì)。在很低的溫度下，這個(gè)結(jié)合能可能高于晶格原子振動(dòng)的能量，這樣，電子對(duì)將不會(huì)和晶格發(fā)生能量交換，沒(méi)有電阻，形成超導(dǎo)電流。
BCS理論很好地從微觀(guān)上解釋了第一類(lèi)超導(dǎo)體存在的原因，理論的提出者巴丁、庫(kù)珀、施里弗因此獲得1972年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。但BCS理論無(wú)法解釋第二類(lèi)超導(dǎo)體存在的原因，尤其是根據(jù)BCS理論得出的麥克米蘭極限溫度（超導(dǎo)體的臨界轉(zhuǎn)變溫度不能高于40K），早已被第二類(lèi)超導(dǎo)體突破。
GL理論
GL理論的提出是基于以下考慮：當(dāng)外界磁場(chǎng)強(qiáng)度接近超導(dǎo)體的臨近磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，超導(dǎo)體的電流不服從線(xiàn)性規(guī)律，且超導(dǎo)體的零點(diǎn)振動(dòng)能不可忽略。
GL理論的最大貢獻(xiàn)在于預(yù)見(jiàn)了第二類(lèi)超導(dǎo)體的存在。從GL理論出發(fā)，可以引出表面能κ的概念。當(dāng)超導(dǎo)體的表面能κ
時(shí)，為第一類(lèi)超導(dǎo)體；當(dāng)超導(dǎo)體的表面能κ
時(shí)，為第二類(lèi)超導(dǎo)體。[4]
分類(lèi)
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超導(dǎo)體的分類(lèi)方法有以下幾種：
（1）根據(jù)材料對(duì)于磁場(chǎng)的響應(yīng)：第一類(lèi)超導(dǎo)體和第二類(lèi)超導(dǎo)體。從宏觀(guān)物理性能上看，第一類(lèi)超導(dǎo)體只存在單一的臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度；第二類(lèi)超導(dǎo)體有兩個(gè)臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度值，在兩個(gè)臨界值之間，材料允許部分磁場(chǎng)穿透材料。從理論上看，如上文“理論解釋”中的GL理論所言，參數(shù)κ是劃分兩類(lèi)超導(dǎo)體的標(biāo)準(zhǔn)。
在已發(fā)現(xiàn)的元素超導(dǎo)體中，第一類(lèi)超導(dǎo)體占大多數(shù)，只有釩、鈮、锝屬于屬于第二類(lèi)超導(dǎo)體；但很多合金超導(dǎo)體和化合物超導(dǎo)體都屬于第二類(lèi)超導(dǎo)體。[6]
（2）根據(jù)解釋理論：傳統(tǒng)超導(dǎo)體（可以用BCS理論或其推論解釋?zhuān)┖头莻鹘y(tǒng)超導(dǎo)體（不能用BCS理論解釋?zhuān)?
（3）根據(jù)臨界溫度：高溫超導(dǎo)體和低溫超導(dǎo)體。高溫超導(dǎo)體通常指臨界溫度高于液氮溫度（大于77K）的超導(dǎo)體，低溫超導(dǎo)體通常指臨界溫度低于液氮溫度（小于77K）的超導(dǎo)體。
不同類(lèi)型的超導(dǎo)體
（4）根據(jù)材料類(lèi)型：元素超導(dǎo)體（如鉛和水銀）、合金超導(dǎo)體（如鈮鈦合金）、氧化物超導(dǎo)體（如釔鋇銅氧化物）、有機(jī)超導(dǎo)體（如碳納米管）。
發(fā)展史
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20世紀(jì)中前期
1911年，荷蘭科學(xué)家卡末林—昂內(nèi)斯用液氦冷卻汞，當(dāng)溫度下降到4.2K（﹣268.95℃）時(shí)，汞的電阻完全消失，卡末林將這種現(xiàn)象稱(chēng)為超導(dǎo)電性。卡末林因此獲得1913年諾貝爾獎(jiǎng)。
1933年，邁斯納和奧克森菲爾德兩位科學(xué)家發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體的完全抗磁性，后人稱(chēng)之為“邁斯納效應(yīng)”。
昂尼斯持久電流實(shí)驗(yàn)
從1954年3月16日始，到1956年9月5日止，為了證實(shí)超導(dǎo)體電阻為零，科學(xué)家將一個(gè)鉛制的圓環(huán)，放入溫度低于Tc=7.2K的空間，利用電磁感應(yīng)使環(huán)內(nèi)激發(fā)起感應(yīng)電流。在兩年半的時(shí)間內(nèi)的電流一直沒(méi)有衰減，這說(shuō)明圓環(huán)內(nèi)的電能沒(méi)有損失，當(dāng)溫度升到高于Tc時(shí)，圓環(huán)由超導(dǎo)狀態(tài)變正常態(tài)，材料的電阻驟然增大，感應(yīng)電流立刻消失，這就是著名的昂尼斯持久電流實(shí)驗(yàn)。
1962年，劍橋大學(xué)研究生約瑟夫森在理論上預(yù)言，電子能通過(guò)兩塊超導(dǎo)體之間薄絕緣層，在不到一年的時(shí)間內(nèi)，安德森和羅厄耳等人從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了約瑟夫森的預(yù)言。這一重要發(fā)現(xiàn)為超導(dǎo)體中電子對(duì)運(yùn)動(dòng)提供了證據(jù)，使對(duì)超導(dǎo)現(xiàn)象本質(zhì)的認(rèn)識(shí)更加深入。約瑟夫森效應(yīng)成為微弱電磁信號(hào)探測(cè)和其他電子學(xué)應(yīng)用的基礎(chǔ)。
20世紀(jì)70年代
1973年，發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)合金――鈮鍺合金，其臨界超導(dǎo)溫度為23.2K（﹣249.95℃），這一記錄保持了近13年。
20世紀(jì)80年代
1986年，繆勒和柏諾茲發(fā)現(xiàn)一種成分為鋇、鑭、銅、氧的陶瓷性金屬氧化物L(fēng)aBaCuO4具有高溫超導(dǎo)性，臨界溫度可達(dá)35K（﹣240.15℃）。由于陶瓷性金屬氧化物通常是絕緣物質(zhì)，因此這個(gè)發(fā)現(xiàn)的意義很大，繆勒和柏諾茲因此而榮獲了1987年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。此后，高溫超導(dǎo)的研究迅速發(fā)展。[9]
1986年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室研制出臨界超導(dǎo)溫度達(dá)40K（﹣235.15℃）的超導(dǎo)材料，打破液氫的“溫度壁壘”（40K）。
1987年，美國(guó)華裔科學(xué)家、休斯頓大學(xué)教授朱經(jīng)武以及中國(guó)科學(xué)家趙忠賢相繼研制出釔－鋇－銅－氧系材料，臨界超導(dǎo)溫度提高到90K（﹣185.15℃）以上，打破液氮的“溫度壁壘”（77K）。
1987年底，發(fā)現(xiàn)鉈－鋇－鈣－銅－氧系材料的臨界溫度達(dá)125K（﹣150.15℃）。從1986－1987年的短短一年多的時(shí)間里，臨界超導(dǎo)溫度提高了近100K。
1988年，日本日立制作所發(fā)現(xiàn)，汞系超導(dǎo)材料的臨界溫度達(dá)135K，在高壓條件下，其臨界溫度將能達(dá)到164K。
20世紀(jì)90年代
1991年3月，日本住友電氣工業(yè)公司展示了世界上第一個(gè)超導(dǎo)磁體。
1991年10月，日本原子能研究所和東芝公司共同研制成以鈮、錫化合物制作的核聚變堆用超導(dǎo)線(xiàn)圈。該線(xiàn)圈電流密度達(dá)到每平方毫米40安培，為過(guò)去的3倍多。
1992年，一個(gè)以巨型超導(dǎo)磁體為主的超導(dǎo)超級(jí)對(duì)撞機(jī)特大型設(shè)備，于美國(guó)得克薩斯州建成并投入使用，耗資超過(guò)82億美元。
超導(dǎo)磁流體推進(jìn)船
1992年1月27日，由日本船舶和海洋基金會(huì)建造的，第一艘采用超導(dǎo)磁流體推進(jìn)器的輪船——“大和”1號(hào)在日本神戶(hù)下水試航。
1996年，歐洲電纜巨頭皮雷利電纜公司、美國(guó)超導(dǎo)體公司和舊金山的電力研究所共同制成第一條地下高溫超導(dǎo)輸電電纜，電纜長(zhǎng)6000米，由纏繞鉍－鍶－鈣－銅－氧系超導(dǎo)材料的液氮空管制成。
1999年，德國(guó)普朗克研究所的Bernhard等人發(fā)現(xiàn)，釕銅化合物RuSr2GdCu2O8-δ同時(shí)具有超導(dǎo)性和鐵磁有序性，其超導(dǎo)臨界溫度為15~40K，鐵磁性轉(zhuǎn)變溫度為133~136K。[10] 由于該化合物同時(shí)具有超導(dǎo)性和鐵磁有序性，在計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)上有較大應(yīng)用潛力。
21世紀(jì)初
2004年1月29日，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院和美國(guó)科羅拉多大學(xué)的科學(xué)家組成的聯(lián)合研究小組提出一種新的物質(zhì)形態(tài)——費(fèi)米子凝聚態(tài)（fermionic condensate），并預(yù)言它將幫助人類(lèi)做出下一代超導(dǎo)體。
2006年，日本東京工業(yè)大學(xué)細(xì)野秀雄（Hideo Hosono）教授合成以鐵為超導(dǎo)主體的化合物L(fēng)aFeOP，開(kāi)創(chuàng)了對(duì)鐵基超導(dǎo)體的研究。
2012年9月，德國(guó)萊比錫大學(xué)發(fā)現(xiàn)石墨顆粒能在室溫下表現(xiàn)出超導(dǎo)性。
研究趨勢(shì)
編輯
銅氧超導(dǎo)體
銅氧超導(dǎo)體是最早發(fā)現(xiàn)的高溫超導(dǎo)體，20世紀(jì)八十年代繆勒、柏諾茲合成的鋇－鑭－銅－氧系高溫超導(dǎo)體和朱經(jīng)武、趙忠賢合成的釔－鋇－銅－氧系高溫超導(dǎo)體均屬于此范疇。
釔－鋇－銅－氧超導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)
銅氧超導(dǎo)體包括90K的稀土系，110K的鉍系，125K的鉈系，135K的汞系超導(dǎo)體。它們都含有銅和氧，因此稱(chēng)為銅氧超導(dǎo)體。銅氧超導(dǎo)體具有相似的層狀結(jié)晶結(jié)構(gòu)，其中銅氧層是超導(dǎo)層。
目前，對(duì)銅氧超導(dǎo)體的研究呈現(xiàn)以下趨勢(shì)：首先，銅氧超導(dǎo)體已經(jīng)較為成熟，如由鉈－鋇－鈣－銅－氧超導(dǎo)薄膜制成的裝置，已應(yīng)用于移動(dòng)電話(huà)的發(fā)射塔，以增加容量，減少斷線(xiàn)和外界干擾。[12] 其次，銅氧超導(dǎo)體的基礎(chǔ)研究處在瓶頸階段，轉(zhuǎn)變溫度一直以來(lái)不能突破164K。再次，對(duì)銅氧超導(dǎo)體的機(jī)理研究有所進(jìn)展，如2002年，德國(guó)、法國(guó)和俄羅斯的科學(xué)家利用中子散射技術(shù)，在單銅氧層Tl2Ba2CuO6+δ中觀(guān)察到磁共振，有助于對(duì)探明銅氧化物超導(dǎo)體的機(jī)理。[13]
鐵基超導(dǎo)體
自從2006年發(fā)現(xiàn)鐵基超導(dǎo)體以來(lái)，對(duì)鐵基超導(dǎo)體日趨深入，比較突出的成果有：2008年，日本科學(xué)家細(xì)野秀雄發(fā)現(xiàn)摻雜F的LaFeOP超導(dǎo)體具有26K的臨界溫度；2008年，中國(guó)科學(xué)家趙忠賢、陳仙輝、王楠林、聞�；ⅰ⒎街野l(fā)現(xiàn)臨界溫度達(dá)43K的SmFeAs1-xFx超導(dǎo)體和臨界溫度達(dá)55K的ReFeAs1-xFx超導(dǎo)體，在鐵基超導(dǎo)體的領(lǐng)域首次突破40K的麥克米蘭極限溫度。
鐵基超導(dǎo)體之所以受到關(guān)注，原因有兩點(diǎn)：其一，F(xiàn)e離子是磁性離子，打破了磁性離子不利于超導(dǎo)的觀(guān)點(diǎn)，為探索新的超導(dǎo)體提供了一種思路；其二，類(lèi)似于銅氧超導(dǎo)體，鐵基超導(dǎo)體也存在強(qiáng)的電子與自旋相互作用，對(duì)探明高溫超導(dǎo)機(jī)理有參考價(jià)值。[14]
硼化鎂超導(dǎo)體
2001年1月，日本青山學(xué)院大學(xué)J.Akimitsu教授等人首次發(fā)現(xiàn)MgB2具有超導(dǎo)電性，其臨界溫度約為39K。
雖然MgB2的臨界溫度較低，但與銅氧超導(dǎo)體、鐵基超導(dǎo)體相比，仍有很多優(yōu)勢(shì)，包括：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制備；原料來(lái)源廣泛、成本較低；易于加工。尤其是易于加工的特性，成為MgB2的重要優(yōu)勢(shì)。因?yàn)榫哂懈吲R界溫度的銅氧超導(dǎo)體本質(zhì)上屬于陶瓷材料，陶瓷材料硬度大，加工困難，成為制約銅氧超導(dǎo)體發(fā)展的一個(gè)因素，MgB2超導(dǎo)體可以彌補(bǔ)這一不足。
應(yīng)用
編輯
超導(dǎo)體的應(yīng)用可分為三類(lèi)：強(qiáng)電應(yīng)用、弱電應(yīng)用和抗磁性應(yīng)用。強(qiáng)電應(yīng)用即大電流應(yīng)用，包括超導(dǎo)發(fā)電、輸電和儲(chǔ)能；弱電應(yīng)用即電子學(xué)應(yīng)用，包括超導(dǎo)計(jì)算機(jī)、超導(dǎo)天線(xiàn)、超導(dǎo)微波器件等；抗磁性應(yīng)用主要包括磁懸浮列車(chē)和熱核聚變反應(yīng)堆等。
強(qiáng)電應(yīng)用
超導(dǎo)發(fā)電機(jī)：目前，超導(dǎo)發(fā)電機(jī)有兩種含義。一種含義是將普通發(fā)電機(jī)的銅繞組換成超導(dǎo)體繞組，以提高電流密度和磁場(chǎng)強(qiáng)度，具有發(fā)電容量大、體積小、重量輕、電抗小、效率高的優(yōu)勢(shì)。[15] 另一種含義是指超導(dǎo)磁流體發(fā)電機(jī)，磁流體發(fā)電機(jī)具有效率高、發(fā)電容量大等優(yōu)點(diǎn)，但傳統(tǒng)磁體在發(fā)電過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很大的損耗，而超導(dǎo)磁體自身?yè)p耗小，可以彌補(bǔ)這一不足。
超導(dǎo)輸電電纜
超導(dǎo)輸電：由超導(dǎo)材料制作的超導(dǎo)電線(xiàn)和超導(dǎo)變壓器，可以把電力幾乎無(wú)損耗地輸送給用戶(hù)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，用銅或鋁導(dǎo)線(xiàn)輸電，約有15%的電能損耗在輸電線(xiàn)路上，光是在中國(guó)，每年的電力損失即達(dá)1000多億度。若改為超導(dǎo)輸電，節(jié)省的電能相當(dāng)于新建數(shù)十個(gè)大型發(fā)電廠(chǎng)。
弱電應(yīng)用
超導(dǎo)計(jì)算機(jī)：高速計(jì)算機(jī)要求集成電路芯片上的元件和連接線(xiàn)密集排列，但密集排列的電路在工作時(shí)會(huì)發(fā)生大量的熱，而散熱是超大規(guī)模集成電路面臨的難題。超導(dǎo)計(jì)算機(jī)中的超大規(guī)模集成電路，其元件間的互連線(xiàn)用接近零電阻和超微發(fā)熱的超導(dǎo)器件來(lái)制作，不存在散熱問(wèn)題，同時(shí)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度大大提高。此外，科學(xué)家正研究用半導(dǎo)體和超導(dǎo)體來(lái)制造晶體管，甚至完全用超導(dǎo)體來(lái)制作晶體管。
抗磁性應(yīng)用
磁懸浮列車(chē)
超導(dǎo)磁懸浮列車(chē)：利用超導(dǎo)材料的抗磁性，將超導(dǎo)材料放在一塊永久磁體的上方，由于磁體的磁力線(xiàn)不能穿過(guò)超導(dǎo)體，磁體和超導(dǎo)體之間會(huì)產(chǎn)生排斥力，使超導(dǎo)體懸浮在磁體上方。利用這種磁懸浮效應(yīng)可以制作高速超導(dǎo)磁懸浮列車(chē)。
全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置
核聚變反應(yīng)堆“磁封閉體”：核聚變反應(yīng)時(shí)，內(nèi)部溫度高達(dá)1億～2億攝氏度，沒(méi)有任何常規(guī)材料可以包容這些物質(zhì)。而超導(dǎo)體產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)可以作為“磁封閉體”，將熱核反應(yīng)堆中的超高溫等離子體包圍、約束起來(lái)，然后慢慢釋放，從而使受控核聚變能源成為21世紀(jì)前景廣闊的新能源
