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超导

/superconductivity/
条目作者闻海虎

闻海虎

最后更新 2023-10-10
浏览 276
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属及其化合物材料中电子形成库珀对,然后发生量子凝聚的现象。

英文名称
superconductivity
所属学科
材料科学与工程

是一种宏观量子相干态,表现出有限温度下的零电阻特性和完全抗磁性,即迈斯纳效应。

1911年,荷兰莱顿的科学家H.开默林·昂内斯(Onnes)小组在测量水银汞的时候,发现电阻在4.2开突然下降到测量不出来,经过充分验证以后,他们宣布这是超导电性质。然而超导体不是仅仅具有理想导体的性质。1933年,德国物理学家W.迈斯纳(Meissner)和R.奥辛费尔德(Oschenfeld)发现超导体同时具有完全或无条件的抗磁能力。也就是说,对于超导体,无论是先让它进入超导态再加磁场,还是加磁场后再让它进入超导态,超导体总是把磁力线排斥在体外。这是电导率无穷大的金属所不具备的性质。这种现象说明,超导体除了要满足麦克斯韦(Maxwell)理论限制之外,还有新的约束,即后来发现的伦敦规范。

超导现象自发现到从微观角度理解,花费了46年时间。1957年,美国物理学家J.巴丁(Bardeen)、L.N.库珀(Cooper)、J.R.施里弗(Schrieffer)认识到部分金属中的电子之间通过交换虚声子,建立一定的吸引作用,形成束缚态,当然其前提是库仑排斥作用要被有效屏蔽掉。这个理论被称为BCS理论(以其发明者J.巴丁、L.N.库珀和J.R.施里弗的名字首字母命名),它有效地解释了超导体的能隙特征、比热、同位素效应、临界电流和临界磁场等,均被后来的实验所验证。所以BCS理论第一次从微观上认识到电子配对和凝聚的基本图像,于1972年获得诺贝尔物理学奖。20世纪50年代末,苏联科学家V.L.金兹堡(Vitaly Lazarevich Ginzburg)和A.A.阿布里科索夫(Abrikosov)从朗道的二级相变出发,假设超导态是一个更低能量的有序态,假定了超导序参量,并且写出在有磁场情况下的系统自由能。通过求变分的方法获得了两个联立方程,一个描述超导序参量在空间的变化,另外一个描述超导电流,或磁场在空间的变化。这个理论被称为金兹堡-朗道理论(GLtheory),它是描述超导体电磁特性更深入的理论,比原先的London方程的描述要丰富得多。阿布里科索夫从数学上解了GL方程,预言了第二类超导体中应该有单根磁通线和它们的点阵的出现,后来被实验直接观测到。GL理论预言了第二类超导体具有下临界磁场(破坏迈斯纳态的磁场)和上临界磁场(破坏库柏对的最高磁场)。而在下临界磁场和上临界磁场之间出现的是超导区域和磁通线的混合态。如果有效钉扎住磁通线,混合态仍然能够承载超导电流,因此使得超导体在不太损耗能量的情况下,能够产生强磁场。这使得医用的核磁成像得以大规模应用。2003年V.L.金兹堡和A.A.阿布里科索夫因为GL理论的创立及其应用,获得诺贝尔物理学奖。超导理论还包括后来发现的单电子隧道效应和约瑟夫森效应的理论,均于1972年获得诺贝尔物理学奖。单电子隧道效应是研究超导能隙和配对相互作用的理论基础;约瑟夫森效应在微弱磁场测量方面具有重要应用。

超导体发现已有100余年,近千种材料被发现具体超导现象。超导有很多奇特性质,因此有很多重要的,甚至是不可替代的应用。在化合物中常压下最高的超导转变温度是134开左右(HgBa2Ca2Cu3O8超导体),在高压下其超导转变温度可以达到164开。德国小组发现硫化氢材料(H2S)在200吉帕大气压下,可以出现临界温度204开左右的超导。普遍认为该材料中的超导仍然是电声子耦合造成的,而高压起到了稳定结构的作用,理论预言真正超导的相是演变成的硫氢化合物(H3S)超导相,实验也支持这个结论。硫化氢材料在高压下的超导是中国吉林大学的学者第一次通过理论计算预言的。超导材料有各种分类,包括单元素,化合物超导体等。化合物超导体中又有多种结构的二元、三元、四元和五元超导体。从基本性质上分为常规的电声子可以描述的超导体,以及不能用点声子图像描述的超导体,成为非常规超导体。铜氧化物、铁基和重费米子超导体被认为是非常规超导体。

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