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超導(dǎo)體
編輯
超導(dǎo)體（英文名：superconductor），又稱為超導(dǎo)材料，指在某一溫度下，電阻為零的導(dǎo)體。在實(shí)驗(yàn)中，若導(dǎo)體電阻的測量值低于10-25Ω，可以認(rèn)為電阻為零。[1]
超導(dǎo)體不僅具有零電阻的特性，另一個(gè)重要特征是完全抗磁性。
人類最初發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體是在1911年，這一年荷蘭科學(xué)家海克·卡末林·昂內(nèi)斯（Heike Kamerlingh Onnes）等人發(fā)現(xiàn)，汞在極低的溫度下，其電阻消失，呈超導(dǎo)狀態(tài)。此后超導(dǎo)體的研究日趨深入，一方面，多種具有實(shí)用潛力的超導(dǎo)材料被發(fā)現(xiàn)，另一方面，對超導(dǎo)機(jī)理的研究也有一定進(jìn)展。
目前，超導(dǎo)體已經(jīng)進(jìn)行了一系列試驗(yàn)性應(yīng)用，并且開展了一定的軍事、商業(yè)應(yīng)用，在通信領(lǐng)域可以作為光子晶體的缺陷材料。
中文名超導(dǎo)體外文名superconductor發(fā)現(xiàn)者海克·卡末林·昂內(nèi)斯發(fā)現(xiàn)時(shí)間1911年所屬學(xué)科物理學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域電子電氣、材料科學(xué) 等
目錄
背景
編輯
超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)與低溫研究密不可分。在18世紀(jì)，由于低溫技術(shù)的限制，人們認(rèn)為存在不能被液化的“永久氣體”，如氫氣、氦氣等。1898年，英國物理學(xué)家杜瓦制得液氫。1908年，荷蘭萊頓大學(xué)萊頓低溫實(shí)驗(yàn)室的卡末林·昂內(nèi)斯教授成功將最后一種“永久氣體”——氦氣液化，并通過降低液氦蒸汽壓的方法，獲得1.15~4.25K的低溫。[2] 低溫研究的突破，為超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。
在19世紀(jì)末20世紀(jì)初，對金屬的電阻在絕對零度附近的變化情況，有不同的說法。一種觀點(diǎn)認(rèn)為純金屬的電阻應(yīng)隨溫度的降低而降低，并在絕對零度時(shí)消失。另一種觀點(diǎn)，以威廉·湯姆遜（開爾文男爵）為代表，認(rèn)為隨著溫度的降低，金屬的電阻在達(dá)到一極小值后，會由于電子凝聚到金屬原子上而變?yōu)闊o限大。
1911年2月，掌握了液氦和低溫技術(shù)的卡末林·昂尼斯發(fā)現(xiàn)，在4.3K以下，鉑的電阻保持為一常數(shù)，而不是通過一極小值后再增大。因此卡末林·昂尼斯認(rèn)為純鉑的電阻應(yīng)在液氦溫度下消失。為了驗(yàn)證這種猜想，卡末林·昂尼斯選擇了更容易提純的汞作為實(shí)驗(yàn)對象。首先，卡末林·昂尼斯將汞冷卻到零下40℃，使汞凝固成線狀；然后利用液氦將溫度降低至4.2K附近，并在汞線兩端施加電壓；當(dāng)溫度稍低于4.2K時(shí)，汞的電阻突然消失，表現(xiàn)出超導(dǎo)狀態(tài)。
基本特性
編輯
超導(dǎo)體具有三個(gè)基本特性：完全電導(dǎo)性、完全抗磁性、通量量子化。
完全導(dǎo)電性
完全電導(dǎo)性又稱零電阻效應(yīng)，指溫度降低至某一溫度以下，電阻突然消失的現(xiàn)象。
完全電導(dǎo)性適用于直流電，超導(dǎo)體在處于交變電流或交變磁場的情況下，會出現(xiàn)交流損耗，且頻率越高，損耗越大。[1] 交流損耗是超導(dǎo)體實(shí)際應(yīng)用中需要解決的一個(gè)重要問題，在宏觀上，交流損耗由超導(dǎo)材料內(nèi)部產(chǎn)生的感應(yīng)電場與感生電流密度不同引起；在微觀上，交流損耗由量子化磁通線粘滯運(yùn)動引起 。交流損耗是表征超導(dǎo)材料性能的一個(gè)重要參數(shù)，如果交流損耗能夠降低，則可以降低超導(dǎo)裝置的制冷費(fèi)用，提高運(yùn)行的穩(wěn)定性。[3]
完全抗磁性
邁斯納效應(yīng)(2張)
完全抗磁性又稱邁斯納效應(yīng)，“抗磁性”指在磁場強(qiáng)度低于臨界值的情況下，磁力線無法穿過超導(dǎo)體，超導(dǎo)體內(nèi)部磁場為零的現(xiàn)象，“完全”指降低溫度達(dá)到超導(dǎo)態(tài)、施加磁場兩項(xiàng)操作的順序可以顛倒。完全抗磁性的原因是，超導(dǎo)體表面能夠產(chǎn)生一個(gè)無損耗的抗磁超導(dǎo)電流，這一電流產(chǎn)生的磁場，抵消了超導(dǎo)體內(nèi)部的磁場。
超導(dǎo)體電阻為零的特性為人們所熟知，但超導(dǎo)體并不等同于理想導(dǎo)體。從電磁理論出發(fā)，可以推導(dǎo)出如下結(jié)論：若先將理想導(dǎo)體冷卻至低溫，再置于磁場中，理想導(dǎo)體內(nèi)部磁場為零；但若先將理想導(dǎo)體置于磁場中，再冷卻至低溫，理想導(dǎo)體內(nèi)部磁場不為零。對于超導(dǎo)體而言，降低溫度達(dá)到超導(dǎo)態(tài)、施加磁場這兩種操作，無論其順序如何，超導(dǎo)體超導(dǎo)體內(nèi)部磁場始終為零，這是完全抗磁性的核心，也是超導(dǎo)體區(qū)別于理想導(dǎo)體的關(guān)鍵。[4]
通量量子化
通量量子化又稱約瑟夫森效應(yīng)，指當(dāng)兩層超導(dǎo)體之間的絕緣層薄至原子尺寸時(shí)，電子對可以穿過絕緣層產(chǎn)生隧道電流的現(xiàn)象，即在超導(dǎo)體（superconductor）—絕緣體（insulator）—超導(dǎo)體（superconductor）結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生超導(dǎo)電流。
約瑟夫森效應(yīng)
約瑟夫森效應(yīng)分為直流約瑟夫森效應(yīng)和交流約瑟夫森效應(yīng)。直流約瑟夫森效應(yīng)指電子對可以通過絕緣層形成超導(dǎo)電流。交流約瑟夫森效應(yīng)指當(dāng)外加直流電壓達(dá)到一定程度時(shí)，除存在直流超導(dǎo)電流外，還存在交流電流，將超導(dǎo)體放在磁場中，磁場透入絕緣層，超導(dǎo)結(jié)的最大超導(dǎo)電流隨外磁場大小作有規(guī)律的變化。
