2.傳統(tǒng)超導(dǎo)體的微觀機(jī)制(BCS理論）1957年，由巴丁(Bardeen)、庫柏(Cooper)和施里弗(Schrieffer)發(fā)表了經(jīng)典性文章才確立了超導(dǎo)電性量子理論的基礎(chǔ)，通常稱為BCS理論（1972年諾貝爾物理獎）。（1）電子-電子有效吸引作用發(fā)射和吸收虛聲子：發(fā)射和吸收虛聲子只不過是電子間通過晶格畸變發(fā)生相互作用1956年庫柏證明了：在費(fèi)米面附近的兩個電子，如果存在相互吸引作用(不管多么微弱)，它們將形成一個束縛態(tài)，其能量(動能+勢能)小于2總波矢K≈0的電子對的相互散射作用(以聲子為媒介)起著主導(dǎo)作用.由于泡利不相容原理限制自旋平行的電子在空間靠攏，而自旋相反的電子則可以在空間靠攏發(fā)生相互散射（2）電子庫柏對在費(fèi)米面附近的電子，在交換聲子所引起的吸引力作用下，按相反的動量和自旋兩兩結(jié)合成電子對(k↑,-k↓)。這樣的電子對稱為庫柏對。在超導(dǎo)體的基態(tài)，動量相反的電子形成庫柏電子對，沒有電流流動。當(dāng)超導(dǎo)體處于載流的超導(dǎo)態(tài)時，每個庫柏對的總動量不再為零。這時，庫柏對都具有同一動量，表示成所以在載流態(tài)，超導(dǎo)體中的電子在k空間的分布整體移動

在超導(dǎo)體中，組成庫柏對的電子不斷的相互散射，但在散射過程中總動量不變，所以電流沒有變化。只有使庫柏對分裂才有可能改變載流子的總動量。但是庫柏對分裂所需要的最小能量是2Δ，在電流密度較低時，無法提供這樣的能量，所以沒有電阻。這就是零電阻現(xiàn)象。在載流狀態(tài)時，電子整體運(yùn)動的動量為,同不載流的超導(dǎo)態(tài)相比，動能增加了，當(dāng)附加的能量超過能隙時，引起總動量變化(即導(dǎo)致庫柏對分裂)的散射就可以發(fā)生，這意味著存在臨界電流密度，即電流密度超過超過該臨界值，超導(dǎo)態(tài)就會變?yōu)檎B(tài)，從而出現(xiàn)電阻。（3）BCS理論的主要結(jié)論超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度

超導(dǎo)能隙

可以解釋同位素效應(yīng)超導(dǎo)凝聚能臨界磁場

四、約瑟夫?qū)O((Josephson)效應(yīng)1.超導(dǎo)體和正常金屬S-I-M結(jié)2.兩個相同超導(dǎo)體間的隧道效應(yīng)3.約瑟夫?qū)O效應(yīng)約瑟夫?qū)O從微觀理論得到的方程。它是描述約瑟夫?qū)O量子干涉效應(yīng)的基礎(chǔ)。(1)直流約瑟夫?qū)O效應(yīng)外電壓V=0時，

表明電流能夠穿過絕緣層并不引起電壓降。夾在兩塊超導(dǎo)體之間的絕緣層好像也具有了超導(dǎo)電性。約瑟夫?qū)O預(yù)言了這一現(xiàn)象幾個月之后，安德森(P.W.Anderson)和洛韋爾(J.M.Rowell)測量了約瑟夫?qū)O結(jié)的電流-電壓特性，證實(shí)了這一預(yù)言。a.當(dāng)結(jié)兩端施加恒定電壓V，則兩側(cè)的波函數(shù)位相差為(2)交流約瑟夫森效應(yīng)超導(dǎo)電流密度為當(dāng)直流電壓加在約瑟夫?qū)O結(jié)兩端時，就會有頻率為交流電產(chǎn)生。超導(dǎo)電流密度為b.用頻率為ω1的微波輻射處于直流電壓V的約瑟夫?qū)O結(jié)，此時結(jié)兩端的電壓為出現(xiàn)臺階這是由于交變的超導(dǎo)電流，自身產(chǎn)生的電磁場對該交變電流進(jìn)行頻率調(diào)制，從而產(chǎn)生直流分量的結(jié)果。這種臺階通常被稱為自感臺階或菲斯克臺階。菲斯克的實(shí)驗(yàn)為約瑟夫森理論預(yù)言的正確性提供了有力的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

由兩個約瑟夫?qū)O結(jié)用超導(dǎo)通路并聯(lián)組成的環(huán)結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)稱為超導(dǎo)量子干涉器，簡稱SQUID(由superconductingQuantumInterferenceDevice縮寫而成)4.超導(dǎo)量子干涉器

沒有外磁場時，約瑟夫?qū)O的結(jié)面上各點(diǎn)的超導(dǎo)電子波函數(shù)的位相是一樣的。加磁場后，結(jié)平面各點(diǎn)上的波函數(shù)位相不一樣了。通過這些位置的超導(dǎo)電流也有不同的位相，這些通過不同位置的超導(dǎo)電流是相干的。它們迭加起來得到衍射的結(jié)果，如圖8.23所示。當(dāng)外磁場垂直于環(huán)面也就是平行于結(jié)面時，總電流為分辨率高達(dá)10-11～10-13特斯拉用超導(dǎo)量子干涉器件能制成精度極高的超導(dǎo)磁強(qiáng)計(jì)，它能測量弱到10－15T的磁場。因而具有廣泛的用途。例如：利用超導(dǎo)磁強(qiáng)計(jì)可以進(jìn)行腦磁場的測量與分析（人腦磁場為10－12－10－13T，能完全無害的從頭外記錄大腦活動的磁信號；也可以用來監(jiān)視以及的活動和功能（人體的心磁場為10－10T），從而可以獲得清晰度與現(xiàn)代醫(yī)學(xué)上用的心電圖相近的心磁圖；還可以用于大地測量，潛艇探測等。約瑟夫?qū)O效應(yīng)除了可以做成SQUID外，有很多用途。例如：結(jié)兩端的電壓在超導(dǎo)態(tài)為零，在正常態(tài)為V，這兩個不同的狀態(tài)可以表示0和1，從而可以做計(jì)算機(jī)元件，這兩個態(tài)之間的轉(zhuǎn)換只需8×10－8秒，用它組成的雙穩(wěn)態(tài)的翻轉(zhuǎn)時間比用晶體管的要小得多，日本早在1989年研制出第一臺約瑟夫森計(jì)算機(jī)，運(yùn)算速度就達(dá)10億次，功耗公為普通計(jì)算機(jī)的千分之一。五、高TC氧化物超導(dǎo)體

1.高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)1986年4月，由于瑞士物理學(xué)家繆勒(K.A.Müller)和聯(lián)邦德國物理學(xué)家柏諾茲(J.G.Bednorz)發(fā)表了他們的杰出工作，他們宣布了一種鋇-鑭-銅-氧的四元氧化物超導(dǎo)體中觀察到了高于30K的轉(zhuǎn)變溫度，可能是一種新的超導(dǎo)體。為了表彰繆勒和柏諾茲在超導(dǎo)方面的杰出貢獻(xiàn)，1987年10月14日，瑞典皇家科學(xué)院宣布，將1987年度的諾貝爾物理學(xué)獎授予繆勒和柏諾茲。

圖8-261986年12月15日，美國休斯頓大學(xué)的朱經(jīng)武等人在論文中報(bào)告，他們在La-Ba-Cu-O系統(tǒng)中，發(fā)現(xiàn)了40.2K的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變。1986年12月30日，美國的朱經(jīng)武等人在送交《科學(xué)》雜志的論文中報(bào)告，他們在La-Ba-Cu-O系統(tǒng)中又觀察到了52.5K的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變。12月26日，中國科學(xué)院物理研究所的科學(xué)家宣布，獲得了轉(zhuǎn)變溫度為48.6K的超導(dǎo)材料，并對少數(shù)樣品在70K左右觀察到有超導(dǎo)跡象。樣品是Sr-La-Cu-O，70K左右出現(xiàn)超導(dǎo)跡象的樣品是Ba-La-Cu-O。1987年2月24日，中國科學(xué)院舉行中外記者新聞發(fā)布會，宣布中國科學(xué)院物理研究所趙忠賢、陳立泉等13名研究人員，獲得了液氮溫區(qū)的超導(dǎo)體，并公布了材料的成分是Y-Ba-Cu-O。起始轉(zhuǎn)變溫度在100K以上，出現(xiàn)零電阻的溫度是78.5K。就這樣，人們終于實(shí)現(xiàn)了獲得液氮溫區(qū)超導(dǎo)體的多年夢想。1988年12月，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)報(bào)道了(BiPbSb)SrCaCuO的零電阻轉(zhuǎn)變溫度為132K。1988年2月18日，日本科學(xué)技術(shù)廳金屬材料研究所制備出了不含釔的非稀土類新體系(Bi-Sr-Ca-Cu-O)高溫超導(dǎo)體.1988年3月4日，日本科學(xué)技術(shù)廳金屬材料研究所和中國北京大學(xué)幾乎同時制出零電阻溫度達(dá)92K～93K的Y-Ba-Cu-O超導(dǎo)體。1987年2月，美國國家科學(xué)基金會正式宣布，朱經(jīng)武領(lǐng)導(dǎo)的由阿拉巴馬和休斯頓大學(xué)組成的實(shí)驗(yàn)小組，在高達(dá)92K時，觀察到起始轉(zhuǎn)變，樣品的成份是Y-Ba-Cu-O。2.我校在高溫超導(dǎo)研究中的貢獻(xiàn)●1987年建立國家超導(dǎo)攻關(guān)小組，撥?？钯Y助。首席科學(xué)家：甘子釗院士成員單位：中科院、北大、清華、中南工大，……等17個單位?！裰心瞎ご蠊リP(guān)組，組長：左鐵鏞。成員單位：粉冶所：織構(gòu)生長（黃培云院士，李度成）材料系：絲材制備（左鐵鏞，金展鵬，王尉國）物理系：電磁性能（韋欽，蔡建國）化學(xué)系：晶體結(jié)構(gòu)（高孝恢）我校取得的成果超導(dǎo)溫度緊跟國際先進(jìn)水平。用金屬氧化物粉末成功制備了具有一定柔性和彈性的絲材。國內(nèi)首創(chuàng)。（左鐵鏞，王尉國）復(fù)合YBCO（摻Pb,Sn,F)臨界溫度達(dá)到110K以上，臨界電流密度提高4個數(shù)量級，獲得國家發(fā)明專利（韋欽，蔡建國）1990年，全國第二屆青年高溫超導(dǎo)學(xué)術(shù)研討會在中南工大召開，得到國家攻關(guān)組（甘子釗院士、趙忠賢）的好評，提高了學(xué)校的知名度。主要組織者：王尉國，蔡建國，李度成3.高溫超導(dǎo)體的特征：①晶體結(jié)構(gòu)具有的低維特點(diǎn)，三個晶格常數(shù)往往相差3～4倍；②輸運(yùn)系數(shù)(電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率等)具有明顯的各向異性；③磁場穿透深度遠(yuǎn)大于相干長度，是第二類超導(dǎo)體；④載流子濃度低，且多為空穴型導(dǎo)電；⑤同位素效應(yīng)不明顯；⑥邁斯納效應(yīng)不完全；⑦隧道實(shí)驗(yàn)表明有能隙存在，且為庫柏型配對。3.高溫超導(dǎo)體的特征

4種典型的高TC氧化物系列，即

La-Sr-Cu-O(TC,35K);

Y-Ba-Cu-O(TC,90K);

Bi-Sr-Ca-Cu-O(TC,80K);

Tl-Ba-Ca-Cu-O(TC,120K)。目前，這種超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變溫度已經(jīng)達(dá)到130K左右。持續(xù)電流的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在超導(dǎo)態(tài)時電阻率低于10-18Ωcm。此外，在大多數(shù)的高溫氧化物超導(dǎo)體中，都發(fā)現(xiàn)了邁斯納效應(yīng)。利用隧道技術(shù)和紅外吸收的方法，已經(jīng)觀察到氧化物超導(dǎo)體的電子能譜中存在能隙，而且表明是庫柏型的配對。熱電勢和霍耳系數(shù)的測量表明，載流子是空穴型的。臨界磁場的測量結(jié)果表明，所有高溫氧化物超導(dǎo)體都是第二類超導(dǎo)體。一般來說，對Y-Ba-Cu-O系統(tǒng)，BCS相干長度約為1.4nm，倫敦穿透深度約為200nm。幾種氧化物超導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)La2CuO4的晶體結(jié)構(gòu)YBa2Cu3O7-δ的晶體結(jié)構(gòu)4.超導(dǎo)態(tài)的性質(zhì)1.庫柏對（1）直流約瑟夫?qū)O效應(yīng)（2）穿透深度BCS理論實(shí)驗(yàn)結(jié)果（3）磁通量子化。

L.Gammel等在1987年用綴飾法觀察的磁通線格子，可以辨識這格子具有三角點(diǎn)陣的特征。據(jù)此計(jì)算得到每根磁通線是一個磁通量子這比值大于s波配對的比值3.53大，但仍比實(shí)驗(yàn)值小。目前的實(shí)驗(yàn)是支持在高溫超導(dǎo)體中存在d波配對。（4）能隙對于Bi2Sr2CaCu2O8+δ,其Tc為85K，d波配對BCS理論S波配對六、超導(dǎo)的應(yīng)用

Applicationsofsuperconductor

（1）超導(dǎo)線材NbTi低溫超導(dǎo)線材

超導(dǎo)線材相比于一般線材的不同在于沒有能量的消耗。1.超導(dǎo)材料最細(xì)的超導(dǎo)線材科學(xué)家作出了目前已知最細(xì)的超導(dǎo)線，線寬約為10nm。

當(dāng)超導(dǎo)線寬越來越細(xì)的時候，超導(dǎo)的性質(zhì)會越來越差。最長的超導(dǎo)線材高溫超導(dǎo)傳輸線目前最長為1500m,如果用戶需要長度更長的產(chǎn)品,如2至3km,也可以滿足(100m即可實(shí)際應(yīng)用)。材料：Bi-2223）臨界電流Ic(77K，自場)≥110A,線材寬度4.2±0.1mm線材厚度0.23±0.01mm最大拉伸應(yīng)力(5%Ic衰減)

100MPa最小彎曲半徑(5%Ic衰減)30mm北京英納超導(dǎo)技術(shù)有限公司生產(chǎn)的高電流密度線材高溫超導(dǎo)傳輸電纜

由于低溫的需求，超導(dǎo)線材必須有平行的液氮管道保持冷卻，液氮在定點(diǎn)的區(qū)間內(nèi)循環(huán)，難免的，氣化的部分需要再進(jìn)行液化，這些困難都可以解決，但經(jīng)濟(jì)效益大為降低！超導(dǎo)電纜的測試

十萬伏的高壓電必須高架或是深埋地底，并以介電材料覆蓋，減少對環(huán)境安全的負(fù)面效應(yīng)。超導(dǎo)輸電線可用大電流、低電壓，沒有這方面的顧慮而且節(jié)省能源，有利于環(huán)保。

日本超導(dǎo)工學(xué)研究所于2003年1月20日宣布，他們用高溫超導(dǎo)磁鐵成功造出了世界最強(qiáng)的磁場。將形如永磁體的超導(dǎo)磁鐵冷卻到絕對溫度77K（零下196攝氏度），就能產(chǎn)生強(qiáng)度為3.3特斯拉的磁場，為永磁體10倍的超強(qiáng)磁場，

研究開發(fā)出的這種高溫超導(dǎo)磁鐵是將具有超導(dǎo)性質(zhì)的釔化合物和不具超導(dǎo)性質(zhì)的釔化合物混合制作而成的。在丙銅中將不具超導(dǎo)性質(zhì)的化合物粉碎成細(xì)小顆粒，并分散成只有數(shù)百納米的微粒子，然后用濃度僅為1%的低氧對其進(jìn)行分壓、溶化和凝固，最后從外部加入磁場，制成磁鐵。將這樣制作而成的兩個直徑5厘米的高溫超導(dǎo)磁鐵重合起來，然后測定成為磁場性能指標(biāo)的磁束密度，結(jié)果在絕對溫度為77K的狀態(tài)下，測出了強(qiáng)度為3.3特斯拉。（2）超導(dǎo)磁鐵2.超導(dǎo)發(fā)電機(jī)

AdvantageofSCGeneratorHigherEfficiencyLowerweightandvolume傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)與超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的比較可測地球磁場的十億分之一軍事勘探醫(yī)學(xué)…….超導(dǎo)量子干涉器(SQUID)3.超導(dǎo)在弱電磁測量方面的應(yīng)用

4.超導(dǎo)磁懸浮列車磁浮列車的優(yōu)點(diǎn)：(1)省能源(2)低噪音(3)高速:(550km/hr)

真空中(1600km/hr)日本Yamanachi(山梨線)磁浮列車超導(dǎo)體會排斥磁場，這使得小的永久磁鐵能漂浮在大塊高溫超導(dǎo)體上。

上海磁懸浮列車超導(dǎo)磁懸浮列車-推進(jìn)原理:

被安裝在軌道兩旁墻上的推進(jìn)線圈是由變電所所提供之三相交變電流，產(chǎn)生變的磁場，使得軌道兩旁之推進(jìn)線圈的電流一正一反不斷地流動，車上裝備的超導(dǎo)磁鐵(低溫超導(dǎo)線圈)便會受到推進(jìn)線圈產(chǎn)生的變換磁場有著連續(xù)的吸引力與推進(jìn)力，速度的調(diào)整，則由可將電流做正反轉(zhuǎn)的周波數(shù)來決定，周波數(shù)的轉(zhuǎn)換，又由地上發(fā)電廠的周波數(shù)裝置來操作。軌道兩旁牆上的推進(jìn)線圈安裝在軌道旁之8字形線圈,當(dāng)裝有超導(dǎo)磁鐵的車身以低于8字形線圈軸心位置快速通過時，8字形線圈會因感應(yīng)出電流而成為一電磁鐵，此結(jié)果使得超導(dǎo)磁鐵會有一推力及拉力使之向上,所以車身便可磁浮起。懸浮原理:軌道之側(cè)向力:軌道上的磁浮線圈面對面的連續(xù)而形成回路，當(dāng)正在跑的磁浮車(也就是超導(dǎo)磁鐵)產(chǎn)生側(cè)向移動時，回路會感應(yīng)出電流，使得對於較靠近軌道的超導(dǎo)磁鐵產(chǎn)生推力，反之較遠(yuǎn)道的超導(dǎo)磁鐵產(chǎn)生吸引力，如此便能使磁浮車車身安全的位在軌道中心的位置。

加速器其要求四極磁體：1.磁場強(qiáng),~7T2.體積小,3.能耗低.

超導(dǎo)磁體最為理想.5.在高能物理中的應(yīng)用國家同步輻射研究中心同步輻射光源6.超導(dǎo)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用－－NMR-CT所謂核磁共振，是具有核磁矩的物質(zhì)在一定的恒定磁場和交變磁場同時作用下，會對變化的電磁場產(chǎn)生強(qiáng)烈的共振吸收現(xiàn)象。利用高溫超導(dǎo)體制成的線圈可以通過極大的電流而產(chǎn)生極強(qiáng)的磁場，可以比一般磁鐵高兩個數(shù)量級，檢測的靈敏度取決于所加磁場的大小，磁場越大，氫的共振訊號越強(qiáng)得到的圖像越清晰，從而提高早期診斷可能性。MRI系統(tǒng)中的超導(dǎo)磁體SeedetailsinBrain2003NobelMedicalprice醫(yī)學(xué)獎PeterMansfield

England,U.ofNortinheimPaulC.LauterburUSAU.ofIllinois-Urbana-Champian7.超導(dǎo)在能源技術(shù)中的應(yīng)用

參加國：加拿大、歐盟、日本、俄羅斯、美國、中國

ITER計(jì)劃共需要：鈮鈦線材240噸、

Nb3Sn線材480噸我國將出資4億美元，超導(dǎo)線材—鈮鈦線材:200噸

Nb3Sn線材:100噸國際熱核聚變反應(yīng)堆(ITER）利用海水中的重氫和超重氫，進(jìn)行核聚變發(fā)電。危險(xiǎn)小且無污染，是未來能源的希望。

7.超導(dǎo)在能源技術(shù)中的應(yīng)用－－超導(dǎo)儲能超導(dǎo)儲能系統(tǒng)（SMES）是利用超導(dǎo)線圈將電磁能直接儲存起來，需要時再將電磁能返回電網(wǎng)或其它負(fù)載的一種電力設(shè)施，它具有反應(yīng)速度快、轉(zhuǎn)換效率高的優(yōu)點(diǎn)。25KJ超導(dǎo)儲能用磁體8.超導(dǎo)在信息技術(shù)中的應(yīng)用－－超導(dǎo)濾波器HTSRFfilterwithCryostat超導(dǎo)體在超導(dǎo)態(tài)下電阻為零，意味著超導(dǎo)體的熱噪音十分小，利用超導(dǎo)體做