專題八：超導超導研究獲諾貝爾物理學獎情況1913年H.K.昂尼斯(荷蘭)在低溫下研究物質(zhì)的性質(zhì)并制成液態(tài)氦1972年J.巴丁(美)L.N.庫柏(美)J.R.斯萊弗(美)提出所謂BCS理論的超導性理論1973年B.D.約瑟夫森(英)關(guān)于固體中隧道現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn),從理論上預言了超導電流能夠通過隧道阻擋層(即約瑟夫森效應(yīng))1987年J.G.柏諾茲(美)K.A.穆勒(美)發(fā)現(xiàn)新的超導材料2003年阿布里柯夫（Abrkosov）預測第二類超導體于高磁場下其磁通束以三角晶格排列的點陣排列。金茨堡（Ginzburg)超導的理論解釋。一超導現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)1908年，荷蘭物理學家卡末林·昂內(nèi)斯(Hei-keKamerlinghOnnes，1853－1926)首次液化了氦氣。人們第一次達到了當時地球上的最低溫度，大約4.2K左右。

之前，人們已經(jīng)知道，隨著溫度的降低，金屬的電阻也會越來越小。那么，隨著溫度降到熱力學溫度零度附近時金屬的電阻會怎樣變化呢？1911年，卡末林·昂內(nèi)斯和他的學生一起，選擇了當時最容易提純的水銀作為實驗材料，在液氦的溫度下進行了認真的研究。實驗的結(jié)果使他們大吃一驚。當溫度降到4.2K左右時，水銀的電阻竟然突然地消失了！

經(jīng)過反復檢查后，卡末林·昂內(nèi)斯終于證實了這是真實的情況。

昂內(nèi)斯因?qū)ξ镔|(zhì)低溫性質(zhì)的研究和液氦的制備而獲得1913年度的諾貝爾物理學獎。1911年H.KamerlinghOnnes發(fā)現(xiàn)汞(Hg)在絕對溫度4.2度附近呈現(xiàn)超導性(獲1913年諾貝爾物理學獎)

1913年發(fā)現(xiàn)Pb于溫度7.2K時具超導性。1914年Onnes以鉛(Pb)超導體制作線圈證明永久電流之存在1930年發(fā)現(xiàn)Nb，Tc=9.2K為所有金屬最高者1932年W.Meissner及R.Oschenfeld發(fā)現(xiàn)超導體具有完全抗磁性，證明超導性之相轉(zhuǎn)變是熱力學相變1933年Meissner&Ochsenfeld提出超導狀態(tài)下之完全反磁性(PerfectDiamagnetic)，又稱邁氏效應(yīng)1934年C.J.Gorter及H.B.Casimir提出二流體模型解釋超導現(xiàn)象，說明超導體內(nèi)的電子分超導電子和正常電子兩種。1934年F.London及H.London由二流體模式提出所謂Londonmodel，解釋邁氏效應(yīng)，定義穿透深度

(penetrationdepth)為超導體的特性長度，即靜磁場下磁力線穿透超導體表面深度，在此深度范圍內(nèi)，磁力線密度呈現(xiàn)指數(shù)衰減。1937年L.D.Landau提出外磁場下的超導中間態(tài)的結(jié)構(gòu)模型1950年E.Maxwell和C.A.Reynolds發(fā)現(xiàn)現(xiàn)超導體的同位素效應(yīng)Tc~M-β

1950年VitalyGinzburg&LevLandau首先提出超導體內(nèi)的超導電子并非局部化觀念，即超導電子并非完全單獨的存在，彼此間可能些關(guān)聯(lián)。電子間可能有關(guān)聯(lián)的最長距離稱為相干長度(CoherentLength)。(Landau1962年與Ginzburg2003年獲諾貝爾物理學獎)1956年L.N.Cooper提出一對電子間如存在吸引力，即可形成一束縛態(tài)的概念(s-wave電子對)1957年AlexeiAbrkosov研究超導體在外加磁場下的行為發(fā)現(xiàn)兩種不同性質(zhì)，將其分類為第一類和第二類超導體(Type-IandTypeIISuperconductor)。

預測第二類超導體于高磁場下其磁通束以三角晶格排列的點陣排列(Abrkosov2003年獲諾貝爾物理學獎)

1957年J.Bardeen,L.N.Cooper及R.J.Schrieffer提出解釋超導現(xiàn)象的微觀理論：BCS理論。(三人獲諾貝爾物理學獎）1958年J.Hulm及B.T.Matthias發(fā)現(xiàn)A15結(jié)構(gòu)超導性，得到Tc＞20K之超導材料。1959年J.G.Giaever發(fā)現(xiàn)導體的單子隧道效應(yīng)1962年B.D.Josephson提出超導電子對的穿隧效應(yīng)(獲1973年諾貝爾物理學獎)1975年首先發(fā)現(xiàn)金屬氧化物BaPb1-xBixO具超導性，Tc=13K。1979年F.Steglich發(fā)現(xiàn)重費米子超導體1980年D.Jerome發(fā)現(xiàn)第一個有機超導體1986年K.A.Müller及G.Bednorz發(fā)現(xiàn)第一個高溫超導體

LaBaCuOTc>30K(兩人獲1987年諾貝爾物理學獎)

1987年朱經(jīng)武和吳茂昆發(fā)現(xiàn)第一個高于液態(tài)氮的超體YBa2Cu3O7-δ

Tc~92K1988年H.Maeda，發(fā)現(xiàn)Bi系(Bi2Sr2Ca2Cu3O10)銅氧化物Tc~110K1988年Sheng&Herman，發(fā)現(xiàn)Tl系(Tl2Ba2Ca2Cu3O10)銅氧化合物Tc~125K1993年A.Schillinget.al.，發(fā)現(xiàn)Hg系(HgBa2Ca2Cu3O8)銅氧化合物Tc~134K(Hg系銅氧化合物為目前常壓下Tc最高之化合物)，在高壓下為164K2001年J.Nagamatsuet.al.，發(fā)現(xiàn)MgB2介金屬化合物Tc~40K(為目前Tc最高之金屬化合物)

一、超導體的發(fā)現(xiàn)、研究歷程二、超導體的特征，兩類超導體三、傳統(tǒng)超導體的唯象理論和微觀機制四、約瑟夫?qū)O效應(yīng)五、高溫超導體研究六、超導體的應(yīng)用七、超導研究的主要方向內(nèi)容提要一、超導的發(fā)現(xiàn)和研究歷程1911年，荷蘭物理學家昂納斯(K.Onnes)首次發(fā)現(xiàn)汞在4.2K的低溫時出現(xiàn)電阻為零的現(xiàn)象，物理學上稱其超導現(xiàn)象。電阻突然消失是物質(zhì)進入了一種完全新的狀態(tài)，這種狀態(tài)稱之為超導態(tài)。具有超導電性的物質(zhì)稱作為超導體。超導電性的普遍性：至少三十余種金屬（常壓下）元素在極低溫度下能夠成為超導體。甚至某些半導體、多元金屬氧化物、一系列合金（共計5000余種）在適當條件下，也可處于超導態(tài)。超導材料的分類：常規(guī)超導體(如Nb-Ti合金)高溫超導體(如YBa2Cu3O7-x)非晶超導材料復合超導材料(如超導線帶材料)重費米子超導體(如CeCu2Si2)有機超導材料(如富勒烯等修飾的化合物)超導材料升攀慢緩度溫變轉(zhuǎn)導超近幾年研究的幾種重要的超導體---RobertF.Serverce.Science,295,786(2002).2001年1月日本東京青山學院的教授Junkimitsu宣布了這一發(fā)現(xiàn)。MgB2的臨界超導溫度Tc=40k.（1）二硼化鎂MgB2

是臨界溫度最高的金屬化合物超導體，晶體結(jié)構(gòu)為A1B2型六方結(jié)構(gòu),即由石墨蜂窩型結(jié)構(gòu)的B層間插入六角密集排列的Mg原子構(gòu)成。MgB2超導體在應(yīng)用上的契機更讓人激動。首先，這個超導體在20K左右的溫度，在8萬倍于地球磁場的情況下可以承載很大的超導電流而且能耗極低。（2）MgCNi32001年，HeT.等發(fā)現(xiàn)三元金屬間化合物超導體MgCNi3(超導轉(zhuǎn)變溫度Tc~7K)，它具有三維簡單立方鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，其Ni元素含量高，因而頗引人關(guān)注。Mg、C和Ni分別對應(yīng)鈣鈦礦CaTiO3

中的Ca、Ti和O。有可能成為聯(lián)結(jié)兩大超導材料(金屬化合物和鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氧化物)的紐帶。（3）富勒烯和碳納米管

富勒烯是一系列純碳組成的原子簇的總稱(主要有C60和C70)。C60分子本身是不導電的絕緣體，但當堿金屬嵌人C60分子之間的空隙后，C60與堿金屬的系列化合物將轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢w，如K3C60即為超導體，且具有很高的超導臨界溫度。與氧化物超導體比較，C60系列超導體具有完美的三維超導性，電流密度大，穩(wěn)定性高，易于展成線材等優(yōu)點，是一類極具價值的新型超導材料。1.臨界溫度(Tc)：出現(xiàn)超導電性的溫度稱為超導轉(zhuǎn)變溫度。2.起始轉(zhuǎn)變溫度：電阻由正常值開始陡然下降時的溫度。3.超導轉(zhuǎn)變的可逆性：即當降低溫度至Tc時，樣品電阻突然降為零；當加熱樣品使溫度達到Tc時，電阻又會突然恢復正常值，這個過程可以反復進行.幾個重要概念：4.超導轉(zhuǎn)變寬度：電阻由正常值開始陡然下降到完全消失的溫區(qū)。對于非常純的樣品，轉(zhuǎn)變寬度可小至10-5K。而較差的樣品轉(zhuǎn)變寬度可擴大到幾K甚至十幾K．新發(fā)現(xiàn)的高溫氧化物超導體的超導轉(zhuǎn)變寬度就相對于傳統(tǒng)超導體更寬．超導轉(zhuǎn)變寬度窄好還是寬好？5.零電阻的實驗驗證：美國麻省理工學院J.Collins2年半法奧（J．File）和邁奧斯（R．G．Mills）利用精確核磁共振方法測量超導電流產(chǎn)生的磁場來研究螺線管內(nèi)超導電流的衰變，他們的結(jié)論是超導電流的衰減時間不低于十萬年．2.臨界磁場與臨界電流

當T<Tc時，當施加磁場強度達到某一值Hc(T)時，超導態(tài)就會變?yōu)檎B(tài)，恢復正常電阻值。H<Hc(T)為超導態(tài)，H>Hc(T)為正常態(tài)，轉(zhuǎn)變同樣具有可逆性。把Hc(T)稱為臨界磁場，它是溫度的函數(shù)。二、超導的主要特征，兩類超導體1.零電阻臨界電流：實驗還表明，如果在不加磁場的情況下，在超導體中通過足夠強的電流也將會破壞超導電性，為破壞超導電性所需要的電流稱作臨界電流IC(T)．解釋：當通過樣品的電流在樣品表面產(chǎn)生的磁場達到HC時，超導電性就被破壞，這個電流的大小就是樣品的臨界電流．這一點對其應(yīng)用不利！3.邁斯納(Meissner)效應(yīng)（完全抭磁性）

(1)理想導體情形超導體具有完全逆磁性，即在導體內(nèi)保持B=0。(2)超導體情形超導體一般導體磁懸浮4.超導體的其它性質(zhì)：(2)比熱容（1）晶體結(jié)構(gòu) 實驗發(fā)現(xiàn)當金屬冷卻到臨界溫度以下時，無論是點陣對稱性還是點陣參數(shù)都沒有發(fā)生變化。而且發(fā)現(xiàn)，與晶格振動相關(guān)的一些特性(如德拜溫度ΘD和晶格振動對熱容量的貢獻)在正常相和超導相都相同。（3）超導能隙（4）同位素效應(yīng)（5）兩類超導體AlexeiA.Abrikosov美國國家阿崗實驗室2003年獲得諾貝爾物理學獎

即為超導體的磁通量子化現(xiàn)象。

實驗觀測發(fā)現(xiàn)，當外磁場增強時，圓柱形正常區(qū)的磁通量并不發(fā)生變化，而只是增多這種圓柱形正常區(qū)的數(shù)目；當H=HC2時，這些圓柱形正常區(qū)彼此接觸，超導區(qū)消失，整個樣品成為正常態(tài)。每個圓柱體正常區(qū)的磁通量恰好為一個磁通量子.，可用以產(chǎn)生4特斯拉的強磁場。（6）磁通量子化用磁光法在NbSe2樣品上得到的磁通線分布圖像

理想的第二類超導體雖具有高的上臨界磁場HC2(0)，卻不能承受較大的超導電流。如果第二類超導體內(nèi)含有大量缺陷(非理想第二類超導體)，這些缺陷將阻礙磁力線的移動，稱為對磁力線的釘扎作用，其結(jié)果是穿過超導體的磁力線排列不再均勻，磁化時有滯后作用，而超導體則可承受大的超導電流。（7）缺陷的釘扎作用提高臨界電流缺陷的釘扎作用越強，磁化的磁滯效應(yīng)越大，則臨界電流也越高。用來制造高強磁場的超導線圈都是用非理想第二類超導體制成的。例如經(jīng)特殊處理的NbTi合金線臨界電流可高達，可用以產(chǎn)生4特斯拉的強磁場。

（1）倫敦方程任務(wù)：介質(zhì)方程失效，尋找替代方程。在電場E的作用下，超導電子的運動方程是電流密度應(yīng)為將上式代入麥克斯韋方程得到電流密度與磁場的關(guān)系為二流體模型:超導電子ns,正常電子（1934戈特(Gorter)和卡西米爾(Casimir)提出）三、傳統(tǒng)超導體的唯象理論和微觀機制為了使上式成立，只需與時間無關(guān)就行了，為了解釋邁斯納效應(yīng)，倫敦進一步限制這個與時間無關(guān)的量為零，即這就是倫敦方程。

磁矢勢A考慮穩(wěn)恒磁場的情況:js將保持不變.考慮到麥克斯韋方程倫敦方程可以概括零電阻和邁斯納效應(yīng)．倫敦方程預言了超導體表面的磁感應(yīng)強度B非常迅速地以指數(shù)形式衰減.可見，邁斯納效應(yīng)指出的超導體內(nèi)磁感應(yīng)強度B=0并不意味著超導體表面也是如此．倫敦方程的這一結(jié)果完全為實驗所證實．為穿透深度如錫Sn為3.5×10-8m

鈮Nb是3.9×10-8m。

（2）金茲堡－朗道理論

朗道10誡量子力學中的密度矩陣和統(tǒng)計物理學(1927)；

自由電子抗磁性的理論(1930)；二級相變的研究(1936～1937)；

鐵磁性的磁疇理論和反鐵磁性的理論解釋(1935)超導體的混合態(tài)理論(1934)；

原子核的幾率理論(1937)；

氦Ⅱ超流性的量子理論(1940～1941)；

基本粒子的電荷約束理論(1954)；

費米液體的量子理論(1956)；

弱相互作用的CP不變性(1957)。