功能材料概论7超导材料.pptx

第六章第六章 超导材料超导材料具有在一定低温条件下呈现零电阻以及完全抗磁性的材料具有在一定低温条件下呈现零电阻以及完全抗磁性的材料6.1 超导材料的发展概述超导材料的发展概述超导零电阻现象的发现超导零电阻现象的发现1911年，科学家发现金属的年，科学家发现金属的电阻电阻和它的和它的温度温度条件有很大关系：温度高时，它的条件有很大关系：温度高时，它的电阻就增加，温度低时电阻减少。并总电阻就增加，温度低时电阻减少。并总结出一个金属电阻与温度之间的关系的结出一个金属电阻与温度之间的关系的理论公式。理论公式。荷兰物理学家荷兰物理学家昂尼斯（昂尼斯（H.K.Onnes）为检验金属电阻与温度之间关系的理论为检验金属电阻与温度之间关系的理论公式的正确性，用水银作试验。将水银公式的正确性，用水银作试验。将水银冷却到冷却到-40时，亮晶晶的液体水银时，亮晶晶的液体水银变变成了固体成了固体；他把水银拉成细丝，并继续；他把水银拉成细丝，并继续降低温度，同时测量不同温度下固体水降低温度，同时测量不同温度下固体水银的电阻，当温度降低到银的电阻，当温度降低到4.2K时时，水银，水银的的电阻突然变成了零电阻突然变成了零。开始他不太相信这一结果，于是反复试验，但结果都是一样。这开始他不太相信这一结果，于是反复试验，但结果都是一样。这一发现轰动了世界的物理学界，后来科学家把这个现象叫一发现轰动了世界的物理学界，后来科学家把这个现象叫超导现超导现象象，把，把电阻等于零的材料电阻等于零的材料称称超导材料超导材料，而把出现超导现象的温度，而把出现超导现象的温度称作超导材料的称作超导材料的“临界温度临界温度”。昂尼斯和许多科学家后来又发现了昂尼斯和许多科学家后来又发现了28种超导元素和种超导元素和8000多种超导多种超导化合物材料。但出现超导现象的临界温度大多在化合物材料。但出现超导现象的临界温度大多在接近绝对零度接近绝对零度的的极低温，没有什么经济价值。极低温，没有什么经济价值。为了寻找临界温度比较高的没有电阻的材料，世界上无数科学家奋为了寻找临界温度比较高的没有电阻的材料，世界上无数科学家奋斗了近斗了近60年，也没有取得什么明显进展。但发现了一些新现象和发年，也没有取得什么明显进展。但发现了一些新现象和发展了一些理论：展了一些理论：1933年年迈斯纳（迈斯纳（Meissner）和）和奥森奥森菲尔德发现菲尔德发现迈斯纳效应迈斯纳效应。1957年年BCS理论理论被提出。被提出。直到直到1973年，英、美一些科学家才找到一种在年，英、美一些科学家才找到一种在23K出现超导现象的出现超导现象的铌锗、铌镓合金（铌锗、铌镓合金（Nb3(Al0.75Ge0.25)，Nb3Ga、NbGe），此后这一，此后这一记录又保持了记录又保持了10多年。多年。到了到了1986年年，在瑞士，在瑞士IBM公司研究室工作的公司研究室工作的贝德诺茨和缪勒贝德诺茨和缪勒从别人从别人多次失败中总结教训，放弃了在金属和合金中寻找超导材料的老观多次失败中总结教训，放弃了在金属和合金中寻找超导材料的老观念，终于发现一种念，终于发现一种钇钡铜氧陶瓷氧化物钇钡铜氧陶瓷氧化物材料在材料在43K这一较高温度下这一较高温度下出现超导现象。这是一个了不起的成就，因此他们两人同时获得了出现超导现象。这是一个了不起的成就，因此他们两人同时获得了1987年的诺贝尔物理学奖。年的诺贝尔物理学奖。美籍华人学者美籍华人学者朱经武朱经武，中国物理学家，中国物理学家赵忠贤在赵忠贤在1987年年相继发现了在相继发现了在78.5 K 和和98 K时出现超导现象的时出现超导现象的钇钡铜氧系钇钡铜氧系高温超导材料。高温超导材料。199l年年，美国和日本的科学家又发现了球状碳分子，美国和日本的科学家又发现了球状碳分子-60在掺钾、铯、在掺钾、铯、钕等元素后，也有超导性。钕等元素后，也有超导性。1995年年美美国国国国立立洛洛斯斯阿阿拉拉莫莫斯斯实实验验室室的的科科学学家家已已经经把把高高温温超超导导体体制制成柔韧的细带状，由于没有电阻，其导电性是铜丝的成柔韧的细带状，由于没有电阻，其导电性是铜丝的1200多倍。多倍。超导材料在超导材料在液氮以上温度（液氮以上温度（77K，-196）工作）工作，是，是20世纪内科学世纪内科学技术上的重大突破，也是超导技术发展史上的一个新的里程碑。至技术上的重大突破，也是超导技术发展史上的一个新的里程碑。至今，对高温超导材料的研究仍然方兴未艾。今，对高温超导材料的研究仍然方兴未艾。高温超导迅猛发展，高温超导迅猛发展，Tc不断升高，已达不断升高，已达132K。6.2 传统超导体的微观机制传统超导体的微观机制 同位素效应同位素效应超导能隙超导能隙库柏电子对库柏电子对相干长度相干长度BCS理论理论同位素效应同位素效应20年年代代初初，同同位位素素效效应应、超超导导能能隙隙等等发发现现取取得得了了很很大大成成功功，提提供供了了揭开超导性之谜的线索。揭开超导性之谜的线索。同位素效应是麦克斯韦和雷诺在同位素效应是麦克斯韦和雷诺在1950年各自测量水银的同位素的临年各自测量水银的同位素的临界转变温度时发现的。界转变温度时发现的。随着水银同位素质量的增高，临界温度降低。随着水银同位素质量的增高，临界温度降低。得到原子质量得到原子质量M和临界温度和临界温度Tc的简单关系：的简单关系：Tc=1/M，其中，其中，=0.50 0.03。这种这种转变温度转变温度转变温度转变温度T Tc依赖于同位素质量依赖于同位素质量依赖于同位素质量依赖于同位素质量的现象的现象的现象的现象就是同位素效应。就是同位素效应。同种材料同位素在化学性质、晶体结构、电子组态及静电性质等方同种材料同位素在化学性质、晶体结构、电子组态及静电性质等方面都相同，只是面都相同，只是不同原子量对晶体点阵的热振动不同原子量对晶体点阵的热振动(晶格振动晶格振动)的特性的特性有影响。有影响。如果构成晶格的离子质量不同，在给定条件的情况下，如果构成晶格的离子质量不同，在给定条件的情况下，晶格振动的晶格振动的频率频率会依会依离子质量离子质量不同而发生变化，即不同而发生变化，即离子质量离子质量可以反映出晶体可以反映出晶体的性质的性质。从式从式 Tc=1/M 可看出，离子质量可看出，离子质量反映了晶体的性质，临界温度反映了晶体的性质，临界温度Tc反映了电子性质，所以，反映了电子性质，所以，同位素效应同位素效应把把晶格与电子晶格与电子联系起来了。联系起来了。一般金属的电阻是由于原子的振动对电子的散射引起的，一般金属的电阻是由于原子的振动对电子的散射引起的，即晶格即晶格振动是出现电阻的原因振动是出现电阻的原因。人们发现，导电性良好的人们发现，导电性良好的碱金属和贵金属碱金属和贵金属由于其由于其电子电子晶格相互晶格相互作用很微弱（室温下电阻小），作用很微弱（室温下电阻小），故都不是超导体。而故都不是超导体。而常温下导电常温下导电性不好的材料，在低温却有可能成为超导体性不好的材料，在低温却有可能成为超导体。在固体理论中，描述晶格振动的能量子称之为声子，在固体理论中，描述晶格振动的能量子称之为声子，同位素效应同位素效应明确了电子明确了电子声子的相互作用与超导电性有密切关系声子的相互作用与超导电性有密切关系。临界温度比较高的金属临界温度比较高的金属，由于其电子，由于其电子声子相互作用强，故常温声子相互作用强，故常温下导电性较差。下导电性较差。因此因此弗洛里希弗洛里希提出电子提出电子声子相互作用是声子相互作用是高温下高温下引起电阻的原因，而在低温下导致超导电性引起电阻的原因，而在低温下导致超导电性。超导能隙超导能隙在在20世纪世纪50年代，许多实验表明，当金属年代，许多实验表明，当金属处于超导态时，超导态的电子能谱与正常金处于超导态时，超导态的电子能谱与正常金属不同，右图是一张在属不同，右图是一张在T=0K的电子能谱示的电子能谱示意图。它的显著特点是：意图。它的显著特点是：在费米能在费米能EF附近出附近出现了一个半宽度为现了一个半宽度为的能量间隔，在这个能的能量间隔，在这个能量内不能有电子存在，人们把这个量内不能有电子存在，人们把这个叫做叫做超超导能隙导能隙，能隙大约是，能隙大约是10-3-10-4eV数量级。数量级。在在0K，能量处于能隙下边缘以下的各态全被，能量处于能隙下边缘以下的各态全被占据，而能隙以上的各态则全空着，这就是占据，而能隙以上的各态则全空着，这就是超导基态超导基态。超导能隙的出现反映出电子结构。超导能隙的出现反映出电子结构在从正常态向超导态转变过程中发生了深刻在从正常态向超导态转变过程中发生了深刻变化，这种变化就是变化，这种变化就是F伦敦指出的伦敦指出的电子平电子平均动量分布的固化或凝聚均动量分布的固化或凝聚。当频率为当频率为 的的电磁波电磁波照射到照射到超超导体导体上时，由于超导能隙上时，由于超导能隙Eg的的存在，只有当照射频率满足式存在，只有当照射频率满足式 h Eg时，激发过程才会发时，激发过程才会发生。生。a)当照射频率当照射频率 =0=Eg/h时，超导体就会开始时，超导体就会开始强烈的吸收电强烈的吸收电磁波磁波。临界频率。临界频率 0 一般处于微波或远红外频谱部分。一般处于微波或远红外频谱部分。b)当当h Eg时，相当于把时，相当于把Eg看成等于零。超导体在这些频看成等于零。超导体在这些频段的行为，等同于正常金属。段的行为，等同于正常金属。实验表明，超导体的实验表明，超导体的临界频率临界频率 0，与超导体的，与超导体的能隙能隙Eg有一定有一定联系。一般超导体的联系。一般超导体的临界频率临界频率 0的数量级为的数量级为1011 Hz，相应的，相应的超导体能隙的数量级为超导体能隙的数量级为10-4 eV左右左右。不同的超导体，其不同的超导体，其Eg不同，且不同，且随温度升高而减小随温度升高而减小，当温度达，当温度达到临界温度到临界温度Tc时，有时，有Eg=0，00。库柏电子对库柏电子对库柏电子对理论是现代超导理论的基础库柏电子对理论是现代超导理论的基础，该理论认为超导态是由，该理论认为超导态是由正则动量为零正则动量为零的超导电子组成的，它是的超导电子组成的，它是动量空间的凝聚现象动量空间的凝聚现象，要，要发生凝聚现象，必须有吸引的作用存在。当电子间存在这种净吸发生凝聚现象，必须有吸引的作用存在。当电子间存在这种净吸引作用时，费米面附近存在引作用时，费米面附近存在一个动量大小相等而方向相反且自旋一个动量大小相等而方向相反且自旋相反的两电子束缚态相反的两电子束缚态，它的能量比两个独立的电子的总能量低，它的能量比两个独立的电子的总能量低，这种束缚态电子对称为库柏电子对。这种束缚态电子对称为库柏电子对。库柏认为，只要两个电子之间有库柏认为，只要两个电子之间有净的吸引作用净的吸引作用，不管这种作用力，不管这种作用力多么微弱，它们都能形成束缚态。多么微弱，它们都能形成束缚态。这种吸引作用有可能这种吸引作用有可能超过电子之间的库仑排斥作用超过电子之间的库仑排斥作用，而表现为净，而表现为净的相互吸引作用，这样的两个电子被称为库柏电子对。的相互吸引作用，这样的两个电子被称为库柏电子对。从能量上看，组成库柏对的两个电子由于相互作用将从能量上看，组成库柏对的两个电子由于相互作用将导致势能降导致势能降低。低。如右图所示：如右图所示：电子在晶格点阵中运动，它对周围的正离子有吸引作电子在晶格点阵中运动，它对周围的正离子有吸引作用，从而造成用，从而造成局部正离子的相对集中局部正离子的相对集中局部正离子的相对集中局部正离子的相对集中，导致对另外电，导致对另外电子的吸引作用。这样两个电子子的吸引作用。这样两个电子通过晶格点阵发生间接通过晶格点阵发生间接通过晶格点阵发生间接通过晶格点阵发生间接的吸引作用的吸引作用的吸引作用的吸引作用。、自由电子经由间接的吸引力结合成库柏电子对，库自由电子经由间接的吸引力结合成库柏电子对，库柏电子对相互也随着晶格振动产生的正负电荷区间柏电子对相互也随着晶格振动产生的正负电荷区间依序移动，彼此不在碰撞，也就没有电阻的产生。依序移动，彼此不在碰撞，也就没有电阻的产生。电子电子正电荷区正电荷区正电荷区正电荷区负电荷区负电荷区组成库柏对的两个电子之组成库柏对的两个电子之间的间的距离约为距离约为10-6m，自，自旋与动量均等值而相反，旋与动量均等值而相反，所以每一库柏对的所以每一库柏对的动量之动量之和为零和为零。当当 TTc 时，金属内的库柏对开始形成（形成后体系能量下降），这时所有时，金属内的库柏对开始形成（形成后体系能量下降），这时所有的库柏对都以大小和方向均相同的动量运动，库柏对在能量上的库柏对都以大小和方向均相同的动量运动，库柏对在能量上比单个电子运比单个电子运动要稳定动要稳定，因此，体系中仅有库柏对的运动，库柏对电子，因此，体系中仅有库柏对的运动，库柏对电子与周围其它电子没与周围其它电子没有能量交换有能量交换，也就没有电阻，金属导体就具有了超导电性，也就没有电阻，金属导体就具有了超导电性。库柏对的数量十。库柏对的数量十分巨大分巨大,当它们向同一方向运动时当它们向同一方向运动时,就形成了超导电流就形成了超导电流。由于库柏对引力并不大，当温度较高时，由于库柏对引力并不大，当温度较高时，库柏对被热运动打乱库柏对被热运动打乱而不能成对。而不能成对。同时，离子在晶格上强烈地不规则振动，使形成库柏对的作用大大减弱。同时，离子在晶格上强烈地不规则振动，使形成库柏对的作用大大减弱。皮皮帕帕德德(A.B.Pippard)证证明明，当当一一个个电电子子从从金金属属的的正正常常区区移移动动到到超超导导区区时时，其其波波函函数数不不能能从从它它的的正正常常态态值值突突然然转转变变为为超超导导态态的的值值，这这种种转转变变只只能能发发生生在在一一个个距距离离上上，被被称称为为相相干干长长度度。简简单单的的说说库库柏柏电电子子对对间间的的距距离离就就是是相相干干长度长度。可见，实际的库柏对并非局限在非常小的空间里，而是可见，实际的库柏对并非局限在非常小的空间里，而是扩展在扩展在 10-6 m的的空间宽度上，这里空间宽度上，这里 就称为超导态的相干长度，它描述了就称为超导态的相干长度，它描述了配对电子间的距离配对电子间的距离。相干长度相干长度 和穿透深度和穿透深度 一样，也是超导体的特征参量。一样，也是超导体的特征参量。物质物质相干长度相干长度/nm/nm物质物质相干长度相干长度/nm/nmAlSnTl1500250270NbNb-Ti6030表表1 几种物质在几种物质在0K下的超导相干长度下的超导相干长度 相干长度相干长度BCS理论理论 美国的巴丁美国的巴丁(J.Bardeen)、库柏、库柏(L N.Cooper)和施瑞弗和施瑞弗(J.R.Schrieffer)在在1957年提出了超导电性量子理论，被称为年提出了超导电性量子理论，被称为BCS超导微观理论超导微观理论。它可以解释。它可以解释与低温超导相关与低温超导相关的各种实验事实，的各种实验事实，从而获得从而获得1972年诺贝尔物理奖。年诺贝尔物理奖。Bardeen,Cooper,and Schrieffer其理论核心是：其理论核心是：(1)电子间的相互吸引作用形成的电子间的相互吸引作用形成的库柏电子对库柏电子对会会导致能隙的存在导致能隙的存在。(预预言了能隙的存在言了能隙的存在)。超导体临界场、热学性质及大多数电磁性质都是这。超导体临界场、热学性质及大多数电磁性质都是这种种电子配对电子配对的结果。的结果。在低温（绝对零度）时的正常自由电子，使费米球内的大部分被占据，在低温（绝对零度）时的正常自由电子，使费米球内的大部分被占据，球外的态全是空着的。如果电声子相互吸引作用，使费米面上一对电球外的态全是空着的。如果电声子相互吸引作用，使费米面上一对电子形成库柏电子对并降低总能量，那么将有更多的费米面以下的电子子形成库柏电子对并降低总能量，那么将有更多的费米面以下的电子到费米面上去形成库柏对，以降低总能量，这个过程直到平衡为止，到费米面上去形成库柏对，以降低总能量，这个过程直到平衡为止，绝对零度时，费米面附近电子全部凝聚成库柏对。大量库柏对电子对绝对零度时，费米面附近电子全部凝聚成库柏对。大量库柏对电子对出现就是超导态的形成。超导态中电子凝聚成库柏对就使它比正常态出现就是超导态的形成。超导态中电子凝聚成库柏对就使它比正常态更有序。更有序。当温度不是绝对零度时，一部分库柏对就要被拆散，即出现一部分正当温度不是绝对零度时，一部分库柏对就要被拆散，即出现一部分正常电子。温度升高后，更多的库柏对被拆散，凝聚的电子减少，到临常电子。温度升高后，更多的库柏对被拆散，凝聚的电子减少，到临界温度时不再有库柏对，全部电子被激发，样品变为正常态。界温度时不再有库柏对，全部电子被激发，样品变为正常态。(2)元素或合金的超导转变温度与费米面附近电子能态密度元素或合金的超导转变温度与费米面附近电子能态密度N(EF)和电和电子子声子相互作用能声子相互作用能U有关，它们可以从电阻率来估计，当有关，它们可以从电阻率来估计，当UN(EF)1时，时，BCS理论预测临界温度为：理论预测临界温度为：式中，式中，D为德拜温度。为德拜温度。N（EF）为费米面附近电子能态密度、）为费米面附近电子能态密度、U是电子是电子声子相互作用能（与元素分子量有关）。声子相互作用能（与元素分子量有关）。有关有关Tc的理论结果在定性上满足实验数据。的理论结果在定性上满足实验数据。从上式中得到这样一个有趣的结论：一种金属如果在室温下具从上式中得到这样一个有趣的结论：一种金属如果在室温下具有有较高的电阻率较高的电阻率（室温电阻率大说明电子（室温电阻率大说明电子声子相互作用强），声子相互作用强），冷却时就有更大可能成为冷却时就有更大可能成为超导体超导体。BCS理论是第一个成功地解释了超导现象的微观理论，也是目前惟理论是第一个成功地解释了超导现象的微观理论，也是目前惟一成功的超导微观理论。后来，虽然又有了一些一成功的超导微观理论。后来，虽然又有了一些形式上的发展和完形式上的发展和完善善，但，但基本思想和物理图像基本思想和物理图像则没有更大的改变。则没有更大的改变。1986年高温超导现象年高温超导现象和材料的发现，出现了和材料的发现，出现了BCS理论无法解释的事理论无法解释的事实。实。新材料的能隙值与新材料的能隙值与BCS理论值有较大差异，在理论值有较大差异，在Y-Ba-Cu-O系和系和Eu-Ba-Cu-O系材料中，几乎未观察到同位素效应等。系材料中，几乎未观察到同位素效应等。一一般般认认为为BCS理理论论只只适适用用于于低低温温超超导导现现象象，对对于于高高温温超超导导现现象象，目前尚无成熟的理论。目前尚无成熟的理论。6.3 超导材料的临界参数超导材料的临界参数 临界温度临界温度Tc超导体从超导体从常导态常导态转变为转变为超导态超导态的温度，以的温度，以Tc表示。表示。临界温度临界温度是在外部磁场、电流、应力和辐射等条件维持足够低是在外部磁场、电流、应力和辐射等条件维持足够低时，时，电阻突然变为零电阻突然变为零时的温度。由于时的温度。由于材料的不纯材料的不纯，这种零电阻，这种零电阻转变前后，跨越了一个温区，因此实际超导材料的临界温度用转变前后，跨越了一个温区，因此实际超导材料的临界温度用四个参数表征。四个参数表征。超导材料的临界温度超导材料的临界温度起始转变温度起始转变温度Tc(onset)零电阻温度零电阻温度Tc(R=0)转变温度宽度转变温度宽度Tc中间临界温度中间临界温度Tc(mid)临界磁场临界磁场Hc实验发现，超导电性可以被实验发现，超导电性可以被外加磁场外加磁场所破坏，对于温度为所破坏，对于温度为T(TTc)的超导体，当外磁场超过某一数值的超导体，当外磁场超过某一数值Hc的时候，超导电性就被破的时候，超导电性就被破坏了，使它由坏了，使它由超导态超导态转变为转变为常导态常导态,电阻重新恢复。电阻重新恢复。这种能够破这种能够破坏超导所需的坏超导所需的最小磁场强度最小磁场强度，叫做，叫做临界磁场临界磁场Hc。在临界温度。在临界温度Tc，临界磁场为零。临界磁场为零。Hc随温度的变化随温度的变化一般可以近似地表示为抛物线关系：一般可以近似地表示为抛物线关系：式中，式中，Hc0是绝对零度时的临界磁场。是绝对零度时的临界磁场。(3)临界电流临界电流Ic实验表明，在不加磁场的情况下，超导体中实验表明，在不加磁场的情况下，超导体中通过足够强的电流通过足够强的电流也也会破坏超导电性，导致破坏超导电性所需要的会破坏超导电性，导致破坏超导电性所需要的最小极限电流最小极限电流，也，也就是超导态允许流动的最大电流，称作就是超导态允许流动的最大电流，称作临界电流临界电流Ic。在临界温度在临界温度Tc，临界电流为零，这个现象可以从临界电流为零，这个现象可以从磁场破坏超导电磁场破坏超导电性性来说明。当通过样品的电流在样品表面产生的磁场达到来说明。当通过样品的电流在样品表面产生的磁场达到Hc时，时，超导电性就被破坏这个电流的大小就是样品的超导电性就被破坏这个电流的大小就是样品的临界电流临界电流。临界电流随温度变化的关系临界电流随温度变化的关系有：有：式中，式中，Ic0是绝对零度时的临界电流。是绝对零度时的临界电流。临界温度临界温度Tc、临界磁场临界磁场Hc和和临界电流临界电流Ic三个临界值。超导材料只有处三个临界值。超导材料只有处在这些临界值以下的状态时才显示超导性，所以在这些临界值以下的状态时才显示超导性，所以临界值临界值越高越高，实用性，实用性就强，利用价值就越高。就强，利用价值就越高。6.4 超导材料的基本特性超导材料的基本特性1零电阻效应零电阻效应2超导体的完全抗磁性（迈斯纳效应）超导体的完全抗磁性（迈斯纳效应）1零电阻效应零电阻效应当温度当温度T下降至某一数值下降至某一数值以下时，超导体的电阻突然变为零，这就称以下时，超导体的电阻突然变为零，这就称为超导体的为超导体的零电阻效应零电阻效应，也称为，也称为超导电性超导电性。下图是汞在液氦温度附近电阻的变化行为。下图是汞在液氦温度附近电阻的变化行为。汞在液氦温度附近电阻的变化行为汞在液氦温度附近电阻的变化行为超导临界温度超导临界温度超导临界温度超导临界温度T Tc c虽然与样品虽然与样品虽然与样品虽然与样品纯度无关，但是越均匀纯净纯度无关，但是越均匀纯净纯度无关，但是越均匀纯净纯度无关，但是越均匀纯净的样品超导转变时的的样品超导转变时的的样品超导转变时的的样品超导转变时的电阻陡电阻陡电阻陡电阻陡降降降降越尖锐。越尖锐。越尖锐。越尖锐。2超导体的完全抗磁性（迈斯纳效应）超导体的完全抗磁性（迈斯纳效应）指超导体处于外界磁场中，磁力线无法穿透，超导体内的磁通量指超导体处于外界磁场中，磁力线无法穿透，超导体内的磁通量为零。为零。1933年，年，迈斯纳迈斯纳(W.Meissner)发现，只要温度低于超导临界温发现，只要温度低于超导临界温度，则置于度，则置于外磁场中的超导体外磁场中的超导体就始终保持其就始终保持其内部磁场为零内部磁场为零，外部，外部磁场的磁力线统统被排斥在超导体之外。磁场的磁力线统统被排斥在超导体之外。即便是原来处在磁场中的即便是原来处在磁场中的正常态正常态样品，当温度下降使它变成样品，当温度下降使它变成超导超导体体时，也会把原来在体内的磁场完全排出去，即时，也会把原来在体内的磁场完全排出去，即超导体具有完全超导体具有完全抗磁性抗磁性。这一现象被称为。这一现象被称为迈斯纳效应迈斯纳效应，它是超导体的另一个独立，它是超导体的另一个独立的基本特性。的基本特性。超导体内超导体内磁感应强度磁感应强度B总是等于零，即金属在超导电状态的总是等于零，即金属在超导电状态的磁磁化率化率为为=M/H=-1,B=0(1+)H=0。超导体内的磁化率为超导体内的磁化率为-1(M为磁化强度，为磁化强度，B0 0 H)超导体的完全抗磁性如下图所示：超导体的完全抗磁性如下图所示：液液氮氮环环境境下下的的超超导导实实验验由迈斯纳效应可知，超导体由迈斯纳效应可知，超导体在静磁场中的行为在静磁场中的行为可以近似地用可以近似地用“完全抗磁体完全抗磁体”来描述。利用这一特性，可以实现来描述。利用这一特性，可以实现磁悬浮磁悬浮。超导体的超导体的迈斯纳效应的意义迈斯纳效应的意义：否定了把超导体看作理想导体，还指明否定了把超导体看作理想导体，还指明超导态超导态是一个是一个热力学平衡的热力学平衡的状态状态，与怎样进入超导态的途径无关，从物理上进一步认识到，与怎样进入超导态的途径无关，从物理上进一步认识到超导超导电性是一种宏观的量子现象电性是一种宏观的量子现象。仅从超导体的仅从超导体的零电阻现象零电阻现象出发，得不到出发，得不到迈斯纳效应迈斯纳效应。同样，用。同样，用迈斯迈斯纳效应纳效应也不能描述也不能描述零电阻现象零电阻现象。因此，迈斯纳效应和零电阻性质是超导态的因此，迈斯纳效应和零电阻性质是超导态的两个独立的基本属性两个独立的基本属性，衡量一种材料是否具有超导电性必须看是否衡量一种材料是否具有超导电性必须看是否同时具有同时具有零电阻和迈斯零电阻和迈斯纳效应。纳效应。迈斯纳效应产生的原因迈斯纳效应产生的原因当超导体处于超导态时，在磁场的作用下，表面产生当超导体处于超导态时，在磁场的作用下，表面产生无损耗感应无损耗感应电流电流，这个电流产生的磁场与原磁场的大小相等，方向相反，因，这个电流产生的磁场与原磁场的大小相等，方向相反，因而总合成磁场为零。而总合成磁场为零。无损感应电流无损感应电流对对外加磁场外加磁场起着起着屏蔽的作用屏蔽的作用，因此又称为，因此又称为抗磁性屏抗磁性屏蔽电流蔽电流。根据上述超导材料的两个基本特征，可以看出：根据上述超导材料的两个基本特征，可以看出：超导体超导体是指某种物质冷却到某一温度时是指某种物质冷却到某一温度时电阻突然变为零电阻突然变为零，同时物，同时物质内部质内部失去磁通失去磁通成为完全抗磁性的物质。成为完全抗磁性的物质。1.低温超导材料低温超导材料 超超导导材材料料按按其其化化学学组组成成可可分分为为：元元素素超超导导体体、合合金金超超导导体体、金金属属间间化合物超导体化合物超导体、陶瓷超导体陶瓷超导体、高分子超导体高分子超导体。1.1 元素超导体元素超导体临临界界温温度度Tc达达到到液液氮氮温温度度（77K)以以上上的的超超导导材材料料称称为为高高温温超超导导体体，元素超导体，合金超导体，金属间化合物超导体元素超导体，合金超导体，金属间化合物超导体均属均属低温超导体低温超导体。低低温温常常压压下下，已已发发现现具具有有超超导导电电性性的的金金属属元元素素有有28种种。其其中中过过渡渡族族元元素素18种种，如如Ti，V，Zr，Nb，Mo，Ta等等。非非过过渡渡族族元元素素10种种，如如Bi，Al，Sn，Pb等等。Nb临临界界温温度度9.24K，为为最最高高；在在施施以以30万万大大气压的条件下，超导元素的最高临界温度可达气压的条件下，超导元素的最高临界温度可达13K。元元素素超超导导体体除除V，Nb，Ta以以外外均均属属于于第第一一类类超超导导体体，由由于于临临界界温温度度太低，无太大实用价值。太低，无太大实用价值。6.5 超导材料的分类超导材料的分类周期表中的超导元素周期表中的超导元素1.2 合金超导体合金超导体合合金金超超导导体体是是机机械械强强度度最最高高、应应力力应应变变较较小小、磁磁场场强强度度低低、临临界界电电流流密密度度高高的的超超导导体体，在在早早期期得得到到实实际际应应用用。超超导导合合金金主主要要有有Ti-V、Nb-Zr、Mo-Zr、Nb-Ti等等合合金金系系，其其中中Ge-Nb3的的临临界界温温度度最最高高（23.2K）。70年年代代中中期期，在在Nb-Zr，Nb-Ti合合金金的的基基础础上上又又发发展展了了一一系系列列具具有有很很高高临临界界电电流流的的三三元元超超导导合合金金材材料料，如如Nb-40Zr-10Ti，Nb-Ti-Ta等等，它它们们是是制制造造磁磁流流体体发发电电机机大大型型磁磁体体的的理理想想材材料。料。1.3 金属间化合物超导体金属间化合物超导体金金属属间间化化合合物物超超导导体体的的临临界界温温度度与与临临界界磁磁场场一一般般比比合合金金超超导导体体的高，但此类超导体的脆性大，不易直接加工成带材或线材。的高，但此类超导体的脆性大，不易直接加工成带材或线材。目目前前，金金属属间间化化合合物物超超导导材材料料的的加加工工方方法法较较成成熟熟的的是是化化学学蒸蒸镀镀法法和和表表面面扩扩散散法法制制成成Nb3Sn带带材材；利利用用表表面面扩扩散散法法制制成成V3Ga带带材材。日日本本开开发发的的用用加加Ti的的Nb3Sn线线材材制制成成的的超超导导磁磁体体已已投投入入使使用。在用。在V和和Cu-Ga合金中加入合金中加入Mg，可获得更好的效果。，可获得更好的效果。近近年年来来日日本本采采用用熔熔体体急急冷冷法法、激激光光和和电电子子束束辐辐照照等等新新方方法法，对对Nb3Al等等化化合合物物进进行行试试验验，取取得得了了重重要要进进展展。如如用用电电子子束束和和激激光光束束辐辐照照Nb3（AlGe），在在4.2K，25T的的磁磁场场下下，临临界界电电流流密密度度达到达到3x104A/cm2。1.4 陶瓷超导体陶瓷超导体 1986年年发发现现了了陶陶瓷瓷超超导导体体，使使超超导导材材料料获获得得了了更更高高的的临临界界温温度度，如如YBaCuO（Tc90K）、TiBaCaCuO（Tc120K）等等。最最大大缺点为脆性大，加工困难。缺点为脆性大，加工困难。YBaCuO主要有：主要有：镧系高温超导陶瓷镧系高温超导陶瓷：La2CuO3；钇系高温超导陶瓷钇系高温超导陶瓷：YBa2Cu2Oy；铋系高温超导陶瓷铋系高温超导陶瓷：Bi-Sr-Cu-O；铊系高温超导陶瓷铊系高温超导陶瓷：Ta-Ba-Ca-Cu-O。陶瓷超导体的应用陶瓷超导体的应用在信息领域：在信息领域：用作高速转换元件、通信元件和连接电路。用作高速转换元件、通信元件和连接电路。在生物医学领域：在生物医学领域：用于核磁共振断层摄像仪、量子干涉仪、用于核磁共振断层摄像仪、量子干涉仪、粒子线治疗装置等。粒子线治疗装置等。在交通运输领域：在交通运输领域：完全抗磁体制造的磁悬浮列车、电磁推进完全抗磁体制造的磁悬浮列车、电磁推进 器、飞机航天飞机发射台等。器、飞机航天飞机发射台等。在电子能源领域：在电子能源领域：用于超导磁体发电、超导输电、超导储能等用于超导磁体发电、超导输电、超导储能等在宇宙开发、军事领域：在宇宙开发、军事领域：潜艇的无螺旋浆无噪声电磁推进器、潜艇的无螺旋浆无噪声电磁推进器、超导磁炮等。超导磁炮等。2.高温超导材料高温超导材料晶体结构具有很强的低维特点，三个晶格常数往往相差晶体结构具有很强的低维特点，三个晶格常数往往相差3-4倍；倍；输运系数（电导率、热导率等）具有明显的各向异性；输运系数（电导率、热导率等）具有明显的各向异性；磁场穿透深度远大于相干长度，是第磁场穿透深度远大于相干长度，是第II类超导体；类超导体；载流子浓度底，且多为空穴型导电；载流子浓度底，且多为空穴型导电；同位素效应不显著；同位素效应不显著；迈斯纳效应不完全；迈斯纳效应不完全；隧道实验表明能隙存在，且为库柏型配对。隧道实验表明能隙存在，且为库柏型配对。l目目前前，在在高高温温超超导导领领域域，着着重重进进行行三三个个方方面面的的探探索索：一一是是继继续续提提高高超超导导临临界界温温度度，争争取取获获得得室室温温超超导导体体；二二是是寻寻找找适适合合高高温温超超导导的的微微观机理；三是加紧高温超导材料与器件的研制，以便实用化。观机理；三是加紧高温超导材料与器件的研制，以便实用化。6.6 超导材料的应用超导材料的应用在在超超导导的的应应用用上上，目目前前处处于于领领先先地地位位的的是是制制造造高高磁磁场场的的超超导导磁磁体体。在在许许多多研研究究室室中中，已已使使用用供供物物性性研研究究用用的的小小型型、中中型型超超导导磁磁体体。另另外外，在在高高能能物物理理、受受控控核核反反应应、磁磁流流体体发发电电机机、输输电电、磁磁浮浮列列车车、舰舰船船推推进进、贮贮能能、医医疗疗各各领领域域，超超导导的的应应用用也也在在稳稳步步进进行行。粗粗略略地地计计算算一一下下。采采用用超超导导磁磁体体后后，可可以以使使现现有有设设备备的的能能量量消消耗耗降低到原来的十分之一到百分之一。降低到原来的十分之一到百分之一。应应用用技技术术的的发发展展，有有待待于于更更高高级级的的基基础础技技术术的的建建立立和和进进步步，如如线线材材和和薄薄膜膜的的制制造造技技术术，制制冷冷及及冷冷却却技技术术，超超低低温温用用结结构构材材料料和和检检测测技技术术。另另外外，高高临临界界温温度度的的超超导导材材料料的的发发现现及及加加工工也也是是一一个个必必不不可可少少的的条条件件。据据报报道道：美美国国、中中国国、日日本本都都已已制制成成了了高高温温超超导导薄膜薄膜。1.开发新能源开发新能源 1.1 超导受控热核反应堆超导受控热核反应堆受控热核反应的实现，将从根本上解决人类的能源危机。受控热核反应的实现，将从根本上解决人类的能源危机。核核聚聚变变反反应应时时，内内部部温温度度高高达达1亿亿-2亿亿，没没有有任任何何常常规规材材料料可可以以包包容容这这些些物物质质。而而超超导导体体产产生生的的强强磁磁场场可可以以作作为为“磁磁封封闭闭体体”，将将热热核核反反应应堆堆中中的的超超高高温温等等离离子子体体包包围围、约约束束起起来来，然然后后慢慢慢慢释释放放，从从而而使使受受控控核核聚聚变变能能源源成成为为21世世纪纪前前景景广广阔阔的的新新能能源。源。大大体体积积、高高强强度度的的大大型型磁磁场场的的磁磁感感应应强强度度约约为为105T。这这种种磁磁体体贮贮能能应应达达4 1010J，只只有有超超导导磁磁体体才才能能满满足足要要求求；若若用用常常规规磁磁体体，产生的全部电能只能维持该磁体系统的电力消耗。产生的全部电能只能维持该磁体系统的电力消耗。用用于于制制造造核核聚聚变变装装置置中中超超导导磁磁体体的的超超导导材材料料主主要要是是Nb3Sn，Nb-Ti合金，合金，NbN，Nb3Al，Nb3(Al，Ge)等。等。1.2 超导磁流体发电超导磁流体发电磁磁流流体体发发电电是是一一种种靠靠燃燃料料产产生生高高温温等等离离子子气气体体，使使这这种种气气体体通通过过磁磁场场而而产产生生电电流流的的发发电电方方式式。磁磁流流体体发发电电机机的的主主体体部部分分主主要要由由三三个个部部分分组组成成：燃燃烧烧室室，发发电电通通道道和和电电极极，其其输输出出功功率率与与发发电电通通道道体体积积及及磁磁场场强强度度的的平平方方成成正正比比。如如使使用用常常规规磁磁体体，不不仅仅磁磁场场的的大大小小受受到到限限制制，而而且且励励磁磁损损耗耗大大，发发电电机机产产生生的的电电能能将将有有很很大大一一部部分分为为自自身身消消耗耗掉掉，尤尤其其是是磁磁场场较较强强时时。而而超超导导磁磁体体可可以以产产生生较较大大磁场，且励磁损耗小，体积，重量也可以大大减小。磁场，且励磁损耗小，体积，重量也可以大大减小。美美国国和和日日本本对对磁磁流流体体发发电电进进行行了了大大规规模模的的研研究究。日日本本制制造造的的磁磁流流体体发发电电超超导导磁磁体体产产生生磁磁场场4.5T，储储能能60MJ，发发电电500kw，目目前前，采采用用超超导导磁磁体体的的磁磁流流体体发发电电机机已已经经开开始始工工作作，磁磁流流体体一一蒸蒸汽汽联联合合电站正在进行试验。电站正在进行试验。磁磁流流体体发发电电特特别别适适合合用用于于军军事事上上大大功功率率脉脉冲冲电电源源和和舰舰艇艇电电力力推推进进。美国将磁流体推进装置用于潜艇，已进行了实验。美国将磁流体推进装置用于潜艇，已进行了实验。2.节能方面节能方面2.1 超导输电超导输电超导体的零电阻特性使超导输电引起人们极大