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超导现象

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麦士纳效应中的超导体,具有极大工业潜力
麦士纳效应中的超导体,具有极大工业潜力

超导现象是指材料在低于某一温度时,电阻变为零的现象,而这一温度称为超导转变温度(Tc)。超导现象的特征是零电阻和完全抗磁性

超导体的基本特性

关于超导材料转变时比热(cv)与电阻率(ρ)变化关系的图像
关于超导材料转变时比热(cv)与电阻率(ρ)变化关系的图像

超导现象是指材料在低于某一温度时,电阻变为零(以目前观测,即使有,也小至10−25欧姆·平方毫米/米以下)的现象,而这一温度称为超导转变温度(Tc)。超导现象的特征是零电阻和完全抗磁性。

金属导体的电阻会随着温度降低而逐渐减少。然而,对于普通导体如铜和银,即使接近绝对零度时,仍然保有最低的电阻值,这是纯度和其他缺陷的影响所致。另一方面,超导体的电阻值在低于其"临界温度"时,一般出现在绝对温度20 K或更低时会骤降为零。在超导体线材里面的电流能够不断地持续而不需提供电能。如同磁性和原子能谱等现象,超导特性也是种量子效应。这种性质无法单纯靠传统物理学中理想化的“全导特性”来理解。

超导现象可在各种不同的材料上发生,包括单纯的元素如锡和铝,各种金属合金和一些经过布涂的半导体材料。超导现象不会发生在贵金属像是金和银,也不会发生在大部分的磁性金属上。

在1986年发现的铜氧钙钛陶瓷材料等系列,即所谓的高温超导体,具有临界温度超过90K的特质,基于各种因素促使学界又再度燃起研究的兴趣。对于纯研究的领域而言,这些材质呈现一种现象是当时BCS理论所无法解释的。(依BCS理论,当温度超过39K,库珀对会不稳定而无法维持超导状态。)而且,因为这种超导状态可在较容易达成的温度下进行,尤其若能发现具备更高临界温度的材料时,则更能实现于业界应用。

超导体的分类

超导体的分类没有唯一的标准,最常用的分类如下:

发现

1908年,荷兰物理学家海克·卡末林·昂内斯成功将气液化,随后在1911年春,昂内斯在用液氦的温度降到4.15 K时,发现汞的电阻降为零[1]。他把这种现象称为超导性。后来昂内斯和其他科学家陆续发现其他一些金属也是超导体。昂内斯因为对生产液氦的贡献以及发现超导现象而获得1913年的诺贝尔物理学奖

完全抗磁性

1933年,德国物理学家瓦尔特·迈斯纳(Walther Meissner)和罗伯特·奥克森菲尔德(Robert Ochsenfeld) 发现了超导体的完全抗磁性,即当超导体处于超导状态时,超导体内部磁场为零,对磁场完全排斥,即迈斯纳效应。但当外部磁场大于临界值时,超导性被破坏[2]

原理

伦敦方程

解释超导现象最早的理论是由弗里茨·伦敦海因茨·伦敦兄弟在1935年提出的伦敦方程[3]。这套方程基于经典电磁学理论并能有效的解释迈斯纳效应。根据伦敦方程,超导体内部的电场 E 以及磁场 B 可以表述为以下关系(高斯单位制cgs):

第一个方程说明了超导体零电阻,即无穷大电导的特性,第二个方程结合麦克斯韦方程组可以推导出磁场只能穿透超导体的表面,这个穿透深度称之为伦敦穿透深度,超导体内部的磁场则为零,即是迈斯纳效应

BCS理论

1957年,美国物理学家约翰·巴丁利昂·库珀约翰·施里弗提出了以他们姓氏首字母命名的BCS理论[4][5],用于解释超导现象的微观机理。BCS理论认为:晶格振动,称为声子(Phonon),使自旋动量都相反的两个电子组成动量为零、总自旋为零的库珀对,称为电声子相互作用。由于库珀对的总自旋为零,适用量子统计力学中玻色子的理论,库珀对如同超流体可以绕过晶格缺陷杂质流动从而无阻碍地形成超导电流。巴丁、库珀、施里弗因此获得1972年的诺贝尔物理学奖。 不过,BCS理论并无法成功的解释所谓非常规超导体英语Unconventional superconductor,或高温超导的现象。

高温超导体

超导临界温度时间线 1900 to 2015
超导临界温度时间线 1900 to 2015

自1911年发现超导现象的很长一段时间内,物理学家认为超导的上限温度不会超过30 K。后来发现的超导临界温度高于30 K的都被称为高温超导体。1953年,科学家发现了合金超导体硅化钒[6]。1986年1月,德国科学家约翰内斯·贝德诺尔茨和瑞士科学家卡尔·米勒发现陶瓷金属氧化物可以作为超导体[7],开启了铜基高温超导体的时代,从而获得了1987年诺贝尔物理学奖。1987年,美国华裔科学家朱经武台湾物理学家吴茂昆以及大陆科学家赵忠贤相继在钇-钡-铜-氧系材料上把临界超导温度提高到90K以上,液氮的“温度壁垒”(77K)也被突破了[8]。1987年底,铊-钡-钙-铜-氧系材料又把临界超导温度的记录提高到125K。从1986年-1987年的短短一年多的时间里,临界超导温度提高了近100K。大约1993年,铊-汞-铜-钡-钙-氧系材料又把临界超导温度的记录提高到138K[9][10]

2008 年,东京工业大学细野秀雄(Hideo Hosono)与其合作者发现了新的一类铁基超导体LaO1-xFxFeAs(超导临界温度26 K)[11]。随后,铁基超导体的超导临界温度很快被提高到55 K[12]。2012年,清华大学的薛其坤及起合作者发现生长在SrTiO3衬底上的单原子层FeSe具有高于77 K的超导临界温度[13],这也是目前铁基超导体的最高超导临界温度记录。

铜基超导体和铁基超导体都是非传统超导体,即是非BCS超导体,电子声子耦合不能解释这两个体系的超导现象,目前还没有统一的理论来解释这两类非传统超导体。

2015年,物理学者发现,硫化氢在极度高压的环境下(至少150GPa,也就是约150万标准大气压),约于温度203K (-70 °C)时会发生超导相变,是目前已知最高温度的超导体[14]非常有趣的是,硫化氢属于传统BCS超导体,这一发现也重新开拓了传统超导体的新领域。

2018年3月仅21岁的中国物理学生曹原在《自然》期刊上以第一作者发表两篇论文[15],内容是试验发现两层石墨烯以1.1度的偏转夹角叠起来时实现了1.7K温度下的超导,此种超导方式虽然离高温超导甚远,但重大价值在于向揭开超导原理的成因迈出一大步,一种绝缘体或不良导体透过参杂与变换突然变成超导体,是众多当前热门铜氧系超导材料的特性,所以石墨这种本质上如此常见的物质仅仅是薄化成了石墨烯再用特定方式堆叠就出现超导特性,大大减少了推理解决超导之谜的参数复杂度,[16]此发现的重大线索特性让自然杂志在论文刊出3天后撰写了一篇编辑评论《惊人的石墨稀发现与解开超导秘密》[17],认为这种思维路径很可能指引一条道路最终解开超导之谜,从而能用推演设计法制造出一种地球环境的常温超导体。罗伯特·劳夫林(1998年诺贝尔物理奖得主)发表文章认为这给出了“一个令人目眩的暗示”[18]也许超导体成因没有想像中复杂,终有一天能轻易用一套物理计算法算出怎样的物质在怎样情境下能超导,那时瞬间就能推理设计出常温超导体,大幅改变科技进程。

参见

参考资料

  1. ^ Kamerlingh Onnes. Further experiments with liquid helium. D. On the change of electric resistance of pure metals at very low temperatures, etc. V. The disappearance of the resistance of mercury.. Comm. Phys. Lab. Univ. Leiden. 1911, (122b). 
  2. ^ W. Meissner, R. Ochsenfeld. Ein neuer Effekt bei Eintritt der Supraleitfähigkeit. Naturwissenschaften. 1933, 44 (21): 787-788. doi:10.1007/BF01504252. 
  3. ^ F. London, H. London. The Electromagnetic Equations of the Supraconductor. Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 1935, 149 (866): 71. doi:10.1098/rspa.1935.0048. 
  4. ^ J. Bardeen; L. N. Cooper & J. R. Schrieffer. Microscopic Theory of Superconductivity. Physical Review. 1957, 106 (1): 162-164. 
  5. ^ J. Bardeen; L. N. Cooper & J. R. Schrieffer. Theory of Superconductivity. Physical Review. 1957, 108 (5): 1175–1205. 
  6. ^ George F. Hardy. John K. Hulm. Superconducting Silicides and Germanides. Phys. Rev. 1953, 89: 884. 
  7. ^ J. G. Bednorz. K. A. Müller. Possible high Tc superconductivity in the Ba−La−Cu−O system. Z. Phys. B. 1986, 64 (1): 189–193. doi:10.1007/BF01303701. 
  8. ^ M. K. Wu. J. R. Ashburn, C. J. Torng, P. H. Hor, R. L. Meng, L. Gao, Z. J. Huang, Y. Q. Wang, and C. W. Chu. Superconductivity at 93 K in a new mixed-phase Y-Ba-Cu-O compound system at ambient pressure. Phys. Rev. Lett. 1987, 58 (9): 908–910. doi:10.1103/PhysRevLett.58.908. 
  9. ^ A. SCHILLING, M. CANTONI, J. D. GUO & H. R. OTT. Superconductivity above 130 K in the Hg–Ba–Ca–Cu–O system. Nature. 1993, 36 (6424): 56–58. doi:10.1038/363056a0. 
  10. ^ P. Dai, B.C. Chakoumakos, G.F. Sun, K.W. Wong, Y. Xin, D.F. Lu. Synthesis and neutron powder diffraction study of the superconductor HgBa2Ca2Cu3O8 + δ by Tl substitution. Physica C. 1995, 243 (3–4): 201–206. doi:10.1016/0921-4534(94)02461-8. 
  11. ^ Yoichi Kamihara ,*† Takumi Watanabe ,Masahiro Hirano , and Hideo Hosono. Iron-Based Layered Superconductor La[O1-xFx]FeAs (x = 0.05−0.12) with Tc = 26 K. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130 (11): 3296–3297. doi:10.1021/ja800073m. 
  12. ^ Zhi-An Ren, Guang-Can Che, Xiao-Li Dong, Jie Yang, Wei Lu, Wei Yi, Xiao-Li Shen, Zheng-Cai Li, Li-Ling Sun, Fang Zhou. Superconductivity and phase diagram in iron-based arsenic-oxides ReFeAsO1−δ (Re = rare-earth metal) without fluorine doping. Europhysics Letters: 17002p1-p4. doi:10.1209/0295-5075/83/17002. 
  13. ^ Q. Y. Wang, Z. Li, W.-H. Zhang, Z. C. Zhang, J.-S. Zhang, W. Li, H. Ding, Y.-B. Ou, P. Deng, K. Chang, J. Wen, C. L. Song, K. He, J.-F. Jia, S.-H. Ji, Y.-Y. Wang, L.-L. Wang, X. Chen, X.-C. Ma, Q.-K. Xue. Interface-Induced High-Temperature Superconductivity in Single Unit-Cell FeSe Films on SrTiO3. Chinese Physics Letters. 2010, 29 (037402). 
  14. ^ Cartlidge, Edwin. Superconductivity record sparks wave of follow-up physics. Nature News. 18 August 2015 [18 August 2015]. 
  15. ^ 联合报-曹原的超导地位
  16. ^ 东森-超导天才
  17. ^ Surprise graphene discovery could unlock secrets of superconductivity
  18. ^ 科技袁人官方频道-曹原超导

外部链接

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