超导电性

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第254页（3132字）

是某些金属材料在一定温度以下所呈现的异乎寻常的电、磁综合特性。

超导体一词表示当冷却到一定温度以下时能表现出超导电性的材料。人类对超导电性的研究历史可分为3个阶段：第1阶段自1911～1957年是人类对超导电性的基本探索和认识阶段，第2阶段从1958～1985年属于超导技术应用的准备阶段，第3阶段自1986年发现高温超导材料，人类开始步入超导技术开发时代。

如若能在常温下实现超导电性，则将使现代文明的一切技术发生变化。

1908年7月10日昂尼斯(H．KOnnes)领导荷兰莱顿大学实验室液化氦气成功，他利用液氦能获得1K的低温。

1911年他发表论文宣布：在4．2K附近，汞的电阻突然下降为零。超导电性这一名词是昂尼斯随后在1913年提出的；同年在锡、铅等元素上也发现了在一定温度下(称之为超导转变温度)电阻突然消失的现象，这叫零电阻效应。

1933年德国迈斯纳(W．Meissner)和奥克费耳特(R．Ochsenfeld)发现超导体具有完全抗磁效应，现称为迈斯纳效应。零电阻效应和迈斯纳效应是超导体的两个基本性质。

此后直到20世纪50年代又发现超导体一些其他主要性质，如同位素效应、超导态下电子比热的指数规律，在超导转变温度(TC)处超导态正常态相变时电子比热跳跃变化规律，正常超导相变前后晶体结构无变化以及电子谱中有超导能隙存在等。这就使人们认识到，对超导电性的任何一个成功的微观理论必须能在统一的微观物理图像基础上解释这一系列实验规律。1956年库珀(L．N．Cooper)完成了导致超导微观理论的关键一步，在对一个简单的双电子模型进行计算之后，库珀指出：当两个电子间在金属内出现吸引位势Ⅴ时，不论V多么小，都存在一个以大小相等而方向相反的动量(且具有相反自旋)而形成的电子对束缚态。库珀认为，这一结果表明，可能出现一种正常金属费米海的不稳定性，因为金属中的原有电子有可能重新组合它们自己，使每对电子进入库珀对态，从而使多体系统进入比费米海能量更低的稳定状态，这导致超导基态。

在库珀这一工作基础上，巴丁(J．Bardeen，)、库珀、施瑞弗(J．R．Schrieffer)共同完成了超导微观理论，称之为BCS理论。

20世纪60年代对超导技术应用的尝试达到高峰。主要有三大方面：一是实用超导材料的发展，继50年代中期制成V₃Si(TC=17．1K)，Nb₃Sn(TC=18．1K)后，60～70年代制成Nb₃Al_0．75Ge_0．2(T_C=20．5K)，Nb₃Ga(T_C=20．3K)，Nb₃Ge(T_C=23．2K)。二是大量的超导技术应用初探，如1961年首次用实用超导材料铌三锡制成第1个能产生强磁场的超导磁体，磁场达7T，而且损耗电能小，体积小，从此打开了超导技术应用的局面；同时，铌锆、铌钛、铌三锡实用超导线得到发展和商用；1966年有人建议设计速度为550km／h超导磁悬浮列车，1969年制成一台2．4×10⁶W直流超导电机。三是20世纪60年代超导电子器件的问世；1962年约瑟夫森(B．D．Josephson)指出，S₁IS₂结(S₁，S₂为超导薄层，I为绝缘薄层)可以通过无阻电流，只要电流小于某一临界值，1963年他的预言被证实，现称为约瑟夫森效应或超导隧道效应；1963年罗威耳(J．M．Rowell)发现超导隧道结的临界电流随磁场变化非常敏感。1963年以后，大量的实验工作详细研究了约瑟夫森效应的其它各方面，并使这一效应得到广泛的实际应用，一门新兴的学科——超导电子学诞生了。

1986年超导转变温度获突破性进展，从此超导电研究进入了新阶段。1986年1月IBM的苏黎世实验室研究人员K．A．Muller和J．G．Bednorz发现Ba－La－Cu－O的化合物中T_C有可能有高达30K的超导电性。其后的研究都证实了他们的发现，从而为解决高温超导材料提供了一种方法。

1987年，美国朱经武等首先制成了超导转变温度在液氮沸点以上的超导材料Y－Ba－Cu－O系统。1988年又有人制成不含稀土元素的Bi－Sr－Ca－Cu－O及TlBa－Ca－Cu－O系统，后者的超导转变温度可达125K。1993年，朱经武等发现HgBa₂Ca₂Cu₃O_8+δ的超导转变温度可达153K。

高温超导材料的发现给超导电性的广泛应用揭开了序幕。世界各国都在用很多人力、物力去研究具有高临界电流密度的高温超导实用线材、带材，还希望突破用高温超导材料发展超导电子器件。总的看来，高温超导研究现状仍处于攻坚阶段，遇到了一些在1986年始未料及的困难。例如，除继续探索更高温度超导材料外，制造高质量并有足够大小的单晶是很重要的技术应用基础，也是能测定高质量实验数据，提高复现程度的基础；又如，高温超导材料的薄膜制造技术遇到了在低温超导材料上没有碰到的问题，如各向异性引出的取向控制问题，而随着要求大面积以及多层器件结构对膜的特殊要求，还需发展相应的特殊技术。

为实现实用的高温电子学器件，需要深入研究一系列技术问题，如衬底、缓冲层、膜选择及合成、加工、作结、元件、器件以及产品等。

应该指出，高温氧化物超导材料只是提高超导转变温度的途径之一。与此同时，探索有机超导体的研究不容忽视。1980年发现了第1批有机超导体，其TC不到1K，以后发展很快，1990年的纪录是(BEDT-TTF)₂X这一类中当X为Cu〔N(CN)₂〕Br时，TC为12K。

1991年有关的突出事件为掺杂C₆₀系统的发现，如K₃C₆₀，T_C为19K，Rb₃C₆₀，TC为29K，Cs₂Rb₁C₆₀，TC达33K。其实，有机材料的优势在于种类繁多，把其C键、H键改变一下就是新材料。

若在有关几点上突破，那么接踵而来的规律必然大大超过目前的高温氧化物超导材料。

相信在20世纪末到21世纪初，超导电广泛应用会日趋实现。

它将在电能输送、电力工程、磁流体发电、受控热核反应、超导信号能、超导电子计算机、超导电子学器件、超导磁体技术、超导磁悬浮列车、探矿技术、地震研究技术、生物磁学、医学临床应用、针炙机理研究、气功机理研究、强磁场下物性及军事应用等广泛领域掀起瞩目的技术革新，从而对人类生活产生深远的影响。

【参考文献】：

1 Onnes K H.Leiden Communication,1911,120b

2 Meissner W,et al. Naturwissenshaften,1933,21:787

3 Cooper L N.Phys Rev,1956,104:1189

4 Bardben J, et al. Phys Rev,1957,108:1175

5 JosephsonB D. Rev Mod Phys,1974,46:251

6 Bednorz J G, Muller K A. Z. Phys,1986,64B:189

(北京大学博士生导师章立源教授撰)