刘明坤 王红宇 王浩 王天倚 何亮

摘要：超导现象指的是某些材料在温度降低到某一临界温度时，电阻突然消失的现象。自超导现象被发现以来，科学家一直致力于新型超导体的发现，超导微观机理的研究以及超导体的应用。本文对超导现象及一些超导体的特性进行了概述。

关键词：超导体;零电阻;迈斯纳效应

超导现象和超导体

1908年7月10日，荷兰莱顿大学的昂尼斯等人成功地将氦气液化。沸点为4.2K的液态氦为低温物理的研究打开了一扇新的大门[1]。1911年4月8日，昂尼斯等人在研究金属在低温下的电阻行为的实验中，发现金属汞冷却到4.2K时，其电阻值突然下降到仪器测量范围的最低点，这在实验上可认为金属汞在4.2K的温度条件下的电阻降为了零[2]。昂尼斯把这种材料在低温下表现出电阻为零的现象称为超导现象。超导现象被发现后，引起了科研工作者们的极大关注。在发现超导现象的半个世纪里，陆续又发现了许多的金属以及合金在低温条件下同样有超导现象的出现，而一些非金属单质在温度、压力等外界条件的干预下也会有超导现象的发生。除了一些磁性单质、惰性气体、放射性重元素和部分碱金属外，许多元素单质在一定条件下都可以成为超导体[3]。德国物理学家迈斯纳在1933年的实验中发现，超导体除了具有零电阻的特性之外，还具有另外一个独立的特殊性质，即完全抗磁性[4]。当超导体进入超导态时，外界的磁场不能进入材料内部，同时材料内部的磁感应强度为零。在此之后，人们想要确定一种材料是否为超导体材料，就必须满足零电阻和迈斯纳效应这两种条件。

超导体被发现后，人们提出了很多的理论来解释超导体的零电阻特性的形成原因，其中具有代表性的是BCS理论[5]。BCS理论解释了超导体形成的微观机理，这一理论指出，金属中自旋和动量相反的电子可以配对形成一种“库珀对”，库珀对在材料的晶格当中可以无损耗的运动，形成超导电流，在一定条件下能够出现零电阻现象。此外BCS理论也预言了这种机制所诱导的超导转变温度不能超过40K，这称为麦克米兰极限[6]。

零电阻与迈斯纳效应

自1911年发现金属汞有零电阻现象后，至今为止已经有上千种的超导体被人们所发现。元素周期表中的大部分元素都会在特定的条件下变成超导体。超导材料中的电子可以不受阻尼地运动，并且在偏移之后形成“永久”电流。曾经有人把超导线圈放入磁场中，当撤销外界磁场时，线圈内会因为磁场的影响而产生感应电流。在非超导体材料中的感应电流很快就会衰减，而超导材料制成线圈中却一直存在着感应电流。我们可以把超导体制成电缆，利用零电阻的特性消除传输时的电力损耗;还可以制成超导线圈，利用强电流产生强磁场。超导体的特殊性质不单单是零电阻。Meissner和Ochsenfeld发现，当超导体处于超导状态时，超导材料的内部磁场为零，磁感应线被排除在外，这种完全抗磁的现象被称为迈斯纳（Meissner effect）效应，在此之后，判断某种材料是否为超导体的依据就是观察其是否具有零电阻与迈斯纳效应。

超导体的重要基本参数

超导体的性能是由其固有参数决定的，其中有三个最为重要的基本参数，分别为临界转变温度（Tc）、上临界场（Hc2） 和临界电流密度（Jc）这三种，这三种参数的值越大，材料的应用范围就越广。

1.临界转变温度

当材料温度低于临界转变温度时，材料表现为超导状态，当材料温度高于临界超导温度时，材料呈正常状态，临界转变温度Tc是超导材料的重要参数。临界转变温度越高，材料从正常状态转变为超导状态就越容易实现。在后期的应用上也会更加节能。

2.上临界场

上临界场Hc2是超导体在外界磁场的干涉下是否仍能保持超导状态的重要参数。当参与干预的磁场强度高于上临界场的数值时，材料从超导状态恢复到正常状态。根据公式：

可知上临界场的大小与温度有关。这项临界参数决定了材料能够实现超导的最高外界磁场大小。上临界场参数越高，材料在超导状态下能够承受的外界磁场就越强。因此在强磁场下工作的超导材料其自身往往需要具有较高的上临界场。

3.临界电流密度

超导材料保持零电阻状态时存在着一个电流上限，我们称之为临界电流密度。当通入超导体材料的电流密度超过了其自身的临界电流密度时，超导体的零电阻现象将会消失，恢复成正常的导体状态。这项参数决定了当材料被制成超导带材后，高温超导体所参与制成的仪器能够承受的最大电流密度存在一定上限。

第二类超导体与强场下的应用

超导体具有迈斯纳效应，即在其内部没有磁感线穿过。因此，在强电流或者强磁场的作用下，这种超导体就无法正常工作。1957年，Alexi Abrikosov发现，存在着与常规超导体不同的“第二类超导体”。对第二类超导体来说，随着磁场增强，超导态向正常态之间转变的过程中，要经历一个混合态。而在这种混合状态下，材料内部是允许有磁场进入的，同时材料仍能保持零电阻状态。当磁场继续增强时，材料会正式转变为正常态，失去超导特性。

第二類超导体包括NbTi，Nb3Sn，V3Ga，Nb3Ga，Nb3Ge等。在超导电缆输电、磁约束受控核聚变等强场领域都能够看到第二类超导体的身影。这些应用正是采用了对第二类超导体混合态的利用。超导体除了零电阻和迈斯纳效应等基本特性外，还具有磁通量子效应、约瑟夫森效应等特殊的物理性质，在磁屏蔽，微弱电磁测量等领域也都得到了应用。相信在不久的未来，我们会在更多的领域利用到超导体的其他奇异特性。

参考文献

[1]罗会仟.铁基超导的前世今生[J].物理，2014，43（07）：430-438.