超导现象

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迈斯纳效應展示：磁鐵飄浮於一高溫超導體之上 (下方為沸騰中的液態氮)

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（T_c）。超导现象的特征是零电阻和完全抗磁性。

金屬導體的電阻會隨著溫度降低而逐漸減少。然而，對於普通導體如銅和銀，純度和其他缺陷也會影響其極限。即使接近絕對零度時，純樣的銅也仍然保有電阻值。而超導體的電阻值，相反地，則是當材料低於其"臨界溫度"時，電阻會驟降為零，通常在絕對溫度 20 度或更低時。在超導體線材裡面的電流能夠不斷地持續而不需提供電能。如同磁性和原子能譜等現象，超導特性也是種量子效應。這種性質無法單純靠傳統物理學中理想化的「全導特性」來理解。

超導現象可在各種不同的材料上發生，包括單純的元素如錫和鋁，各種金屬合金和一些經過佈塗的半導體材料。超導現象不會發生在貴金屬像是金和銀，也不會發生在大部分的磁性金屬上。

在1986年發現的銅氧鈣鈦陶瓷材料等系列，即所謂的高溫超導體，具有臨界溫度超過90度Ｋ的特質，基於各種因素促使學界又再度燃起研究的興趣。對於純研究的領域而言，這些材質呈現一種現象是目前理論所無法解釋的。而且，因為這種超導狀態可在較容易達成的溫度下進行，尤其若能發現具備更高臨界溫度的材料時，則更能實現於業界應用。

[编辑] 超導體的基本特性

大多數的超導體物理特性會隨著材料不同而改變，例如熱容量和維持超導特性的臨界溫度。換句話講，有某些特性是跟基本材質是無關的，例如，在沒有磁場的情況下，所有的超導體均有「真正」零阻抗、不會削弱電流的特性。這些「共通」性質的存在，意味著超導現象是一種熱力學型態，且因此具有不同的宏觀性質。

[编辑] 零阻抗

在CERN粒子加速器使用的電纜線：上方為用於LEP的常規纜線；下方為用於大型強子碰撞機的超導纜線。

測量某種材料的電阻，最簡單的方式就是把它放入帶有電流源「I」的電路之中，並測量材料之間的電壓「V」。材料的阻抗可由歐姆定律求得，如下列方程式 $R = \frac{V}{I}$ 。若電壓為零，即表示阻抗亦為零，且此材料進入了超導狀態。

超導體也可在無供應電壓下維持電流，這個特性已利用於MRI機器中的超導電磁機。多項實驗證實，超導線圈可以維持好幾年而不會有任何可測量到的衰減量。實驗證據指出，對一電流的生命週期至少持續十萬年，而且理論上估計的電流持續時間，甚至超過宇宙的壽命。

在一般的導體，電流可以視作在巨大的離子晶格間移動的電子流。電子不斷地撞擊晶格內的離子，在每次撞擊後，帶有能量的電流就被晶格所吸收並轉換成熱（實質上是晶格離子的震動能。）因此，電流夾帶的能量會不斷地消散，即所謂的電阻現象。

而在超導體中情況則是大為不同。在傳統超導體，電子流無法解析為單獨的電子。反而，它是由束縛的「一對」電子，稱作庫柏對（Cooper Pairs）所組成。這個電子對是起因於電子間交換聲子時而產生的吸引力。基於量子力學，這個庫柏對量子流的能譜具有一個「能量間隙」，以「ΔE」表示最小能量其必須滿足以激發電子流。因此，若「ΔE」大於晶格的熱能（假設為「kT」，其中「k」為波茲曼常數且「T」為溫度），則量子流不會因晶格而消散。庫柏對量子流因此成為超流體，意即它能流動而無能量損耗。

[编辑] 发现

1911年春，荷兰物理学家昂尼斯在用液氦将汞的温度降到4.2K时，发现汞的电阻降为零。他把这种现象称为导性。后来昂尼斯和其他科学家陆续发现其他一些金属也是超导体。昂内斯因为这项重大发现而获得1913年的诺贝尔物理学奖。

[编辑] 完全抗磁性

1933年，德国物理学家迈斯纳（Walther Meissner）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。

[编辑] 机理

1957年，美国物理学家约翰·巴丁、库珀（Leon Cooper）、施里弗（Robert Schrieffer）提出了以他们名字首字母命名的BCS理论，用于解释超导现象的微观机理。BCS理论认为：晶格的振动使自旋和动量都相反的两个电子组成动量为零的库珀对，所以根据量子力学中物质波的理论，库珀对的波长很长以至于其可以绕过晶格缺陷杂质流动从而无阻碍地形成电流。巴丁、库珀、施里弗因此获得1972年的诺贝尔物理学奖。

[编辑] 进一步的发现

1952年，科学家发现了合金超导体硅化钒。1986年1月，德国科学家伯德诺兹（Georg Bednorz）和瑞士科学家缪勒（Alex Müller）发现陶瓷性金属氧化物可以作为超导体，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以及中国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。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。