IAE 2022.06.04

超導現像是由丹麥物理學家 H. Kamerlingh Onnes（1853-1926 年；1913 年諾貝爾物理學獎）發現的，他找到了一種液化氦的方法，氦在 4.2 K 和 1 個大氣壓下沸騰。為了利用這種新型低溫流體帶來的極低溫度，他開始系統地研究金屬的特性，尤其是它們的電特性。由於樣品的電阻在技術上比其電導率更容易測量，因此 Onnes 測量了他的樣品的電阻率。材料的電阻率和電導率成反比：

電導率=1電阻率(12.7.1)
1911 年，Onnes 發現在大約 4 K 時，金屬汞的電阻率（熔點 = 234 K）突然下降到基本為零，而不是像預期的那樣隨著溫度的降低而繼續緩慢下降（圖 12.7.1）。他將這種現象稱為超導現象，即固體在低溫下對電流的流動表現出零阻力的現象。因為電阻率為零意味著電流可以永遠流動。 Onnes 很快發現許多其他金屬元素在非常低的溫度下表現出超導性。這些超導體中的每一個都是在低溫下對電流的流動表現出零阻力的固體。具有特徵超導轉變溫度 (Tc) 材料​​的電阻降至零時的溫度。其電阻率降至零。在低於其 Tc 的溫度下，超導體也會從其內部完全排出磁場（圖 12.7.2 中的 (a) 部分）。這種現象稱為邁斯納效應（Meissner effect），超導體將磁場完全從其內部排出的現象。它的發現者之一是德國物理學家 Walther Meissner，他在 1933 年描述了這種現象。由於邁斯納效應，超導體實際上會“漂浮”在磁鐵上，如圖 12.7.2 中的 (b) 部分所示。

BCS理論
多年來，超導現象無法用常規物理定律令人滿意地解釋。然而，在 1950 年代初期，美國物理學家約翰·巴丁 (John Bardeen)、萊昂·庫珀 (Leon Cooper) 和約翰·施里弗 (John Schrieffer) 提出了一種超導理論，為他們贏得了 1972 年的諾貝爾物理學獎。根據 BCS 理論，這是一種用於解釋超導現象的理論。 （以其姓氏的首字母命名），電子能夠以零電阻穿過固體，因為兩個電子之間存在一定距離的吸引力相互作用。當一個電子穿過晶格時，周圍的原子核就會被它吸引。原子核的運動可以產生一個瞬態（短暫）空穴，將第二個電子拉向與第一個電子相同的方向。然後原子核返回到它們原來的位置，以避免在接近時與第二個電子發生碰撞。電子對，稱為庫珀對作為一個單元在超導材料中遷移的電子對，作為一個單元在晶體中遷移。庫珀對中的電子經常更換夥伴，就像芭蕾舞中的舞者一樣。

根據 BCS 理論，隨著固體溫度的升高，晶格中原子的振動不斷增加，直到最終電子無法避免與它們發生碰撞。碰撞導致在較高溫度下失去超導性。

超導現象提出了許多令人興奮的技術應用。例如，在電力電纜中使用超導線將導致零功率損耗，即使在數百英里的距離內也是如此。此外，由於超導體會排出磁場，磁軌和超導輪（或反之亦然）的組合可用於產生磁懸浮，例如，火車在軌道上，從而實現無摩擦運輸。

不幸的是，多年來，唯一已知的超導體存在嚴重的局限性，特別是需要非常低的溫度，這需要使用昂貴的低溫流體，如液態氦。此外，許多物質的超導特性會被大電流甚至中等大的磁場破壞，使其無法用於電力電纜或強磁場磁鐵。然而，NbTi、NbSn、Nb3Si 和 Nb3Ge 等材料能夠耐受相當高的磁場，這導致了超導體的許多商業應用，包括用於核磁共振 (NMR) 光譜儀和磁共振的高場磁體醫學中的成像 (MRI) 儀器，與 X 射線不同，它可以檢測身體軟組織的微小變化。

高溫超導體
由於這些限制，科學家們繼續尋找在高於 77 K（液氮的溫度，最便宜的低溫流體）的溫度下表現出超導性的材料。 1986 年，在蘇黎世為 IBM 工作的 Johannes G. Bednorz 和 Karl A. Müller 表明，某些含有 La、Ba 和 Cu 的混合金屬氧化物在 30 K 以上表現出超導性。這些化合物是由法國工人製備的潛在固體幾年前的催化劑，但從未在低溫下檢查過它們的電性能。儘管最初科學界非常懷疑，但這些化合物很容易製備，結果在幾週內就得到了證實。這些高溫超導體是一種在超過 30 K 的溫度下變成超導體的材料。貝德諾茲和穆勒在 1987 年獲得了諾貝爾物理學獎。隨後的研究產生了具有相關結構的新化合物，這些化合物在高達 135 K 的溫度下具有超導性。其中最著名的是 Paul Chu 和 Maw-Kuen Wu Jr. 發現的，被稱為“Chu-Wu 相”或 1-2-3 超導體。

1-2-3 超導體的公式是 YBa2Cu3O7−x，其中對於在約 95 K 下超導的樣品，x 約為 0.1。如果 x ≈ 1.0，給出 YBa2Cu3O6 的公式，則該材料是電絕緣體。因此，超導相是一種非化學計量化合物，具有固定比例的金屬原子，但氧含量可變。該材料合成的總體方程式如下：

Y2O3(s)+4BaCO3(s)+6CuO(s)+12O2(g)→Δ2YBa2Cu3O7(s)+4CO2(g)

 

由 Y-Ba-Cu-O 組成的超導體結構與簡單鈣鈦礦結構的關係 (a) 將三個以 Ca 為中心的 CaTiO3 鈣鈦礦結構的晶胞堆疊在一起（圖 12.3.5 中的 (b) 部分）以及 (b) 用 Cu 代替所有 Ti 原子，用 Ba 代替頂部和底部立方體中的 Ca，用 Y 代替中央立方體中的 Ca，得到 YBa2Cu3O9 化學計量。 (c) 每個晶胞去除兩個氧原子得到了超導材料的標稱 YBa2Cu3O7 化學計量。

表 12.7.1 列出了近年來發現的一些已知高溫超導體的理想成分。 工程師們已經學會瞭如何將易碎的多晶 1-2-3 和相關化合物加工成可以承載巨大電流的電線、膠帶和薄膜。 商業應用包括它們在紅外傳感器、模擬信號處理和微波設備中的應用。

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