材料的导电性代表电流通过该材料的能力,通常用电阻来表示。这一能力至关重要,影响到所有发电、用电应用的效能和安全。人们不仅要问:有没有种材料,可无阻碍地通过电流?这就是高温超导电性所要研究的问题。
从微观角度看,导电体中的电子可以从原子中分离出来四处“游荡”。如在一定条件下(如加电压、外加交变磁场),其中的电子就会形成定向运动,这就是电流。而电子在运动过程中所受到材料内原子实的散射就是电阻。当温度升高时,材料内原子实的热振动加剧,对电子的散射也随之增加,从而使材料的电阻也增加;相反,当温度下降时,材料的电阻就减少。设想一下,当温度不断下降,甚至接近绝对零度时,材料的电阻会趋向零值吗?科学家在无数次实验之后获知,对一般材料而言,发现在0K也还会有剩余电阻。难道就没有接近绝对零度,电阻趋近零值的材料了吗?1911年荷兰科学家昂纳斯首先研究了水银在4.2K温区的电阻,发现水银的电阻在4.2K附近,突然跳跃式地由一个有限值下降到仪器所不能检测出的数值。突变前后,电阻变化超过1万倍。昂纳斯认为这一状态为零电阻状态。但仪器检测不出来电阻值并不能真正说明达到了零电阻,于是有人设计了持久电流实验。实验方法是将水银做成一个闭合的圆环,将圆环先冷却到4.2K,然后垂直于圆环平面加上一外磁场,当磁场变化时,环内会产生一个感生电流。当外磁场停止变化后,已经产生的感生电流将持久地流动下去。有的实验曾发现两年多的时间内持久电流没有任何变化。可见,在达到一定极低温度的情况下,某些材料是能够处于零电阻状态的。后来发现,许多元素和化合物在各自特定的温度下都具有这种特性,人们将这一电阻突然消失的温度叫做临界温度或超导转变温度,而把具有超导转变性能的材料称之为超导体。这就为人们展现了一种前景:有可能利用具有零电阻性质的超导材料,制成输电线输送无限大的电流,而没有任何损耗。
但是,当人们用超导体输送电流时,却发现当电流超过一定数值后,超导体突然又恢复到具有电阻的状态。也就是说,处于零电阻状态的超导体所输送的电流具有一个临界值,当传输的电流超过这一值后,超导特性就消失了。不久人们又发现当外磁场达到一定的强度后或超导电流产生的感生磁场达到一定的强度后,都会破坏超导态。这就意味超导状态的维持还与磁场有关。1933年迈斯纳发现,不管外加磁场的方式如何,超导体内部磁感应强度恒等于零。也就是说,超导体内永远没有磁场。这种把磁场完全排出体外的性质被称之为完全抗磁性或迈斯纳效应。
零电阻效应和完全抗磁性是超导体的两个相互完全独立,而又紧密相关的基本特性。在超导体内通过有限电流时,零电阻要求导体内部的电场强度(E)恒等于零;但是电场强度为零不能保证超导体内部的磁感应强度(B)为零。相反,超导体内部的磁感应强度为零,表示超导体内部与外加磁场有关的电流永远不会出现,电流只能是外部引入的或内部闭合的电流。为了保证超导体内磁感应强度为零,在超导体的表面必然有一个不衰减(即没有电阻)的表面电流以屏蔽超导体外部的磁场,这个屏蔽外磁场的电流被称为迈斯纳电流。
对超导体,当外加磁场强度高于某一数值时,超导体会突然变成正常金属。超导体内部由原先完全没有磁场而变为有磁场。这是“理想”的第Ⅰ类超导体。所谓“理想”是指超导体的形状为球形,而超导态和正常态的界面能量为正值。实际上,有许多种超导体具有负的界面能量,被称为第Ⅱ类超导体。第Ⅱ类超导体在磁场中的表现比较复杂。当外加磁场逐步加强到下临界磁场时,磁场将进入超导体内,但这时超导体仍具有零电阻。这时超导体内实际上为超导态和正常态的混合态。随着外加磁场的继续增强,超导态的比例逐渐减少,直到外磁场达到上临界磁场的数值时,超导体才完全恢复到正常态。对于第Ⅱ类超导体处于混合态时,磁力线开始进入第Ⅱ类超导体内部,磁力线占据的部份为正常态,它被超导体所包围,为了使超导体内的磁感强度为零,沿磁力线外表面的超导区内一定存在一环形电流围绕着磁力线,这一环形电流(又称涡旋电流)产生的磁场恰好在超导体内抵消磁力线的磁场。应该注意到磁力线穿过的区域有一定尺寸,这一尺寸被称为磁力线的直径。对进入混合态超导体内少量的磁力线,它们是随机分布的;而当磁力线达到一定的数量时,它们就会按一定规则排列起来,形成磁通格子。当超导电流流经有磁通格子的超导体时,由于电流和磁力线之间相互作用,磁力线会运动,甚至会破坏磁通格子的结构。如果磁力线被牢牢地钉扎在超导体内,那末会使超导体的临界电流提高。这就告诉人们,在超导体的实用化过程中,磁通钉扎是十分重要的问题。
1986年以前,超导体的超导转变温度最高不过23K,处在液氦温区,这就大大限制了超导体的应用。而现有关于超导机理的理论,如在超导电子对基础上建立起来的BCS理论预言超导转变温度的极限不能超过30K。事实不是如此。1986年7月,瑞士物理学报上发表了一篇标题为《可能的高温超导体——镧钡铜氧化物》的文章,作者是国际商用机器(IBM)苏黎世研究室的米勒和贝德诺茨博士。文章中提到这种氧化物在35K时开始发生超导转变,一下子突破了理论预测的极限。继而人们又把超导转变温度提高到90K,这就是大名鼎鼎的钇钡铜氧化合物。对于超导物理学而言,90K是相当高的温度,它已经处于液氮温区内。从这种意义上,人们将氧化物超导体称为高温超导体。
经过多年的发展,氧化物超导体已有近百种,形成了一个家族。目前,HgBaCuO化合物的最高超导转变温度已高达150K(-123℃),使高温超导体的超导转变温达到液氮温区(77K以上),这对实际的运用已很有意义了。
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