超导

超导或超导体是金属、合金、半导体或有机化合物的电阻在临界温度（Tc）以下的极低温度下突然消失，电流无障碍流动的现象。材料表现出的现象电阻变为零并形成与外部磁场相反方向的磁场的抗磁性或此类物体，因此当外部磁场被推开或电流流动等时，就没有阻力。对于铜、银等导体，或原木物质的温度低至-240℃以下时，存在电阻不会因杂质或其他缺陷而降低超过一定值的限制绝对零即使在附近，真实铜样品的电阻也会有非零值。另一方面，当温度降至“临界温度”值以下时，超导体的电阻会突然降至零。就像铁磁性或原子光谱层面，超导是一种量子力学现象，超导是一种无法用经典物理学中理想的“完美导体”的简单概念来解释的现象。

超导性出现在各种类型的材料中，例如锡和铝，也出现在由一种元素制成的材料中，也出现在各种金属合金和掺杂陶瓷材料中。

1986年，在铜钙钛矿陶瓷材料中发现了临界温度超过90 K（开尔文）的高温超导体，引发了超导体研究的复兴，作为纯粹的研究课题，这些材料还没有被解释过此外，由于超导状态出现在高于液氮沸点（77K）的温度，这是经济上的一个重要标准，因此开启了更多商业应用的可能性。

大多数特性，例如超导体的比热或超导性被破坏时的临界温度、临界磁场和临界电流密度，对于每种材料来说都是不同的。

然而，另一方面，无论是什么材料，所有超导体都具有某些共同的特性。例如，所有超导体的电阻在没有磁场的情况下对于小电流来说恰好为零。表明超导是一种热力学现象，具有与材料微观结构无关的特定性质。

即使在不施加电压的情况下，超导性也可以保持电流。这种特性用于使用超导电磁体的地方，例如磁共振成像。实验表明，超导线圈可以保持电流数年而不会出现任何可测量的下降。实验表明，该电流的有效寿命至少为10万年，理论上估计比宇宙的寿命还长。

在普通导体中，电流被表示为在重离子晶格之间移动的电子。电子不断地与离子和晶格碰撞，在每次碰撞中，电流携带的一些能量被吸收并转化为热量。这就是离子晶格的动能，因此电流所携带的能量逐渐耗散，这就是电阻现象。

在超导体中，情况有所不同，在普通超导体中，电流的流动不能通过单个电子的运动来分离，而是将电子结合成库珀对，这是由于电子之间由于交换而产生的吸引力而产生的。在量子力学中，库珀对的流动在能谱中产生了带隙，这意味着至少需要与 ΔE 一样多的能量来激发电子流。因此，如果 ΔE 大于在kT（k是玻尔兹曼常数，T是温度）给出的晶格中，电子不会被晶格散射。因此，库珀对形成超流体，这意味着它们可以在不损失能量的情况下流动。

2 类超导体，包括所有类型的高温超导体，当施加电流以及该电流可能产生的强磁场时，在超导相变附近表现出非常小的正电阻率。），该电阻率会消散电流所携带的部分能量。如果电流足够小，涡流处于静止状态，电阻率消失。由于这种效应而产生的电阻与非超导材料所看到的电阻相比非常小，但敏感度却很高，当温度远离超导相变时，这些涡流会转变为不规则但固定的相，称为“涡流玻璃”。低于这些涡流玻璃相变温度，超导体电阻变为 0。

当材料的温度低于发生超导相变的临界温度Tc时，就会出现超导状态。临界温度的值取决于材料。普通超导体（不是高温超导体）通常具有以下值： 20K至小于1K. 举例例如，固体汞的临界温度为4.2K，目前发现的一般超导体（不是高温超导体）的临界温度为39K，如2001年发现的二硼化镁。因此，二硼化镁是否属于一般超导体存在争议。）铜基超导体的临界温度要高得多，一些铜基超导体的临界温度超过130K。对于如此高的临界温度，一个明确的理论解释是未知。普通超导体是通过声子交换形成电子对来解释的，但最近发现的高温超导体却并非如此。这个解释不合适。

超导出现时，伴随着各种物理量的突变，这些物理量是相变的特征，例如电子的比热一般与温度的一次方成正比。热值突然跳跃后，不再与一次方成正比，而是与e成正比（α是由材料决定的常数），这种模式是带隙存在的证据。

超导相变的相变顺序是一个有争议的话题，实验结果表明，超导相变是没有潜热的二次相变，可能看起来很弱，最近借助无序场理论，涡线发挥了重要作用在超导中，超导相变在 I 型区域为一级，在 II 型区域为二级，并且两个区域都处于三相点。

当超导体置于微弱的外部磁场H中时，磁场并没有完全穿透超导体，而仅穿透大约厚度λ，这个厚度称为伦敦穿透深度，进入超导体的磁场在大于此深度，则变为0。这称为迈斯纳效应，是超导体的重要特性之一。对于大多数超导体，伦敦穿透深度约为100 nm。

迈斯纳效应有时很容易与理想导体中出现的一种抗磁性混淆，但它是一种不同的效应。根据楞次定律，当向导体施加变化的磁场时，导体中会感应出电流，产生与外加磁场方向相反的磁场。理想情况下，在导体中，可以流动的电流值没有限制，并且由该电流感应的磁场恰好抵消了外部施加的磁场。当当材料冷却到其临界温度以下时，材料内部磁场会突然发生排斥，这与楞次定律无关。

迈斯纳效应由 FritzLondon 和 HeinzLondon 兄弟从理论上解释。超导体中的电磁自由能在以下情况下最小化。

当外加磁场过大时，迈斯纳效应就会被破坏。根据这种破坏如何发生，超导体分为两种类型。在第一类超导体中，当外加磁场超过一定阈值Hc时，它会突然被破坏。取决于样品的形状，因此，有样品磁场的中间态和无样品磁场的超导态是混合的。另一方面，在第二类超导体中，当外部磁场大于Hc1时，磁通量穿过材料，但只要电流不大，就是电阻值为0的混合状态。当磁场变得大于第二临界磁场Hc2时，超导性被破坏。混合态实际上是由电子超流体中的涡旋引起的，其中铜产生的磁通量被量子化，这些量子被称为通量子。

除铌、锝、钒和碳纳米管外，最纯的单原子超导体是1类超导体，而大多数超导体是杂质或化合物的混合物，是2类超导体。

相反，旋转的超导体可以产生一个与自旋轴方向精确对齐的磁场。这种效应称为伦敦矩，在重力探测器 B 卫星上得到了很好的应用。该实验使用了四个超导陀螺仪。为了确定自旋测量了球体的自转轴，测量了陀螺仪的磁场，这对于实验至关重要，因为它是能够精确确定球体自转轴的少数方法之一。

自从超导性被发现以来，人们为解释超导性原理做出了许多努力。20世纪50年代，理论巩固的物质物理学家认为他们已经通过一对重要理论对“普通”超导性有了牢固的认识。两种理论分别是现象学的Ginzburg-Landau理论（1950年）和微观BCS理论（1957年）。在1986年发现了临界温度为30K或更高的超导体（这在BCS理论中被认为是不可能的）之后，关于bcs理论不断发展，因此，对于它是否可以应用于高温超导体以及金属超导体存在争议。

当超导体与一般固体（绝缘体或导体）之间发生相变时，电导率变得无限大，电子的能量分布发生变化，对于一般导体来说，电子能级围绕费米能级连续分布换句话说，电子可以具有以费米能级为中心的任何能量值。然而，在超导体中，电子的能带中存在带隙，允许存在于略高于和略低于费米能级的有限区域中。费米能级。它可以通过用扫描隧道显微镜观察样品电导率的微分值来获得。另外，在20世纪90年代以来研究的高温超导体中，即使在观察不到超导性的温度范围。这称为赝能隙。这个间隙非常重要，因为它似乎与热超导相关。

第一个超导体是1911年由Hecker Kamerlinghonus在使用当时发现的液氦测量低温下固体汞的电阻时发现的，在4.2K的温度下，他观察到电阻突然消失。1913年，超导性诞生铅的发现温度为 7 K，而 1941 年，氮化铌 (NbN) 的发现温度为 16 K。罗伯特·奥克森菲尔德（德语：Robert Ochsenfeld）发现超导体（称为迈斯纳效应）会排斥磁场。表明它出现在试图最小化电磁热力学自由能。

1950年，Leprandau和Vitali Ginsburg发表了Ginzburg-Landau理论，这是超导体的现象学模型。该理论将Landau的二阶相变理论与薛定谔方程相结合，这一理论对解释超导体的宏观性质产生了很大的影响。另一方面，阿列克谢·阿列克谢耶维奇·阿布里科索夫（Alexey Alexeevich Abrikosov）预测金兹堡-朗道理论将超导体分为两种类型，称为第一类和第二类。由于这项工作，他于 2003 年获得诺贝尔奖。（朗道于 1968 年去世。）同样在 1950 年，麦克斯韦雷诺兹等人表明，超导体的临界温度会根据其组成元素的同位素质量而变化。同位素效应这一发现在当时认为电子-声子相互作用是超导的微观机制时具有误导性。

1957年，约翰·巴丁（John Bardeen）、莱昂·库珀（Leon Cooper）和约翰·罗伯特·施里珀（John Robert Schripper）提出了BCS理论，这是一种从微观角度解释超导性的理论，以发现者的名字命名。尼古拉·沃戈柳博夫（Nikolai Vogolyubov）也在1958年独立提出了BCS理论，将超导电流解释为库珀对超流体。库珀对是通过交换声子相互作用的电子对。1972 年，作者因这一成就而获得了诺贝尔奖。BCS 理论被证明彼此之间有很强的相关性，正如 Nikolai Vogolyubov 在 1958 年所表明的那样最初通过多种论证导出的 BCS 波函数可以通过电子对弥尔顿方程进行正则变换来获得。Vichy Gorkov（俄语：ЛевПетровичГорьков）表明，BCS 理论在临界温度附近简化为 Ginzburg-Landau 理论。

1962年，西屋公司利用铌钛合金研制出了第一根商用超导线材。同年，布莱恩·大卫·约瑟夫森做出了重要的理论预言：超导电流可以在被薄层绝缘体隔开的超导体之间流动。这种现象称为约瑟夫森效应，用于使用超导性的机器，如超导量子干涉装置。约瑟夫森因这项工作获得了 1973 年诺贝尔物理学奖。

直到1986年，物理学家都认为根据BCS理论不可能在30 K以上表现出超导性。然而，1986年，Johannes Georg Bednorz和Karl Alexander Müller发现了镧铜基钙钛矿材料的超导性，该材料达到了临界温度。 35 K。他们因这项研究获得了 1987 年诺贝尔物理学奖。重要的是它的温度高于 77 K 的汽化点。这在商业上很重要，因为液氮可以在任何地方廉价生产，而无需担心原料材料，并且不存在固体气塞等问题，而固体气塞是运输​​液氦时的问题。此后，许多其他铜基超导体相继被发现，对其表观超导性的理论解释已成为最重要的理论解释之一。凝聚态物理领域具有挑战性的任务。

大约从1993年开始，临界温度最高的超导体是由铊、汞、铜、钡、钙和氧组成的陶瓷HgBa2Ca2Cu3O8+δ，临界温度为Tc=138 K。

2008年2月，发现了铁基高温超导体。东京工业大学的Hideo Hosono发现了镧-氧-氟-铁-砷化合物（LaO1-xFxFeAs）或氧磷化物在26 K下的超导性。随后的研究另一组发现，当LaO1-xFxFeAs中的镧被其他稀土元素如铈、钐、钕、镨取代时，临界温度提高到52 K，一种具有类似AFe2As2结构的铁砷基超导体也被开发出来。专家预计，通过研究其他系列的超导性，也可以推导出铜基超导体的理论。

超导体的分类有多种标准，代表性的例子如下。

根据物理性质，超导体分为1型超导体和II型超导体，1型超导体表现一级相变，2型超导体表现二级相变。

发现早期的大多数单原子低温超导体被称为I型超导体，所有氧化物高温超导体，包括大多数化合物超导体被称为II型超导体。I型和II型超导体的区别被称为磁场。 - 您可以轻松找到温度相变形式的差异。

1型超导体在一定温度下具有热力学临界磁场（Hc），在临界磁场的边界处发生常态与超导态的转变，此时临界磁场以下的超导态迈斯纳效应是超导的基本性质之一，因此磁场无法穿透。此类1型超导体主要是单原子超导体，而这些超导体因其特性而在技术上的应用难度很大。

与 1 型超导体不同，在一定温度下存在上临界磁场 (Hc2) 和下临界磁场 (Hc1)，并且它们表现出超导特性，可用作这些临界磁场之间的边界。磁场下方的区域 ( Hc1)表现出迈斯纳效应，磁场无法穿透，但在下临界磁场(Hc1)以上的磁场下，2类超导体不会失去超导性能，继续保持超导状态，有的磁场会穿透超导体，磁场的穿透程度随着磁场强度的增加而增加，并持续到达到上临界磁场（Hc2），这样，上临界磁场之间的区域就形成了。 (Hc2)和下临界磁场(Hc1)(称为涡旋态或混合态)的存在，使得即使磁场穿透到一定程度也能保持超导性，可以使用的超导体称为第二类超导体超导体，大多数混合物和氧化物高温超导体都属于这一类。

此外，还可分类为：

• 根据理论解释：
  • 传统超导体（如果用 BCS 理论解释）
  • 非常规超导体（如果不能用 BCS 理论解释）
• 基于临界温度：
  • 高温超导体（临界温度高于液氮沸点 77K）
  • 低温超导体（如果临界温度低于该温度）
• 按物质：
  • 单体（汞、铅等）
  • 合金（铌钛、锗铌）
  • 陶瓷（YBCO、二硼化镁）
  • 有机超导体（富勒烯、碳纳米管 - 由于碳纳米管仅由碳组成，因此可能需要将其归入单原子系列）

超导磁体是迄今为止最强大的电磁体，用于 MRI 和 NMR 机器、质谱仪以及粒子加速器中使用的光束转向磁体。它们还可以用于磁分离，根据粒子所具有的磁性来分离粒子。常用于颜料工业等。

超导体还用于制造数字电路、射频电路、微波电路和手机基站。

超导体用于制造约瑟夫森结，这是迄今为止已知的最灵敏磁力计的构建模块，即超导量子干涉装置。约瑟夫森装置用于定义国际单位制的单位伏特。约瑟夫森结用作光子探测器从正常态到超导态转变时的大电阻差可用于制造用于低温量热法或微量热计的温度计或光子探测器。

新市场正在兴起，其中设备的相对效率、尺寸和重量（使用超导材料时）的优势超过了使用超导材料产生的额外成本。

有前途的应用包括高性能变压器、蓄电装置、电力发射器、电动机、磁悬浮装置、瞬态限流器等。然而，由于超导性对变化的磁场很敏感，使用交流电（AC）的应用即使得变压器）预计比使用直流电更困难。

超导体具有阻挡磁场的特性，因此当靠近磁铁时，它们会漂浮在磁铁的顶部，这种现象称为迈斯纳效应。此外，超导体没有电阻，因此即使有电流通过，也不会产生功率损耗，因此可以无损耗地存储或传输大量的电力。此外，超导体可以流过很强的电流以获得强磁场，因此可以用于磁悬浮列车。

按领域分类，有以下应用领域：

• 能源：下一代超导核聚变、MHD发电等
• 电力：超导储能（SMES）、超导变压器、超导电缆、超导发电机等。
• 交通运输：超导磁悬浮列车、超导电子推进船、超导电动汽车等
• 医疗和科学：磁共振成像、核磁共振、脑磁探测器、癌症治疗回旋加速器、强磁场等。
• 环境和工业：可处理核废料的超导磁分离、粒子加速器等。
• 电子信息：超导超级计算机、超导量子干涉装置