超导现象：修订间差异

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2016年5月23日 (一) 10:44的版本

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。

超導體的基本特性

超導現象是指材料在低於某一溫度時，電阻變為零（以目前观测，即使有，也小至10⁻²⁵欧姆·平方毫米/米以下）的現象，而這一溫度稱為超導轉變溫度（T_c）。超導現象的特徵是零電阻和完全抗磁性。

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，即使接近絕對零度時，仍然保有最低的電阻值，這是純度和其他缺陷的影響所致。另一方面，超導體的電阻值在低於其"臨界溫度"時，一般出現在絕對溫度20 K或更低時會驟降為零。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90K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當時BCS理論所無法解釋的。（依BCS理論，當溫度超過39K，庫珀對會不穩定而無法維持超導狀態。）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。

超導體的分類

超導體的分類沒有唯一的標準，最常用的分類如下：

由物理性質分類：可分成第一類超導體和第二類超導體。
由超導理論來分類：可分成傳統超導體（若超導機制可用BCS理論解釋）和非傳統超導體（若超導機制不能用BCS理論解釋）。
由超導相變溫度來分類：可分成高溫超導體（若可用液態氮冷卻就形成超導體）和低溫超導體（若需要其他技術來冷卻）。
由材料來分類：它們可以是化學元素（如汞和鉛）、合金（如铌钛合金和铌锗合金）、陶瓷（如釔鋇銅氧和二硼化鎂）或有機超導體（如富勒烯和碳納米管，這可能都包括在化學元素之內，因為它們是由碳組成）。

发现

1908年，荷兰物理学家海克·卡末林·昂內斯成功将氦气液化，随后在1911年春，昂內斯在用液氦将汞的温度降到4.15 K时，发现汞的电阻降为零。他把这种现象称为超导性。后来昂內斯和其他科学家陆续发现其他一些金属也是超导体。昂內斯因为对生产液氦的贡献以及发现超导现象而获得1913年的诺贝尔物理学奖。

完全抗磁性

1933年，德国物理学家瓦尔特·迈斯纳（Walther Meissner）和罗伯特·奥克森菲尔德(Robert Ochsenfeld) 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^[1]。

原理

1957年，美国物理学家约翰·巴丁、利昂·庫珀、约翰·施里弗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，稱為聲子（Phonon），使自旋和动量都相反的两个电子组成动量为零的库珀对，稱為電聲子交互作用，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。不過，BCS理論并無法成功的解釋所謂第二類超導，或高溫超導的現象。

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，德国科学家约翰内斯·贝德诺尔茨和瑞士科学家卡尔·米勒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與台灣物理學家吳茂昆以及大陆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。大約1993年，鉈－汞－銅－鋇－鈣－氧系材料又把临界超导温度的记录提高到138K。

2015年，物理學者發現，硫化氫在極度高壓的環境下(至少150GPa，也就是約150萬標準大氣壓)，約於溫度203K （-70 °C）時會發生超導相變，是目前已知最高溫度的超導體。^[2]

参见

外部链接

^ W. Meissner, R. Ochsenfeld. Ein neuer Effekt bei Eintritt der Supraleitfähigkeit. Naturwissenschaften. 1933, 44 (21): 787-788. doi:doi:10.1007/BF01504252 请检查|doi=值 (帮助).
^ Cartlidge, Edwin. Superconductivity record sparks wave of follow-up physics. Nature News. 18 August 2015 [18 August 2015].

[1] W. Meissner, R. Ochsenfeld. Ein neuer Effekt bei Eintritt der Supraleitfähigkeit. Naturwissenschaften. 1933, 44 (21): 787-788. doi:doi:10.1007/BF01504252 请检查|doi=值 (帮助).

[cart15-2] Cartlidge, Edwin. Superconductivity record sparks wave of follow-up physics. Nature News. 18 August 2015 [18 August 2015].

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 == 发现 ==
-年，荷兰物理学家[[海克·卡末林·昂內斯]]成功将[[氦]]气液化，随后在1911年春，昂內斯在用[[液氦]]将[[汞]]的温度降到4.15 K时，发现汞的[[电阻]]降为零<ref>{{Cite journal|title=Further experiments with liquid helium. D. On the change of electric resistance of pure metals at very low temperatures, etc. V. The disappearance of the resistance of mercury.|author=Kamerlingh Onnes|url=|journal=Comm. Phys. Lab. Univ. Leiden|issue=No. 122b|doi=|others=|year=1911|volume=|page=|pmid=}}</ref>。他把这种现象称为超导性。后来昂內斯和其他科学家陆续发现其他一些[[金属]]也是超导体。昂內斯因为对生产[[液氦]]的贡献以及发现超导现象而获得1913年的[[诺贝尔物理学奖]]。
+年，荷兰物理学家[[海克·卡末林·昂內斯]]成功将[[氦]]气液化，随后在1911年春，昂內斯在用[[液氦]]将[[汞]]的温度降到4.15 K时，发现汞的[[电阻]]降为零。他把这种现象称为超导性。后来昂內斯和其他科学家陆续发现其他一些[[金属]]也是超导体。昂內斯因为对生产[[液氦]]的贡献以及发现超导现象而获得1913年的[[诺贝尔物理学奖]]。
 == 完全抗磁性 ==
-年，德国物理学家[[瓦尔特·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。
+年，德国物理学家[[瓦尔特·迈斯纳]]（Walther Meissner）和罗伯特·奥克森菲尔德('''Robert Ochsenfeld''') 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<ref>{{Cite journal|title=Ein neuer Effekt bei Eintritt der Supraleitfähigkeit|author=W. Meissner, R. Ochsenfeld|url=http://link.springer.com/article/10.1007%2FBF01504252|journal=Naturwissenschaften|issue=21|doi=doi:10.1007/BF01504252|others=|year=1933|volume=44|page=787-788|pmid=}}</ref>。
 == 原理 ==