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【材料课堂】超导材料重点知识普及

来源：新材料在线|

发表时间：2016-08-23

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最近德国某研究小组借助短红外激光脉冲在一种陶瓷材料上成功实现了短时室温超导，中科大也在铁基超导体研究领域再次取得重要进展，新材料在线评选的未来最具潜力的十大新材料中超导材料也占据了重要的一席之位。今天，小编就给大家来普及一下超导材料方面的知识。

超导材料是指具有在一定的低温条件下呈现出电阻等于零以及排斥磁力线的性质的材料。

超导与诺贝尔奖

1913年昂纳斯由于液氦的制备和超导现象的研究获得诺贝尔物理学奖

1957年巴丁、库珀和施里弗合作创建了超导微观理论(BCS)，于1972年获诺贝尔奖。这一理论能对超导电性作出正确的解释，并极大地促进了超导电性和超导磁体的研究与应用。

1973年约瑟夫森由于发现约瑟夫森效应（超导电流能够通过隧道阻档层）而获得了诺贝尔物理学奖的一半,贾埃弗由于发现超导体的隧道效应与江崎玲於奈分享1973年诺贝尔物理学奖的另一半。

1987年缪勒和柏德诺兹因发现了钡镧铜氧体系高温超导化合物获得若贝尔奖。这一研究成果导致了多种液氮温区高温超导体材料的出现，并宣告了超导技术开发应用时代即将到来。

2003年美国阿尔贡国家实验室的阿力克谢·阿布里科索夫、俄国莫斯科莱伯多夫物理研究所的维塔利·金兹伯格和美国伊利诺斯大学教授安东尼·莱格特获得诺贝尔物理学奖，奖励他们在超导和超流理论方面的先驱性贡献。

超导体的基本特性

1. 零电阻效应

在特定的温度下材料的电阻突然消失的现象称为超导（电）现象，材料失去电阻的状态称为超导态，存在电阻的状态称为正常态。具有超导态的材料称为超导材料。零电阻效应是超导态的一个基本特征。

2. 迈斯纳效应

处在超导态的物体完全排斥磁场，即磁力线不能进入超导体内部，这一特征叫完全抗磁性，通常也叫做迈斯纳效应，是超导态的另一个基本特征。

3 同位素效应

材料由正常态转变到超导态，其晶体结构不变，而同位素的差别主要在于原子核的质量。因此，超导材料中的同位素效应表明了传导电子与晶格振动的相互作用是很重要的问题，该效应为探明超导转变的微观机制提供了一条重要线索。通常我们也可以用同位素效应来鉴别材料的超导电性。

重要的物理参数

临界温度Tc：外磁场为零时超导材料由正常态转变为超导态(或相反)的温度，以Tc表示。Tc值因材料不同而异。

临界磁场Hc：使超导材料的超导态破坏而转变到正常态所需的磁场强度，以Hc表示。Hc与温度T 的关系为Hc = H0 [1- (T/Tc)2]，式中H0为0K时的临界磁场。

临界电流Ic和临界电流密度Jc：通过超导材料的电流达到一定数值时也会使超导态破坏而转变为正常态，以Ic表示。Ic一般随温度和外磁场的增加而减少。单位截面积所承载的Ic称为临界电流密度，以Jc表示。

超导材料的种类和应用

根据超导体界面能的正负，可以将超导体分为第一类超导体和第二类超导体。

大多数纯超导金属元素的界面能为正，称为第一类超导体；

许多超导体合金和少数几种纯超导金属元素来说，其界面能为负，称为第二类超导体。

现在研究的主要是第二类超导体。

低温超导材料

低温超导材料是具有低临界转变温度(Tc<3OK=在液氦温度条件下工作)的超导材料，分为金属、合金和化合物。具有实用价值的低温超导金属是Nb(铌)，Tc为9.3K已制成薄膜材料用于弱电领域。低温超导材料一般都需在昂贵的液氦环境下工作,由于液氦制冷的方法昂贵且不方便，故低温超导体的应用长期得不到大规模的发展。

低温超导材料的应用：强电应用，主要包括超导在强磁场中的应用和大电流输送；弱电应用，主要包括超导电性在微电子学和精密测量等方面的应用。

高温超导体材料(HTS)：

高温超导体材料具有比低温超导体更高的临界磁场和临界电流，是更接近实际应用的超导材料，特别是在低温下的性能比传统超导体高得多。空穴配对是高温超导体的一个基本特征。

高温超导材料又分为氧化物超导体（如YBa₂Cu₃O_7-x），非晶超导材料，复合超导材料（如超导线带材料），重费米子超导体（如CeCu₂Si₂）和有机超导材料（如富勒烯等修饰的化合物）。

高温超导体在结构和物性方面具有以下特征：

1）晶体结构具有很强的低维特点，三个晶格常数往往相差3-4倍；

2）运输系数（电导率、热导率等）具有明显的各向异性；

3）磁场穿透深度远大于相干长度，是第二类超导体；

4）载流子浓度低，且多为空穴型导电；

5）同位素效应不显著；

6）迈斯纳效应不完全；

7）隧道实验表明能系存在，且为库柏型配对。