西格玛Σ
超导体最重要的特点是电流通过时电阻为零，有一些类型的金属（特别是钛、钒、铬、铁、镍），当将其置于特别低的温度下时，电流通过时的电阻就为零。在普通的导体中，大部分通过导体的电流由于电阻的原因变为热能，因而被“消耗”掉了。在超导体中，实际上没有阻力，这样，一旦接通电流，从理论上讲就永远不会中断。在一个用超导体制成的电磁体（一个线圈，电流从中通过时产生电磁场）所构成的电路中，从理论上讲只送入一次电流，就可以在电路内不停的流动，从而就能使电磁场持续不断。当然，实际上是存在损耗的，不可能实现这类“永动”，不能不去考虑必需的能源投入，以使超导体能保持其产生零电阻现象所需要的底温状态（即-269℃，比绝对零度高出4℃）。 然而，从80年代初开始，人们发现了新材料。这种新材料能够在越来越接近常温的条件下形成超导体。为在这些物质的基础上获得超导体，各国都正在进行各种研究。这种材料同传统材料的区别在于它不需要冷却系统。 超导现象是1911年由荷兰人海克·卡默林·翁内斯（1853－1926）发现的。几十年中，没有人能做出解释。在理论上让人信服的解释出现在半个世纪之后，即在1957年由物理学家约翰·巴丁（晶体管发明者之一）、利昂·库珀和约翰施里弗宣布的“BCS理论”。电流是一种在金属离子，亦即带有多出的正电荷的原子周围流动的自由电子，电阻的产生是因为离子阻碍了电子的流动，而阻碍的原因又是由于原子本身的热振动以及它们在空间位置的不确定所造成的。 在超导体中，电子一对一对结合构成了所谓的“库珀对”，它们中的每一对都以单个粒子的形式存在。这些粒子抱成一团流动，不顾及金属离子的阻力，好像是液体一样在流动。这样，事实上就中和了任何潜在的阻力因素。 
自从1911年发现汞的超导性以后，又先后发现20余种纯金属也具超导性，但临界温度都在1K—13K之间。为了寻找较高临界温度的超导材料，50年代初，科学家们将注意力转向合金及其化合物。1952年发现了临界温度为17K的V3Si，后又发现18K的Nb3Sn，不久又陆续发现若干铌系合金超导体。1973年发现临界温度可达2K的Nb3Ge，被认为是一个了不起的收获，曾激发起寻找高温超导体的热情。截止到70年代末，虽然共发现了一千种合金和化合物超导体，但具有较高临界温度，且在实际工程中得到应用的主要是铌和铌系超导体Nb3X(其中X可以是Ge，A1，Si，Ga或Sn)。其中NbTi的延展性较好，用于制成线材，是制作超导磁体的主要材料之一；Nb3Sn材质较脆，近几年通过工程研究已可用来绕制磁场的磁体；而NbN用于电子产品，纯铌则用于射频腔。科学家们为了寻求理想的高温超导材料，在实验室里苦苦奋斗了70余年，制备的超导体最高温度也只有2K。使人们对高温超导的期望显得心灰意冷，好梦难圆。然而，1986年出现了历史性的新转折点。这一年，美国国际商业机器公司的米勒和贝德瑞尔茨在瑞士实验室里发现了临界温度达35K的镧钡铜氧化物陶瓷超导材料。这一振奋人心的消息于1986年4月公布后，立即引起世界上超导研究者的关注，并很快形成世界性的超导热。人们进入了在多元氧化体系中寻找高临界温度超导体的竞赛。1987年2月，中国、日本和美国先后报导了临界温度超过氮气液化温度3K的超导体研制成功的消息。也就是在这一时期，高温超导进入了一个突飞猛进的发展阶段。在这个研究领域中，中国、美国和日本处于领先地位。高温超导材料高于35K的超导材料均为金属氧化物，亦即陶瓷材料。高于3K的超导材料的金属中除一例外，均含金属铜，其中比较典型的是钇、钡、铜氧化物。80年代中期以来，新发现了1300多种超导材料。i994年1月18日美国宣布：美国能源部阿贡国立实验室和纽约专门生产超导磁铁、线圈和超低温制冷设备的IGC公司，共同研究并制作出高温超导体磁性线圈组。在液态氦的冷却下该线圈能产生6特斯拉强磁场，比地球磁场强8万倍，打破了他们去年8月以来保持的65特斯拉纪录。1995年2月27日，美国IBM公司下属的沃森研究中心的科学家说，他们对高温超导机制的研究取得了重大的突破。尽量提高超导体的温度特性，是全球科学家的竞先研究的目标。相信不远的将来，会有越来越多的超导体记录被刷新。我国超导技术研究与开发起步于60年代。1959年研制成功氦液化器。1965年研制出第一代单芯NbTi超导体磁体。1973年进行了多芯超导线圈和各类直流与脉冲磁体的研制。1976年开始交、直流电机，磁流体发电，受控热核装置等大型超导磁体的研究。1981年以后，提出了以中小型磁体和工业应用为主的发展目标。在1986年4月公布发现35K的超导材料后，在全世界掀起的高温超导热的冲击下，为了在这个领域能站在美、日等国同一条起跑线上开展竞争，我国加强了对高温超导研究。并在朱经武教授发现钇系氧化物超导体论文发表之前，我国的超导专家就已经制造同样的钇钡铜比率为1∶2∶3的化合物，1987年2月我国与日本、美国几乎同一时间报道了临界温度超过氮气液化温度3K的超导材料研制成功的消息，表明我国在1987年的超导研究水平已进入国际先进行列。但从总体看，目前尚处于实验室研究阶段。今后国家将集中有限人力、财力优先放在技术较成熟，有明确市场需求的产品上，大力予以扶持，尽快实现产品的商品化。
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。现已发现有28种元素和几千种合金和化合物可以成为超导体。 特性 超导材料和常规导电材料的性能有很大的不同。主要有以下性能。①零电阻性：超导材料处于超导态时电阻为零，能够无损耗地传输电能。如果用磁场在超导环中引发感生电流，这一电流可以毫不衰减地维持下去。这种“持续电流”已多次在实验中观察到。②完全抗磁性：超导材料处于超导态时，只要外加磁场不超过一定值，磁力线不能透入，超导材料内的磁场恒为零。③约瑟夫森效应：两超导材料之间有一薄绝缘层（厚度约1nm）而形成低电阻连接时，会有电子对穿过绝缘层形成电流，而绝缘层两侧没有电压，即绝缘层也成了超导体。当电流超过一定值后，绝缘层两侧出现电压U（也可加一电压U），同时，直流电流变成高频交流电，并向外辐射电磁波，其频率为，其中h为普朗克常数，e为电子电荷。这些特性构成了超导材料在科学技术领域越来越引人注目的各类应用的依据。 基本临界参量 有以下 3个基本临界参量。①临界温度: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。已测得超导材料的最低Tc是钨，为012K。到1987年，临界温度最高值已提高到100K左右。②临界磁场：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。③临界电流和临界电流密度：通过超导材料的电流达到一定数值时也会使超导态破态而转变为正常态，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。 超导材料的这些参量限定了应用材料的条件，因而寻找高参量的新型超导材料成了人们研究的重要课题。以Tc为例，从1911年荷兰物理学家H开默林－昂内斯发现超导电性(Hg，Tc=2K)起，直到1986年以前，人们发现的最高的 Tc才达到2K(Nb3Ge，1973)。1986年瑞士物理学家KA米勒和联邦德国物理学家JG贝德诺尔茨发现了氧化物陶瓷材料的超导电性，从而将Tc提高到35K。之后仅一年时间，新材料的Tc已提高到100K左右。这种突破为超导材料的应用开辟了广阔的前景，米勒和贝德诺尔茨也因此荣获1987年诺贝尔物理学奖金。 分类 超导材料按其化学成分可分为元素材料、合金材料、化合物材料和超导陶瓷。①超导元素：在常压下有28种元素具超导电性，其中铌（Nb）的Tc最高，为26K。电工中实际应用的主要是铌和铅(Pb，Tc=201K)，已用于制造超导交流电力电缆、高Q值谐振腔等。② 合金材料： 超导元素加入某些其他元素作合金成分， 可以使超导材料的全部性能提高。如最先应用的铌锆合金(Nb-75Zr)，其Tc为8K，Hc为7特。继后发展了铌钛合金，虽然Tc稍低了些，但Hc高得多，在给定磁场能承载更大电流。其性能是Nb-33Ti，Tc=3K，Hc＝0特；Nb-60Ti，Tc=3K，Hc=12特(2K)。目前铌钛合金是用于7～8特磁场下的主要超导磁体材料。铌钛合金再加入钽的三元合金，性能进一步提高，Nb-60Ti-4Ta的性能是，Tc＝9K，Hc=4特（2K）；Nb-70Ti-5Ta的性能是，Tc=8K，Hc=8特。③超导化合物:超导元素与其他元素化合常有很好的超导性能。如已大量使用的Nb3Sn，其Tc=1K，Hc=5特。其他重要的超导化合物还有V3Ga，Tc=8K，Hc=24特；Nb3Al，Tc=8K，Hc=30特。④超导陶瓷：20世纪80年代初，米勒和贝德诺尔茨开始注意到某些氧化物陶瓷材料可能有超导电性，他们的小组对一些材料进行了试验，于1986年在镧－钡－铜－氧化物中发现了Tc=35K的超导电性。1987年，中国、美国、日本等国科学家在钡－钇－铜氧化物中发现Tc处于液氮温区有超导电性，使超导陶瓷成为极有发展前景的超导材料。 应用 超导材料具有的优异特性使它从被发现之日起，就向人类展示了诱人的应用前景。但要实际应用超导材料又受到一系列因素的制约，这首先是它的临界参量，其次还有材料制作的工艺等问题（例如脆性的超导陶瓷如何制成柔细的线材就有一系列工艺问题）。到80年代，超导材料的应用主要有：①利用材料的超导电性可制作磁体，应用于电机、高能粒子加速器、磁悬浮运输、受控热核反应、储能等；可制作电力电缆，用于大容量输电（功率可达10000MVA）；可制作通信电缆和天线，其性能优于常规材料。②利用材料的完全抗磁性可制作无摩擦陀螺仪和轴承。③利用约瑟夫森效应可制作一系列精密测量仪表以及辐射探测器、微波发生器、逻辑元件等。利用约瑟夫森结作计算机的逻辑和存储元件，其运算速度比高性能集成电路的快10～20倍，功耗只有四分之一。 1911年，荷兰物理学家昂尼斯(1853～1926)发现，水银的电阻率并不象预料的那样随温度降低逐渐减小，而是当温度降到15K附近时，水银的电阻突然降到零。某些金属、合金和化合物，在温度降到绝对零度附近某一特定温度时，它们的电阻率突然减小到无法测量的现象叫做超导现象，能够发生超导现象的物质叫做超导体。超导体由正常态转变为超导态的温度称为这种物质的转变温度(或临界温度)TC。现已发现大多数金属元素以及数以千计的合金、化合物都在不同条件下显示出超导性。如钨的转变温度为012K，锌为75K，铝为196K，铅为193K。超导体得天独厚的特性，使它可能在各种领域得到广泛的应用。但由于早期的超导体存在于液氦极低温度条件下，极大地限制了超导材料的应用。人们一直在探索高温超导体，从1911年到1986年，75年间从水银的4．2K提高到铌三锗的23．22K，才提高了19K。 1986年，高温超导体的研究取得了重大的突破。掀起了以研究金属氧化物陶瓷材料为对象，以寻找高临界温度超导体为目标的“超导热”。全世界有260多个实验小组参加了这场竞赛。 1986年1月，美国国际商用机器公司设在瑞士苏黎世实验室科学家柏诺兹和缪勒首先发现钡镧铜氧化物是高温超导体，将超导温度提高到30K；紧接着，日本东京大学工学部又将超导温度提高到37K；12月30日，美国休斯敦大学宣布，美籍华裔科学家朱经武又将超导温度提高到40．2K。 1987年1月初，日本川崎国立分子研究所将超导温度提高到43K；不久日本综合电子研究所又将超导温度提高到46K和53K。中国科学院物理研究所由赵忠贤、陈立泉领导的研究组，获得了48．6K的锶镧铜氧系超导体，并看到这类物质有在70K发生转变的迹象。2月15日美国报道朱经武、吴茂昆获得了98K超导体。2月20日，中国也宣布发现100K以上超导体。3月3日，日本宣布发现123K超导体。3月12日中国北京大学成功地用液氮进行超导磁悬浮实验。3月27日美国华裔科学家又发现在氧化物超导材料中有转变温度为240K的超导迹象。很快日本鹿儿岛大学工学部发现由镧、锶、铜、氧组成的陶瓷材料在14℃温度下存在超导迹象。高温超导体的巨大突破，以液态氮代替液态氦作超导制冷剂获得超导体，使超导技术走向大规模开发应用。氮是空气的主要成分，液氮制冷机的效率比液氦至少高10倍，所以液氮的价格实际仅相当于液氦的1／100。液氮制冷设备简单，因此，现有的高温超导体虽然还必须用液氮冷却，但却被认为是20世纪科学上最伟大的发现之一。超导科学研究 非常规超导体磁通动力学和超导机理 主要研究混合态区域的磁通线运动的机理，不可逆线性质、起因及其与磁场和温度的关系，临界电流密度与磁场和温度的依赖关系及各向异性。超导机理研究侧重于研究正常态在强磁场下的磁阻、霍尔效应、涨落效应、费米面的性质以及T
