1.1 超导体简介
当物体达到一定温度时电阻趋近于零,称为超导体。而我们把这个一定温度温度称称为为临界温度。正是它的这一特性,使得超导的应用越发广泛。超导现象有许多特性,如零电阻效应、约瑟夫森(Josephson)效应等。同样,超导体的应用也十分的广泛,无论是在航空航天、医疗器件还是实验仪器等等都会涉及超导。本文我们将主要介绍超导体的一些特性以及准粒子的相关计算。
1.1.1 超导体的研究历史
超导体的发现和发展,离不开低温条件。传统情况下我们主要依靠液化气体来营造低温环境,如液氢的沸点是20 K。自1908年,荷兰的昂内斯(Karmerlingh Onnes)利用氦气,测出沸点为4.2K。随后又通过采用液氦的节流膨胀技术从而营造了低至1.5 K的低温。此后,到1911年,昂内斯等人在做低温下的金属汞电阻实验时发现当温度低于4.2 K,汞的电阻值会突然下降到一个最小值,而该最小值是仪器无法测量到的,基本可认为是零电阻态。金属汞因此被发现,这就是第一个超导体,它的电阻可近似认为是零,Tc =4.2 K。1933 年,德国物理学家W.Meissner和R.Ochsenfeld发现超导体中B=0,即具有完全抗磁性。
后来人们发现超导现象存在于大部分金属中,只是要发生这些现象所要达到的条件不一样。如一些材料发生超导现象时候需要常压、低温的条件,而有的要发生超导现象则需要高压、低温的条件。越来越多的科学研究发现超导态都是在低温发生的。那么也就是说
要实现超导态,首先要保证低温环境,而维持低温需要很多液氦,但是液氦是非常昂贵的,这样使得超导体的研究和应用需要付出巨大的代价。1986年, IBM公司的柏诺兹(J.Bednorz)和缪勒(K.muller)打破常规,用陶瓷材料来做实验来探讨它的超导电性。发现在La-Ba-Cu-O中可能有超导电性,其Tc=35K。后来,更多的科学研究者加入研究超导体的队伍中,并取得了越来越多的可人的成绩。源[自*751^`论/文'网·www.751com.cn/
2001年,科学家们发现Tc=36K存在于MgB2材料中,这种材料具有简单二元结构。2006年,日本的细野秀雄(H.Hosono)研究小组成员发现Tc在4 K左右的现象出现在LaFePo的当中,随后他们于2008年又发现某个物质中Tc=26K。几个月后,中国科学家发现了Tc=56K的物质。再到后来就发现了第二类高温超导体。除此之外,一方面铁基超导材料类似传统金属超导体,另一方面它又和铜氧化物的超导机理有着深刻的类比之处,这既为以后研究超导体架起了桥梁,同时也给了研究超导一个更大的发展!
1.1.2 超导物质的超导电性
零电阻效应[2]:
超导态的物体电阻变成零。
可以通过实验验证零电阻效应。在一个闭合环路上(用超导材料做的)通上电流,测量这时候产生的磁场;在正常情况下, 11s左右电流逐渐消失,而在超导态,电流可持续很长时间,有科学家甚至最长做了近三年的实验却,也没观察到任何衰减的结果,因而求得超导电阻率的上限应该小于 Ω·㎝。所以基本可以看做零电阻。
约瑟夫森效应:
当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,绝缘层两侧则会出现电压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。
1.1.3 p波超导体及其在自旋三重态下的非常配对
超导的出现同时带有电子成对组合为cooper对的现象,并发生cooper对的凝聚。由于自旋的影响,两个电子组合在一起可以出现两种情况:一种是总自旋为零,这样的电子对对应于s波超导;第二种总自旋为1,此时电子对有一个特殊的空间取向,这样的电子对对应于p波超导。而p波超导体由于电子对的特殊空间取向,会体现出一些各向异性。