超導(dǎo)體的基本物理特性

超導(dǎo)體的基本物理特性

1、完全導(dǎo)電性

完全電導(dǎo)性又稱零電阻效應(yīng)，指溫度降低至某一溫度以下，電阻突然消失的現(xiàn)象。

完全電導(dǎo)性適用于直流電，超導(dǎo)體在處于交變電流或交變磁場的情況下，會出現(xiàn)交流損耗，且頻率越高，損耗越大。交流損耗是超導(dǎo)體實際應(yīng)用中需要解決的一個重要問題，在宏觀上，交流損耗由超導(dǎo)材料內(nèi)部產(chǎn)生的感應(yīng)電場與感生電流密度不同引起;在微觀上，交流損耗由量子化磁通線粘滯運動引起。交流損耗是表征超導(dǎo)材料性能的一個重要參數(shù)，如果交流損耗能夠降低，則可以降低超導(dǎo)裝置的制冷費用，提高運行的穩(wěn)定性。

2、完全抗磁性

完全抗磁性又稱邁斯納效應(yīng)，“抗磁性”指在磁場強度低于臨界值的情況下，磁力線無法穿過超導(dǎo)體，超導(dǎo)體內(nèi)部磁場為零的現(xiàn)象，“完全”指降低溫度達到超導(dǎo)態(tài)、施加磁場兩項操作的順序可以顛倒。完全抗磁性的原因是，超導(dǎo)體表面能夠產(chǎn)生一個無損耗的抗磁超導(dǎo)電流，這一電流產(chǎn)生的磁場，抵消了超導(dǎo)體內(nèi)部的磁場。

超導(dǎo)體電阻為零的特性為人們所熟知，但超導(dǎo)體并不等同于理想導(dǎo)體。從電磁理論出發(fā)，可以推導(dǎo)出如下結(jié)論：若先將理想導(dǎo)體冷卻至低溫，再置于磁場中，理想導(dǎo)體內(nèi)部磁場為零;但若先將理想導(dǎo)體置于磁場中，再冷卻至低溫，理想導(dǎo)體內(nèi)部磁場不為零。對于超導(dǎo)體而言，降低溫度達到超導(dǎo)態(tài)、施加磁場這兩種操作，無論其順序如何，超導(dǎo)體超導(dǎo)體內(nèi)部磁場始終為零，這是完全抗磁性的核心，也是超導(dǎo)體區(qū)別于理想導(dǎo)體的關(guān)鍵。

3、通量量子化

通量量子化又稱約瑟夫森效應(yīng)，指當兩層超導(dǎo)體之間的絕緣層薄至原子尺寸時，電子對可以穿過絕緣層產(chǎn)生隧道電流的現(xiàn)象，即在超導(dǎo)體—絕緣體—超導(dǎo)體結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生超導(dǎo)電流。

約瑟夫森效應(yīng)分為直流約瑟夫森效應(yīng)和交流約瑟夫森效應(yīng)。直流約瑟夫森效應(yīng)指電子對可以通過絕緣層形成超導(dǎo)電流。交流約瑟夫森效應(yīng)指當外加直流電壓達到一定程度時，除存在直流超導(dǎo)電流外，還存在交流電流，將超導(dǎo)體放在磁場中，磁場透入絕緣層，超導(dǎo)結(jié)的最大超導(dǎo)電流隨外磁場大小作有規(guī)律的變化。

4、零電阻性

超導(dǎo)材料處于超導(dǎo)態(tài)時電阻為零，能夠無損耗地傳輸電能。如果用磁場在超導(dǎo)環(huán)中引發(fā)感生電流，這一電流可以毫不衰減地維持下去。這種“持續(xù)電流”已多次在實驗中觀察到。超導(dǎo)現(xiàn)象是20世紀的重大發(fā)明之一?？茖W家發(fā)現(xiàn)某物質(zhì)在溫度很低時，如鉛在7.20K（-265.95攝氏度）以下，電阻就變成了零。

5、同位素效應(yīng)

超導(dǎo)體的臨界溫度Tc與其同位素質(zhì)量M有關(guān)。M越大，Tc越低，這稱為同位素效應(yīng)。例如，原子量為199.55的汞同位素，它的Tc是4.18開，而原子量為203.4的汞同位素，Tc為4.146開。