Chapter 5 超導材料

本章大綱 5.1 超導電性的基本性質 5.2 超導原理 5.3 第 I 類超導體和第 II 類超導體 5.4 低溫超導體 5.5 高溫超導體 5.6 超導材料的應用

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Chapter 5 超導材料

5.1 超導電性的基本性質

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1911 年荷蘭物理學家昂內斯 ( H. R. Onnes ) 在研究水銀在低溫下的電阻時，發現當溫度降低至 4.2K 以下後，水銀的電阻突然消失，呈現零電阻狀態。昂內斯便把這種低溫下物質具有零電阻的性能稱為超導電性 (superconductivity) 。

1933 年邁斯納 (W. Meissner) 和奧克森菲爾德 (R. Ochsenfeld) 發現，不僅是外加磁場不能進入超導體的內部，而且原來處在外磁場中的正常態樣品，當溫度下降使它變成超導體時，也會把原來在體內的磁場完全排出去，這是超導體所具有的另一個重要性質。

1986 年，人們已發現了常壓下有 28 種元素、近 5000 種合金和化合物具有超導電性。常壓下， Nb 的超導臨界溫度 Tc=9.26K 是元素中最高的。合金和化合物中，臨界溫度最高的是 Nb3Ge ， Tc=23.2K 。

1987 年 2 月，美國的朱經武等宣布發現了 Tc~93K 的氧化物超導材料。

1987 年底，馬依達 (H Maeda)‧ 等人發現 Bi-Sr-Ca-O 化合物系列有 Tc~115K 的高Tc 相。後來 , 在 Tc 系中得到了 Tc~125K 的相 , 並證實其組成是Tl2Ba2Ca2Cu3O10+y 。高臨界溫度超導材料研究成為了當今最活躍的新材料研究領域之一。

5.1 超導電性的基本性質

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物質由常態轉變為超導態的溫度稱其為超導臨界溫度，用 Tc 表示。超導臨界溫度以絕對溫度 K 來表示。超導體與溫度、磁場、電流密度的大小密切相關。這些條件的上限分別稱為臨界溫度 (critical temperature, Tc) 、臨界磁場 (critical magnetic field, Hc) 和臨界電流密度 (critical electric current density, Jc) 。

超導電性有三個基本條件完全導電性完全抗磁性隧道效應。

5.1 超導電性的基本性質 5.1.1 完全導電性

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對於超導體來說，在低溫下某一溫度 Tc 時，電阻會突然降為零，顯示出完全導電性。圖 5-1 表示上述電阻隨溫度變化的特性。在 4.2K 下對鉛環做的實驗證明，超導鉛的電阻率小於，比室溫下銅的電阻率的分之一還小。

cm 25106.3

圖 5-1 　汞在液氦溫度附近電阻的變化行為

5.1 超導電性的基本性質 5.1.1 完全導電性

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超導電性可以被外加磁場所破壞，對於溫度為 T(T<Tc) 的超導體，當外加磁場超過某一數值 Hc(T) 的時候，超導電性就被破壞了， Hc(T) 稱為臨界磁場。在臨界溫度 Tc ，臨界溫度為零。 Hc(T) 隨溫度的變化一般可以近似地表示為拋物線關係

(5-1)

式中是絕對零度時的臨界磁場。

超導體中通過足夠強的電流也會破壞超導電性，導致破壞超導電性所需要的電流稱作臨界電流。

式中是絕對零度時的臨界電流。

2

2

1)(c

coc T

THTH

coH

)(TIc

2

2

1)(c

coc T

TITI

coI

5.1 超導電性的基本性質 5.1.2 完全抗磁性

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在超導狀態，外加磁場不能進入超導體的內部。原來處在外磁場中的正常態樣品，變成超導體後，也會把原來在體內的磁場完全排出去，這一性質被稱為邁斯納效應，如圖 5-2 所示。超導體內磁感應強度 B總是等於零，即金屬在超導電狀態的磁化率為，

(5-3)

超導體內的磁化率為 -1(M 為磁化強度， ) 。超導體在靜磁場中的行為可以近似地用”完全抗磁體”來描述。邁斯納效應通常又稱為完全抗磁性。

1/ HM

010 HB

HB 00

7

圖 5-2 　邁斯納效應：當 T<TC 時，磁通被完全排斥出超導體

5.1 超導電性的基本性質 5.1.3 超導隧道效應

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考慮被絕緣體隔開的兩個金屬，如圖 5-3 所示。絕緣體通常對於一種金屬流向另一種金屬的傳導電子起阻擋層的作用。如果阻擋層相當薄之下則電子流將產生隧道效應，電子具有相當大的機率穿越絕緣層。 1960 年賈埃弗 (I. Giaever)首先發現如果金屬中的一個變為超導體時，即形成 (NIS)結時，電流 - 電壓的特性曲線由圖 5-4的直線變為圖 5-4 的曲線。

圖 5-3 　正常金屬 N 、絕緣層 I 和超導體 S 組成的結


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假如兩塊超導體分得很開，每塊都可以有自己獨立的位相，當兩塊超導體接近，中間有一定的弱連接時，它們的電子對波函數可穿過弱連接而耦合，而降低能量，得超過電流與相位差的關係近似於 :

(5-4) Jo是通過的最大零電壓電流，正比於遷移相互作用，且與弱連接的性質有關，

為兩個超導體的位相差。為直流約瑟夫遜效應。

在結上加上直流電壓 V ，兩邊波函數與時間有關的項不同，相互干涉就會產生交變的電流

(5-5)

這稱為交流約瑟夫森效應。

sin0JJ

t

Ei

exp

00

2sin tVJJ

10

圖 5-4 　不同情形下的電流－電壓曲線(a) 被氧化層隔開的正常金屬結構的電流－電壓曲線(b) 被氧化層隔開的正常金屬與金屬超導體結構的電流－電壓曲線



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當交變電流的頻率是 (5-6) 圖 5-5給出了在直流和交流電壓下 SIS結的零電壓下最大約瑟夫遜電流與準粒子隧道電流。臺階的大小是。微波誘發的電壓臺階是上述直流電壓產生交變超導電流的效應的另一種表現。有時叫沙比羅 (S. Shapiro) 效應。

/2eV

圖 5-5 　約瑟夫遜隧道電流與準粒子隧道電流的比較

eV 2/h


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如果加上一個磁場，在結面上的位相便會受到磁場的空間調製，，是約瑟夫遜穿透深度，是垂直於結面的向量。於光學中夫琅禾弗繞射的形式。假設平等於結面，則有 :

(5-7)

是穿到結區中的磁場。

約瑟夫遜效應有許多應用。其中最體現出宏觀量子現象特色的是超導量子干涉儀 (superconducting quantum interference device ，簡寫為SQUID) 。考慮圖 5-6 所畫的示意圖。圖中所示的干涉儀叫直流SQUID 。在交流條件下，它亦能有 SQUID 效應。這稱射頻 SQUID 。

j

n

H

sin/

/sin

00

j

js JI

nhe

h 2

13

圖 5-6 　超導量子干涉器件示意圖


5.2 超導原理5.2.1 唯象理論

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為了解釋超導電性的物理本質，許多科學家進行了不懈的努力，建立了一系列的理論模型，並成功解釋許多超導現象。

二流體模型： 1934 年戈特 (C. J. Gonter) 和卡西米爾 (H. B. G. Casimir)提出了導性的二流體模型：

金屬處於超導體時，共有化的自由電子 ( 總數為 N) 分為兩部分：一部分叫正常電子

Nn ，另一部分叫超流電子 Ns ，超流電子在晶格中無阻地流動，它佔電子總數的Ns/N 。兩部分電子佔據同一體積，在空間中相互滲透，兩種電子相對的數目是溫度的函數。

正常電子的性質與正常金屬自由電子氣體相同，受到振動晶格散射而產生電阻，所以對熵有貢獻。

超流電子處在一種凝聚狀態，即凝聚到某一種低能態，所以超導體是比正常態更加有序的狀態。超導態的電子不受晶格散射，又因為超導體是低能量狀態，所以超流電子對熵沒有貢獻。

當 T<Tc 時，出現超流電子，它們的運動是無阻的，超導體內部的電流完全來自超流電子的貢獻，所以樣品內部不能存在電場，也就沒有電阻效應。

5.2 超導原理5.2.1 唯象理論

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二、倫敦方程： 1935 年，倫敦兄弟 (F. London, H. London)提出兩個描述超導電流與電磁場關係方程，

與麥克斯韋方程一起構成了超導體的電動力學基礎。倫敦第一方程

(5-8)

式中 m 是電子質量，是超流電流密度，是超導電子密度。

在穩態下，超導體中的電流為常值時，，則 E=0 ，即在穩態下，超導體內的電場強度等於零，它說明了超導體的零電阻性質。

倫敦第二方程

(5-9)

式中的。設超導體佔據的空間，的區域為真空 ( 如圖 5-7 所示 ) 。在超導體內，表面的磁感應強度 B 以指數形式迅速衰減為零。

Em

enJt

ss

2

BJ s

sJ sn

0

st

J

2/ enm s 0 0

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圖 5-7 　磁場在超導體中的磁感應強度分佈和穿透深度

5.2 超導原理5.2.2 超導體的微觀機制

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20世紀 50 年代初同位素效應、超導能隙等關鍵性的發現為揭開超導電性之謎奠定了基礎。

一、同位素效應： 1950 年邁克斯韋 (E. Maxwell) 和雷諾 (C. A. Raynold)各自獨立地測量水

銀同位素的臨界轉變溫度，結果發現：隨著水銀同位素質量的增高，臨界溫度降低。對實驗數據處理後得到園子質量 M 和臨界溫度 Tc的簡單關係。

MaTc = 常數其中 , 這種轉變溫度 Tc 依賴於同位素質量M 的現象就是同位素效應。

同位素效應明確說明電子 -聲子的相互作用與超導電性有密切關係。


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二、超導能隙：當金屬處於超導態時，超導態的電子能譜與正常金屬不同，圖 5-8 是

T=0K 的電子能隙示意圖。在費米能 EF 附近出現了一個半寬度為的能量間隔，在這個能量內不能有電子存在，人們把這個叫做超導能隙(Superconductive Energy Gap) ，能隙大約是 10-3~10-4 電子伏特數量級。

圖 5-8 T=0K 下的正常態和超導態電子能譜


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三、庫柏電子對： 1956 年庫柏 (L. N. Cooper) 發現超導態是由正則動量為零的超導電子

組成的，它是動量空間的凝聚現象。要發生凝聚現象，必須有吸引的作用存在。庫柏證明：當電子間存在這種靜的吸引作用時費米面附近存在一個以動能大小相等而方向相反且自旋相反的兩電子束縛態，記為 (k ,-k ) ; 它的能量比兩個獨立的電子的總量低，這種束縛態電子對稱為庫柏對。


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四、同調長度：皮帕德 (A. B. Pippard) 證明，當一個電子從金屬的正常區移動到超導區時，其波函數不能從它的正常數值突然轉變為超導態的值，這種轉變只能發生在一個距離上，被稱為同調長度 (Coherent Length) 。同調長度和穿透深度一樣，也是超導體的特徵參量。

表 5-1 列舉了一些有代表性物質在 0K 下的超導體的同調長度。

物　　質同調長度

(nm)物　　質同調長度

(nm)

Al 1500 Nb 60

Sn 250 Nb-Ti 30

Tl 270


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五、 BCS 理論：巴丁 (J. Barden) 、庫柏 (L. N. Cooper) 和施瑞弗(J. R. Schrieffer) 在 1957 年發表的經典性的論文中提出了超導電性量子理論，被稱為 BCS 超導微觀理論。

超導發生的凝結是在動量空間的配對凝結，配對的狀態是 (k, ;-k, ) 。牽涉到的粒子數目很大，他們認為可以用的平均場近似，每個 (k, ;-k, ) 對態的佔有狀況只和其他 (k, ;-k, ) 對態的佔有率的平均值有關，所以他們在一個對電子間的吸引作用作一定的簡化以及假定費米面是各向同性後，他們得到發生這個凝聚的臨界溫度是

(5-10)

基態和激發態之間的能隙是 T/Tc 的函數

VNKT cc 0

1exp13.1


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五、 BCS 理論：基態和激發態之間的能隙是 T/Tc 的函數

(5-11)圖 5-9給出了的計算結果。激發的準粒子的狀態密度也有很大變化，在

能隙的近旁它可以近似為

N(E)={ } (5-12)

BCS 理論的本質：超導體中存在著多粒子的凝聚態波函數，它是某些多粒子狀態的相位相干的疊加，它具有振幅和相位，並且在宏觀的距離內可以保持相位相干。

BCS 理論是第一個成功地解釋了超導現象的微觀理論，也是目前唯一成功的超導微觀理論。

2/1))(1)(0(74.1)(cc T

T

T

T

cKT76.1)0(

0E E

E)0(N

E 0

2/122

Δ

Δ

)T

T(

c

Δ

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圖 5-9 　在 BCS 理論中能隙與溫度的關係

5.3 第 I 類超導體第 II類超導體

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第 I 類超導體只有一個臨界磁場 c ，其磁化曲線如圖 5-10 所示。很明顯在超導體，磁化行為滿足 M/H=-1 ，具有邁斯納效應。第 II 類超導體有兩個臨界磁場，即下臨界磁場 c1 和上臨界磁場 c2，如圖5-10 所示。外磁場 0 小於 c1 時，同第 I 類超導體一樣，磁通被完全排出體外，第 II 類超導體處於邁斯納狀態，體內沒有磁通線通過。

(a) 第Ⅰ類超導體　　　　 (b) 第Ⅱ類超導體圖 5-10 　兩類超導體的磁化曲線


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孤立的量子磁通線結構如圖 5-11 所示，每個磁通線只有一個正常的芯，芯的半徑為同調長度，磁通量子由環流的超導電流所維持，這個超導電流在距芯為的半徑上衰減，超導體的磁感應強度為

H=N0，相鄰兩個磁通線之間為 (5-8) 2/1

0 H/3/2d Φ

圖 5-11 　孤立的量子磁通線結構


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超導體分為第 I 類超導體和第 II 類超導體的關鍵超導體和正常態之間存在界面能。當超導體的同調長度大於磁場穿透深度時，界面能為正值，表明超導體 - 正常態界面的出現使體系的能量上升，因此這類超導體從超導體向正常態過渡時不經過混合態，被稱作第 I 類超導體。

另一種超導體的 < ，界面能為負值，表明超導體 - 正常態界面的出現對降低體系的能量有利，體系中將出現混合態，這種超導體被稱作第 II 類超導體。參數，令 =/。由金茲堡一朗道理論可以得到

(5-12)

當時，界面能當時，，為第 I I 類超導體。

cHe 0222/

2

1/ 0ns

2

1/ 0ns

5.4 低溫超導體

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元素、合金和化合物超導體的超導體轉變溫度較低 (Tc<30K) 其超導機理基本上能在 BCS 理論的框架內解釋，因而通常又被稱為常規超導體或傳統超導體。

5.4.1 元素超導體：已發現的元素超導體近 50 種，如圖 5-12 所示。在常壓下有28 種元素具有超導電性，如表 5-2 所示。

5.4.2 合金及化合物超導體：表 5-3 列出了一些典型合金及化合物的 Tc( 最大值 ) 。

5.4.3 其他類型的超導材料：一、金屬間化合物超導體：

20世紀 70 年代，菲狄革 (Feitig) 等人就報導了稀土 - 過渡族元素 - 硼所組成的金屬間化合物 (intermetallic compound) 的超導電性。這類超導體表現出超導電性與鐵磁性共存的複雜現象，故人們又稱它們為磁性超導體。

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元素 Tc(K) Hc(Oe) 元素 Tc(K) Hc(Oe)

Rh 0.0002

Al 1.174 99

W 0.012 -Th 1.37 162

Be 0.026

Pa 1.4

Ir 0.14 19 Re 1.7 193

-Hf 0.165

Tl 2.39 171

-Ti 0.49 56 In 3.416 293

Ru 0.49 66 β-Sn 3.72 309

Cd 0.515 30 -Hg 4.15 412

Os 0.65 65 Ta 4.43 830

-U 0.68

V 5.3 1020

-Zr 0.73 47 -La 5.98 1600

Zn 0.844 52 Pb 7.201 803

Mo 0.92 98 Tc 8.22 1410

Ga 1.1 59 Nb 9.26 1950

表 5-2 　超導元素的臨界溫度和 0K 時的臨界磁場

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圖 5-12 　週期表中的超導元素

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結構類型對稱性化合物 TC/K

A-2 立方 Nb0.75Zr0.25 11.0

A-2 立方 Nb0.75Ti0.25 10.0

A-15 立方 Nb3Ge 23.2

A-15 立方 Nb3Sn 18.0

C-15 立方 (Hf0.5Zr0.5)V2 10.1

A-12 立方 NbTc3 10.5

B-2 立方 Vru 5.0

C-16 四角 RhZr2 11.1

C-14 六角 ZrRe2 6.4

D-8b 四角 Mo0.38Re0.62 14.6

L-I2 立方 NbRe3 15 ～ 16

B-81 六角 BiNi 4.25

B-31 斜方 GeIr 4.70Cc 四角 Ge2Y 3.8E-93 立方 RhZr3 11.0

C-40 六角 NbGe2 15.0D-1c 斜方 AuSn4 2.38

B-1 立方 NbN 15

B-1 立方 MoN 29

B-1 立方 NbC 11.6

表 5-3 　一些合金及化合物的臨界溫度

5.4 低溫超導體

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二、有機超導體和鹼金屬摻雜的 C60超導體第一個被發現的有機超導體是 (TMTSF)2PF6，儘管這種有機鹽的超導轉變溫度只有 0.9K ，但是有機超導體的低維特性、低電子密度和電導的異常頻率關係引起了人們的注意。

C60是由 60 個碳原子形成的足球狀的單殼結構，如圖 5-13 所示，由碳組織成的 12 個正五邊形和 20 個正六邊形一起圍成足球狀的多面體。”足球”密排成面心立方點陣。每個碳原子有兩根單鍵和一根雙鍵。近鄰的碳 -碳鍵長為 0.144 nm ，與石墨中的碳 -碳鍵長 (0.142 nm)接近。考慮到 C60的碳原子間為鍵耦合， C60的外徑為 1.081 nm 。

當摻入鹼金屬時，能形成有富勒烯結構，如 K3C60 和 K6C60 。 K3C60 是Tc~20K 的超導體。

圖 5-13 C60 的足球狀單殼結構

5.4 低溫超導體

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三、重費米子重費米子 (heavy Fermion) 超導體 CeCu2Si2是斯泰格裏希 (Steglich) 在 70

年代末首先發現的，它的超導轉變溫度只有 0.7K 。

超導體的比熱測量顯示其低溫電子比熱係數非常大，是普通金屬的幾百甚至幾千倍。可以推斷這類超導體的電子有效質量比自由電子的質量重幾百甚至幾千倍，由此被稱為重費米子超導體。

5.5 高溫超導體5.5.1 尋找高臨界溫度超導材料之路

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1932 年發現 Tc 為 11K 的 NbC ， 1941 年發現 Tc 為 15K 的 NbN ，這些都是具有NaCl 結構，可以說是第一代高 Tc 超導材料。 1953 年發現 Tc 為 17K 的V3Si ， 1973 年發現 Tc 為 23.2K 的 Nb3Ge ，這些都是具有 -鎢結構，是第二代的高 Tc 超導材料。

氧化物超導材料是在 1964 年發現的 SrTiO3-x ； 13K 的 BaPb1-xBixO3。

1986 年 4 月，貝德諾茲和繆勒觀察到在 La-Ba-Cu-O 化合物中，近於 35K 時就出現超導轉變的跡象。

1987 年 2 月，朱經武教授宣佈找到了 Tc~93K 的氧化物超導材料。

1993 年 5 月司麒麟 (A. Schilling) 和普特林 (S. N. Putilin) 等人又成功地合成了Hg-Ba-Ca-Cu-O 氧化物超導體，其超導轉變溫度達 134K 。

圖 5-14 列示了人類探索提高超導轉變溫度的歷程。

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圖 5-14 　超導體的發展歷程

5.5 高溫超導體5.5.2 高溫超導體的結構與性質

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到目前為止，已經發現了三代高溫超導材料，第一代為鑭系高溫超導材料，第二代為釔系高溫超導材料，第三代為鉍系、鉈系及汞系高溫超導材料。超導相如表 5-4 所示。

組　　　　　　分 TC/K

La 系(La1–xMx)2CuO4

M=Ba 30M=Sr, Ca 20,40M=Na 40

Y 系LnBa2Cu3O7-δ 90Ln=Y, La, Nd, Sm, Eu, Cd, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu

LnBa2Cu4O8-δ 80

Bi 系 Bi2Sr2Can-1CunO2n+4 n=1 Tc=12K n=2 Tc=80K n=3 Tc=110K n=4 Tc=90K

Tl 系 Tl2Ba2Can-1CunO2n+4 n=1 Tc=90K n=2 Tc=110K n=3 Tc=112K n=4 Tc=119K

TlBa2Can-1CunO2n+2.5 n=1 Tc=50K n=2 Tc=90K n=3 Tc=110K n=4 Tc=122K n=5 Tc=117K

Hg 系 HgBa2Can-1CunO2n+2.5 n=1 Tc=94K n=2 Tc=128K n=3 Tc=134K


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到目前為止，已經發現了三代高溫超導材料，第一代為鑭系高溫超導材料，第二代為釔系高溫超導材料，第三代為鉍系、鉈系及汞系高溫超導材料。

從高溫超導體結構的公共特徵來看，都具有層狀的纇鈣鈦礦型結構組元，整體結構分別由導電層和載流子庫層組成，導電層是指分別由 Cu-O6八面體、 Cu-O5四方錐和 Cu-O4平面四邊形構成的銅氧層，這結構組元是高溫氧化物超導體所共有的。

而載流子庫層的結構則根據來自 Cu-O鍵長的限制作相應的調整，這正是載流子庫層往往具有更多的結構缺陷的原因。


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鑭系高溫超導體具有 K2NiF4結構由 La2CuO4摻雜得到的。其特點是有準二維的結構特徵。

圖 5-15給出了 La2-xSrxCuO4結構示意圖， La2-xSrxCuO4的相圖如圖 5-16所示。

圖 5-15 La2-xMxCuO4 超導體的晶格結構　

圖 5-16 La2-xMxCuO4 超導體的相圖


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釔系高溫超導體在 Y 系超導體中，除最早發現的 YBa2Cu3Oy(Y-123) 外，還有 YBa2Cu4Oy(Y-124,Tc=80K) 。是由三個類鈣鈦礦單元堆垛而成的，圖 5-17 描繪了正交相 YBa2Cu3O7和四方相 YBa2Cu3O6的結構示意圖。

對於如圖 5-17 所示的的正交相結構 Ba-O 層之間有沿 b方向的一維 Cu(1)-O 原子鏈，沿a方向兩個 Cu(1) 之間的位置上沒有氧離子佔據，這個位置被稱為 O(5)晶位 ( 如圖 5-17中的虛線球所示 ) 。

(a)=0 　　　　　　　 (b)=1圖 5-17 YBa2Cu3O7– 晶格結構

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圖 5-18 YBa2Cu3O7– 晶格參數與氧含量 7– 的關係


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鉍系高溫超導體米切爾 (Michel) 等人首先在 Bi-Sr-Cu-O 體系中發現了超導轉變溫度為

7~22K 的超導相。 Maeda 等在米切爾研究的體系的基礎上加入 CaO ，在 Bi-Sr-Ca-Cu-O 的體系中發現了 Tc 為 110K 和 85K 的多晶樣品。 ( 如圖 5-19 所示 )Bi2Sr2Can-1CunO2n+4 ， n=1 ， 2 ， 3 ， 4 ，分別稱為 2201相、 2212 相、 2223 相和 2234 相。

2201 2212 2223圖 5-19 　鉍系各超導相晶體結構的示意圖


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鉈系高溫超導體鉈系高溫超導體的超導相的化學式為 Tl2Ba2Can-1CunO2n-4，分別稱為 Tl-

2201 相、 Tl-2212 相、 Tl-2223 相和 Tl-2234 相。除了如上所述的 Tl2Ba2Can-1CunO2n+4體系之外，還發現了另一體系的超導相 T1Ba2Can-1CunO2n+3(n=1 ， 2 ， 3 ， 4 ， 5) 。實際上相當於 2201 ，2212 和 2223結構。其晶體結構可參見圖 5-20 。

圖 5-20 TlBa2Can-1CunO2n+3 的結構圖

5.5 高溫超導體5.5.3 高溫超導電性的微觀機理

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高 Tc 超導電性的微觀機理，目前大致有四類理論嘗試。第一種是基本上在原有 BCS 理論框架中的嘗試。

認為銅氧呼吸模式對電子的相互作用很強；認為有某些支的聲子軟化等等。

第二種是強調了載流子和銅離子的自旋相互作用的模型。一類極端情況是認為電洞間的庫倫相互作用比起電洞在不同離子間轉移的矩陣元要小的情況，這些出發點便不是莫特 -哈伯特的反鐵磁絕緣體。

另一類的極端情況是從庫倫相互作用比電洞的轉移作用大得多的情況，這時母系是莫特 -哈伯特反鐵磁絕緣體。

第三種是認為載流子配對所需的吸引作用是電荷漲落引起的。

第四是安德遜 (P. W. Anderson) 最先從共振價鍵的角度提出摻雜後原來的反鐵磁基態轉變為一種共振價鍵的基態。元激發有兩類，一類是鏇子 (spinnon) ，它沒有電荷，但帶有 1/2自旋；是費米子。一類是穴子 (holon) ，它帶有電荷，但自旋為零，是玻色子。穴子的量子凝結便是超導轉

變。

5.6 超導材料的應用

43

超導材料具有的完全導電性、完全抗磁性和約瑟夫遜效應等，在電力運輸、交通運輸、地質探礦、地質探礦、科學研究、醫學等領域中有著廣闊的應用前景。

如將超導體應用於潛艇的動力系統，可以大大提高它的隱蔽性和作戰能力。製造出世界上最靈敏的電磁信號的探勘元件和用於高速運行的計算幾元件。

在衛星上可用於礦產資源普查。

不同的應用領域對超導體的技術指標提出了相應的要求，如表 5-5 所示。

44

應用領域 B/T JC/A cm–2

電纜 0.1 5106

交流傳輸線 0.2 105

直流傳輸線 0.2 2104

SQUID 0l.1 2102

發電機和電動機 4 104

故障電流限制器 > 5 > 105

表 5-5 　超導材料的磁場環境和臨界電流

Chapter 5 超導材料

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