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1、四川理工学院毕业论文四川理工学院毕业设计（论文） 超导现象及其研究进展学 生：郑 奎学 号：08071010232专 业：应用物理班 级：2008级2班指导教师：王永华 四川理工学院理学院二O一二年六月摘要：超导体作为一种新型的材料将使我们的社会在各个方面发生深刻的变化。超导作为一种新型技术，超导技术越来越广泛地应用到各个领域，人类对超导电性及其应用将越来越重视。超导技术的应用有着巨大的潜力和发展前景，本文介绍了超导的发现及发展历史，超导的形成机理与超导应用研究近况。在高温超导体微观机理的重新认识方面, 已有证据显示, 在高温超导体中存在很强的电子- 声子耦合作用; 在新型超导材料探索方面,
2、主要有二硼化镁(MgB2 ) , 有机聚合物( P3HT) , 碳60 等。超导材料具有现实和潜在的良好应用前景,特别是在能源、电力、交通、微波通信、计算机、医学和各种检测器等领域。关键词: 超导发展历程；超导电性; 微观机理; 超导应用目 录绪 论.1第一章 超导概述 91.1 超导的发现91.1.1 超导物理之父 海克卡末林昂内斯1.1.2 液化氦气成功为超导的发现奠定基础1.1.3. 首次发现超导 1.1.4 零电阻效应的证实1.2 超导材料的特点10 1.2.1 超导的零电阻效应.1.2.2 迈斯纳效应. 1.2.3 Josephson效应.1.3超导技术的发展历程101.3.1 BB
3、S理论的发现与证实. 1.3.1.1前人奠定基础1.3.1.2巴丁的初步尝试1.3.1.3三人军团与BCS理论的创立1.3.14 BCS理论建立的影响和意义1.3.2 迈斯纳效应.1.3.3 约瑟夫逊效应的发现.1.3.4 高温超导材料的发展.第二章 超导的微观理论52第三章 超导材料简介第四章 超导技术的应用第五章 超导材料的发展前景及方向展望第六章 结论52参考文献54致谢59附录A：XXX60附录B：XXX66绪 论 自从1911年Kamerlingh Onnes 发现了低温超导体（汞在超导转变温度Tc=4.2K一下电阻突然消失）以来，100年已然过去。著名的超导专家马梯阿斯（B. T.
4、 Matthias）曾经断言：“如果在常温下，例如在27左右实现超导，那么现代文明的一切技术都将发生变化。”专家提醒人们应以更长远的眼光来关注和重视高温超导的未来。事实上，正如半导体一样，当1947年威廉肖克利及其同事发明晶体管时，谁会想到半导体会拥有今天这样无可替代的地位呢？同样，光导纤维的发明也给通信领域带来了革命性的变化。从趋势来看，超导电力技术也正沿着从金属结构到非金属结构的类似路径发展。近100年的超导科技发展史得体经历了三个阶段。1911年到1957年超导的发现及其微观理论（BCS理论）的发现，是人类对超导电性的基本探索和认识阶段。BCS理论是巴丁（J.Bardeen）、库珀（L.
5、V.Cooper）施里弗（J.R.Schrieffer）共同发现的低温超导理论（亦可称常规超导理论），其核心是提出了库珀电子对概念作为超导电性的基础。1972年巴丁（J.Bardeen）、库珀（L.V.Cooper）施里弗（J.R.Schrieffer）三人因此获得诺贝尔物理学奖。这是人类认识超导电性的基础阶段。第二阶段自1958年到1985年，属于开展超导技术的准备阶段。19601961年贾埃瓦实验证明了BCS理论，并测量到零电压超导电流。1962年英国剑桥大学实验物理研究生约瑟夫逊在著名科学家安德森指导下发现了约瑟夫逊效应。这一阶段的发现极大地拓展了超导的应用范围。第三阶段自1986年发现
6、超导转变温度高于30K的超导材料（钡镧铜氧化物）后，人类逐步转入超导技术开发时代。在这一阶段人类对超导机制的认识及理论上的进步也相伴而生。迄今，高温超导材料已经发展二十多年，但对新超导材料高温超导问题仍众说纷纭，其超导理论仍未解决；原来常规的超导理论（即BCS理论）需要如何改造，抑或需要全新的理论？对此，目前尚无共识。改革开放以来我国社会主义市场经济体制逐步建立，综合国力日益增强，人民生活水平大大提高，然而在这快速发展的同时一些深层次的矛盾与问题日益积累和加深，致使我国的可持续发展面临着诸多困境。一、一次能源资源面临枯竭，相关要素资源严重短缺。目前我国探明可开采的石油储量约21亿吨预计还可开采
7、11.3年，煤炭1145亿吨预计还可开采45年，天然气1.88万亿立方米预计还可开采27.2年（数据来源：BP世界能源统计2008）。二、资源消耗过大，环境严重恶化，面临巨大的温室气体减排压力。科学观测表明，地球大气中二氧化碳的浓度已从工业革命前的280ppm（280 毫升/ 立方米） 上升到了2008 年的386ppm。很多科学家将400450ppm设为大气中二氧化碳的浓度上限，以避免“不可逆转的灾难性后果”。以上的数据表明我国（乃至全球）要实现可持续发展必须走低能高效之路，一方面最大限度地提高能源特别是不可再生能源的终端利用效率，另一方面大力开发利用新能源，寻找满足我国能源需求的终极解决途
8、径。中国南方电力公司副总经理肖鹏曾在中国电力工业变革与发展的战略选择中强调要高度重视并加快高温超导技术的研发利用。他指出：高温超导技术是21 世纪有可能为电力工业带来革命性变化的唯一高科技储备，也是未来新能源变革的重要技术支撑。高温超导技术的应用非常广阔，大致可分为三类：大电流应用（强电应用），包括超导发电、输电和储能；电子学应用（弱电应用），包括超导计算机、超导天线、超导微波器件等；抗磁性应用，主要用于磁悬浮列车和热核聚变反应堆等。在目前各类应用中，高温超导输电与电网企业最为相关。正如人们用更高容量的光纤代替铜导线建设“信息高速路”一样，超导技术的应用也将给电力工业带来根本性的变化，形成显著
9、提高效率和负载能力的“电力高速路”。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）。超导从1911年问世以来经过这100年的发展已经从出生的婴儿步入了少年时代，在这蓬勃发展的阶段更需要世界的关注。让我们一同努力让这个“新生命”更早更好地为更好地服务。第一章 超导概述1.1 超导的发现 1.1.1 超导物理之父 海克卡末林昂内斯1853年9 月21 日海克卡末林昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）出生于
10、荷兰的格罗宁根（Groningen）。他的父亲拥有一制瓦厂, 但他的母亲艺术素养颇佳, 深深影响了他。他的姐夫是当时Liden（地名）有名气的画家。卡末林一昂内斯年轻时也曾涉猎诗歌。1870年, 卡末林-昂内斯进入格罗宁根（Groningen）大学学习, 第二年获科学学士学位。在格罗宁根大学, 他学习了物理学和数学. 次年转人德国海德堡（Heidelharg ）大学, 在这里曾有向化学家罗伯特威廉本生（Robert Wilhelm Bunsen）及物理学家基尔霍夫（Kirchhoff）请教学习的机会。他是在基尔霍夫私人实验室工作的两名学生之一。 1873 年4 月, 为了获得博士学位, 他又回
11、到了格罗宁根。 在米斯(RAMiss)指导下, 他续继学习, 于1879 年6 月通过了论文答辩, 并以优异的学业成绩获得博士学位 其论文题为地球转动的新证据。在其攻读博士学位后期, 认识了Vander Waals 这位年轻的物理学教授。Vander Waals 在研究现在称为非理想气体问题。大家知道17 世纪末Boyle 和Mariotte 曾独立地发现了现称为的Boyle 定律, 用以描写理想气体行为。其后, 随着实验技术的进步, 人们开始认识到它与实际气体行为的偏差。19 世纪法拉第首先由实验表明, 大多数气体可以被液化。当时(19 世纪70 年代以前) 仍不能被液化的气体称为“永久气体
12、” . 从19世纪70 年代开始, 氧、氮、空气相继也被液化了. 到19 世纪末对氢和氦气的液化研究成为当时科学前沿. Vander Waals 的实际气体及其液化理论就是在这样的背景上展开的理论工作。Vander Waals 的实际气体理论创造性地提出分子体积和分子间存在引力的概念.1873 年Vander Waals成功地提出了描述实际气体的Vander Waals 理论, 七年后又提出了对应态律以单一方程描写所有实际气体行为.Vander Waals 这些开拓性工作深深地影响了年轻的卡末林一昂内斯.他不顾Lorentz 的劝告(Lorentz 认为低温领域不会有什么新奇事物), 也不顾其
13、博士论文是在力学方面, 而决心按Vander Waals 指出的液化气体方向上工作。1882年任莱顿大学实验物理学教授，并创建了闻名世界的低温研究中心莱顿实验室。 1911年，昂尼斯利用液氦将金和铂冷却到4.3K以下，发现铂的电阻为一常数。随后他又将汞却到4.2K以下，测量到其电阻几乎降为零，这就是物体的超导性。1913年，昂尼斯又发现锡和铅也和汞一样具有超导性。 1913年，由于对物质在低温状态下性质的研究以及液化氦气，昂尼斯被授予诺贝尔物理学奖。 在昂尼斯的领导下，莱顿大学物理实验室成为世界低温物理学的研究中心。 1923年，昂尼斯退休， 1926年2月21日在莱顿逝世。 为纪念他，莱顿大
14、学物理实验室1932年被命名为“卡末林昂尼斯实验室”。 1.1.2 液化氦气成功为超导的发现奠定基础 1882 年卡末林一昂内斯被聘为Leiden 大学教授。当时在物理领域有关物性的工作多为定性的。卡末林一昂内斯试图在定量工作上开拓. 他选定测量气体低温性质以检验Vander Waals 理论。为此,他开始在Leiden 大学建立低温实验室(193 2 年这个实验室被命名为Kamerlingh一Onnes 实验室)。他面临的首要任务是创造低温条件。 相对地讲, Leiden实验室的条件落后.特别是1898 年5 月英国人杜瓦(James Dewar, 1842一1923 年)在克服了重重困难后
15、首次把氢气液化了. 这样已能达到20 K 的低温条件, 此后, 采用减压降温法, 在液氢的基础上已进人14 K 左右的低温区。八年之后, 1906年Leiden 实验室才实现了氢液化。下一步的目标, 即把氦气液化成为当时国际竞争的焦点.如何善于继承当时国际先进实验室的经验又能看出问题所在, 别创蹊径? 卡末林一昂内斯看到杜瓦实验室生产液氢的设备只能产生小量的液氢,类似于作演示实验。这使杜瓦实验室有优势, 但也有劣势。除了可创造低温纪录外, 于研究低温不物性的需要相去甚远. 相比之下, Leiden 实验室创出了自己的特色。图1 卡末林- 昂内斯( 右) 和他的实验员盖芮特- 菲立姆( 左) 于
16、1911 年在世界上首台氦液化器旁的照片 1892 一1894 年间, Leiden 实验室在卡末林一昂内斯领导下建立了一座大型液化工厂来液化氧、氮和空气。Leiden 的大型液化工厂作为低温实验室的奠基工作, 其规模之大, 以至在30 年后仍能满足Leiden 实验室低温研究之需要. 这些设备最初每小时生产4 升液氢, 经改进后, 达到每小时可生产13升液氢。另外, 为了建立低温实验室需要制作精密仪器. 为此, 卡末林一昂内斯建立了仪器制造培训学会(Soeiety for promotion of the training of Instrument Makers )。大学内这一组织培养了大
17、批技术熟练人才(如吹玻璃技术员)，对Leiden 大学及国外人员培训均起了重大作用。1908 年7 月10 日历史性的日了终于来到了。这一天的实验室工作从早晨5 点半一直到夜间9 点半全体实验室工作人员坚守在各自的工作岗位上, 渴望见到液氦。终于在下午6 点半, 人类第一次看到了它, 氦气被液化了。当时测定在一个大气压下, 氦的沸点是4.25 K 。1.1.3. 首次发现超导1908年卡末林一昂内斯的Leiden实验室首次把氦气液化了. 这样已能达到4.2K 的低温条件, 此后, 采用减压降温法, 在液氢的基础上已进人1.5 K 左右的低温区。低温条件已属最前列,卡末林一昂内斯开始按既定计划进
18、人低温物性领域。金属的电阻随温度降低而减小, 完整金属的电阻在绝对零度时将为零, 不完整金属的电阻在绝对零度时将趋于一个由缺陷所决定的数值. 随着人们注意到纯金属的电阻随温度的降低而减小的现象及低温的获得, 金属电阻在低温区的变化成了人们关注的问题之一.在氦未得到液化时, 对于金属的电阻在绝对零度附近如何变化, 人们只能进行猜测. 例如, 德国物理化学家能斯特( W. Nernst) 的重要发现-熵能随温度趋于绝对零度而趋于零, 表明了金属的电阻随温度的降低而减小, 并最终在绝对零度时消失; 英国科学家杜瓦( J. Dewar) 在液氢温区研究了铂的电阻, 发现电阻随温度下降而下降的速度比理论
19、预期的要慢得多. 显然这是两种相反的观点且具有代表性. 在低温下金属电阻如何变化众说纷纭之时, 昂内斯加入到探索者的行列中来. 昂内斯从事低温电阻的研究最初受到了开尔文的影响. 1902 年, 开尔文认为电子在极低温下将凝结在金属原子上, 这会使金属的电阻变得无限大. 受这一思想的影响, 昂内斯最初认为纯金属的电阻随温度的降低应先达到一个极值, 随着温度进一步下降, 电阻又会重新开始增大, 在绝对零度时变为无限大. 昂内斯由此把研究重点转移到低温下的金属电阻上来, 事实证明这个选择极有远见. 研究极低温下物性问题的成熟时机是实现了氦的液化而能达到4 K 到1 K 的极低温区. 在实现了氢的液化
20、后, 昂内斯在液氢温度下测量了金、银、汞、铋、铅和铂的电阻, 发现不同纯度的金属在低温下电阻变化的情况也不相同: 随着温度的下降, 越纯的金属, 电阻变得越小, 尤其是金和铂更明显. 获得液氦后, 昂内斯于1911 年组织研究了液氦温度下铂和金的电阻, 并提出了附加的杂质电阻概念. 他发现铂的电阻在4. 3 K以下是一个定值, 认为这个定值可能由杂质引起, 若铂很纯净, 其电阻很可能会在氦的沸点下消失为零. 因此, 昂内斯放弃了电阻在绝对零度时趋于无限大的观点. 他甚至利用普朗克量子概念, 并类比爱因斯坦于1907 年提出的量子固体比热理论, 提出一个新的电阻理论来说明金属的电阻在绝对零度时减
21、小为零. 在以后进一步的研究工作中, 昂内斯采用尽可能纯净的金属样品汞做实验以排除杂质电阻的影响. 当时汞是可利用的最纯金属, 在常温下可以连续用蒸馏法提纯. 昂内斯的学生霍耳斯特( G. Holst) 测量极低温下汞的电阻行为的实验中发现: 当冷却至氦的沸点( 4. 2 K)时, 电阻突然降到零; 当升温到4. 2 K 时这种现象消失; 再冷却时这种现象又会出现. 得到实验结果报告的昂内斯又重复实验多次后终于确认: 在4. 2 K 附近汞的电阻已经降到该实验室无法测出的程度. 这实际上是人类第一次观察到的超导电性. 1911 年4 月28 日, 昂内斯发表的题为在液氦温度下纯汞的电阻的论文表
22、明: 纯汞能被带到这样的状态, 其电阻变为零, 或者说至少觉察不出与零的差异. 毫无疑问, 汞在4.2 K 附近, 进入一个新的物态,其电阻实际为零. 然而昂内斯本人并没有意识到这就是物质的超导现象, 反而误以为这个结果与先前所持观点相吻合. 5 月29 日, 昂内斯发表题为汞电阻的消失的论文表明: 在3 K, 发现电阻降到3 10- 6 以下, 即为其在摄氏零度电阻值的1/ 1000, 昂内斯注意到了汞在4. 2 K-3 K 的电阻变化比以前理论预言的要快得多. 12 月30 日, 昂内斯在题为论汞电阻消失速度的突变 的论文中明确给出了汞的超导转变曲线:在4. 21 K- 4. 19 K 间
23、, 汞电阻减小得极快, 在4. 19 K完全消失. 1912- 1913 年间, 昂内斯又发现了锡在3. 8 K 和铅在7. 2 K 时电阻消失现象. 同时还有两项重要发现:超导体电流愈强, 临界转变温度就愈低; 对于不纯的汞, 其电阻消失的方式和纯汞一样. 这一结果出乎预料, 这就进一步否定了昂内斯自己先前的观点-只有纯金属电阻才会在液氦温度下消失的理论. 1913年，昂内斯在其第二篇论文中第一次使用了“超导电性( superconductivity)”一词, 同年9 月, 在华盛顿召开的第三届国际制冷会议上, 昂内斯正式提出了“ 超导态”概念. 由于在低温物性和液化氦方面富有开创性的研究,
24、 开辟了对物理学有重大意义的低温超导领域, 昂内斯荣获了1913 年诺贝尔物理学奖.授奖仪式上的评价为: 他创造了这些可能性, 同时开辟了一个对于物理科学具有伟大意义和结果的领域.1.1.4 零电阻效应的证实在超导态下电阻是不是真的完全消失了呢? 为了进一步测量超导态下电阻减小的程度, 昂内斯于1914年4- 5 月间做了更巧妙的实验. 他先把超导铝环置于磁场中, 然后降温使其进入超导态, 再将磁场撤去, 超导环中产生感应电流. 通过观察感应电流的衰减情况发现, 直至液氦完全蒸发, 两个多小时内没有看到电流有丝毫衰减的迹象. 昂内斯由此实验估计超导环的电阻率不会超过. 其后柯林斯( Co1li
25、ns) 曾使一超导环中的电流持续了约两年半之久未发现电流有明显变化. 奎恩( Quinn) 等人指出, 超导态铝的电阻率小于. 法奥( JFile) 和迈奥斯( RGM ills) 利用精确的核磁共振方法测量超导电流产生的磁场来研究螺线管内超导电流的衰变, 结论是衰减时间不低于10 万年.1.2 超导体的基本特征 1.2.1超导的零电阻效应Kamerlin Onnes发现了一个非同寻常的现象：随着温度下降汞的电阻不是平滑地下降, 而是在4.15K（4.15K）下突然降到零 (当时能测到的电阻率下限为10-16m（10-16m）),这是人们第一次看到的超导电性。后来的实验证明，电阻突变温度与汞的
26、纯度无关，只是汞越纯，突变越尖锐。随后,人们在Pb及其它材料中也发现这种特性:在满足临界条件(临界温度 Tc、临界电流 Ic、临界磁场 Hc)时物质的电阻突然消失,这种现象称为超导电性的零电阻现象。应该指出,只是在直流电情况下才有零电阻现象。从此，诞生了一门新兴的学科超导。在低温下,随着电阻的消失,材料已出现了一种新的状态,这种状态被称作超导态,这种材料被称为超导体,超导体发生电阻跃变时的温度,叫做临界温度或转变温度，用表示。1913年昂里斯曾企图用超导铅线圈绕制超导此题，但他发现，当超导铅线中的电流超过某一临界值时，超导线圈转变为正常态。1914年他发现，超导态可以被外加磁场破坏。当超导样品
27、处在低于的任一确定温度下时，若外加磁场小于某一确定数值Hc ，超导样品材料电阻为零；当外加磁场H大于Hc时，电阻突然出现超导态被破坏转变为正常态。我们称Hc为超导的临界磁场，他是温度的函数，记为Hc（T）。有下列经验公式：其中Hc（0）是T=0K时超导体的临界磁场 4.2K T/K Ic I/A 图一：超导电阻随温度的变化 图二：电流对超导材料电阻的影响昂尼斯还发现，当通过超导线的电流超过一定数值Ic后，超导态便被破坏，称Ic为超导体的临界电流。对此西尔斯比提出，这种由电流引起的超导-正常态是场致的特殊情况，即电流之所以能够破坏超导的电性，纯粹是由它所产生的磁场（自感磁场）而引起的。西尔斯比定
28、则可表述为：在无外加磁场的情形下，临界电流在样品表面产生的磁场恰好等于Hc。仿上式有：其中，Ic（0）代表T=0K时超导体的临界电流。 0 Hc B 图三：磁场强度对超导的影响超导体有三个基本特征：一是零电阻效应；二是迈斯纳效应，三是Josephson效应。1.2.2 迈斯纳效应在1933年以前，人们从零电阻出发，一直把超导体和完全导体（或称无阻导体是一种假象的理想体）完全等同起来。由欧姆定律：,完全导体R=0故无论I多大电势差U0，又因为： 由此，在完全导体中不能存在电场，即E=0，于是有： 这就是说，在完全导体中不可能有随时间变化的磁感应强度；即在完全导体内部保持着它失去电阻前一刻时样品内
29、部的磁场，可认为磁通分布被“冻结”在完全到体内，外加磁场的改变不能改变“冻结”在完全导体内部的磁通分布。在迈斯纳和奥克森菲尔德实验前这种“冻结”概念一直被沿用。 1933年德国物理学家迈斯纳（W.Meissner）和奥森菲尔德（R.Ochsebfekd）对锡单晶球超导体做磁场分布测量时发现，在小磁场中把金属冷却进入超导态时，体内的磁力线一下被排出，磁力线不能穿过它的体内，也就是说超导体处于超导态时，体内的磁场恒等于零。超导体一旦进入超导状态，体内的磁通量将全部被排出体外，磁感应强度恒为零，且不论对导体是先降温后加磁场，还是先加磁场后降温，只要进入超导状态，超导体就把全部磁通量排出体外。此外，超
30、导体还是完全的抗磁体，外加磁场无法进入或（严格说是）大范围地存在于超导体内部，这是超导体的另一个基本特性。 产生迈斯纳效应的原因是：当超导体处于超导态时，在磁场作用下，表面产生一个无损耗感应电流。这个电流产生的磁场恰恰与外加磁场大小相等、方向相反，因而在深入超导区域总合成磁场为零。换句话说，这个无损耗感应电流对外加磁场起着屏蔽作用，因此称它为抗磁性屏蔽电流。 超导体不同于电阻无限小或者为零的理想导体。 因为对于电阻率无限小的理想导体，根据欧姆定律E=J，若=0，则由麦克斯韦方程组E=-B/t=0，由此可知在加磁场前后理想导体体内磁感应强度不发生变化，即B=C0，C为加入磁场前导体体内的磁感应强
31、度。而超导体的迈斯纳效应要求深入超导区B=0。 1.2.3 Josephson效应 1957年，受雇于索尼公司的江崎玲於奈（Leo Esaki，1940）在改良高频晶体管2T7的过程中发现，当增加PN结两端的电压时电流反而减少，江崎玲於奈将这种反常的负电阻现象解释为隧道效应。此后，江崎利用这一效应制成了隧道二极管（也称江崎二极管）。 1960年，美裔挪威籍科学 家加埃沃（Ivan Giaever，1929）通过实验证明了在超导体隧道结中存在单电子隧道效应。在此之前的1956年出现的“库珀对”及BCS理论被公认为是对超导现象的完美解释，单电子隧道效应无疑是对超导理论的一个重要补充。 1962年，
32、年仅20岁的英国剑桥大学实验物理学研究生约瑟夫森（Brian David Josephson，1940）预言，当两个超导体之间设置一个绝缘薄层构成SIS（Superconductor-Insulator- Superconductor）时，电子可以穿过绝缘体从一个超导体到达另一个超导体。约瑟夫森的这一预言不久就为P.W.安德森和J.M.罗厄耳的实验观测所证实电子对通过两块超导金属间的薄绝缘层（厚度约为10埃）时发生了隧道效应，于是称之为“约瑟夫森效应”。 宏观量子隧道效应确立了微电子器件进一步微型化的极限，当微电子器件进一步微型化时必须要考虑上述的量子效应。 Josephson效应又叫隧道效应
33、，是由微观粒子波动性所确定的量子效应。又称势垒贯穿 。考虑粒子运动遇到一个高于粒子能量的势垒，按照经典力学，粒子是不可能越过势垒的；按照量子力学可以解出除了在势垒处的反射外，还有透过势垒的波函数，这表明在势垒的另一边，粒子具有一定的概率，粒子贯穿势垒。理论计算表明，对于能量为几电子伏的电子，方势垒的能量也是几电子伏 ，当势垒宽度为1埃时 ， 粒子的透射概率达零点几 ；而当势垒宽度为10时，粒子透射概率减小到 ，已微乎其微。可见隧道效应是一种微观世界的量子效应，对于宏观现象，实际上不可能发生。 在势垒一边平动的粒子，当动能小于势垒高度时，按经典力学，粒子是不可能穿过势垒的。对于微观粒子，量子力学
34、却证明它仍有一定的概率穿过势垒，实际也正是如此，这种现象称为隧道效应。对于谐振子，按经典力学，由核间距所决定的位能决不可能超过总能量。量子力学却证明这种核间距仍有一定的概率存在，此现象也是一种隧道效应。隧道效应是理解许多自然现象的基础。 在两层金属导体之间夹一薄绝缘层，就构成一个电子的隧道结。实验发现电子可以通过隧道结，即电子可以穿过绝缘层，这便是隧道效应。使电子从金属中逸出需要逸出功，这说明金属中电子势能比空气或绝缘层中低于是电子隧道结对电子的作用可用一个势垒来表示，为了简化运算，把势垒简化成一个一维方势垒。 所谓隧道效应，是指在两片金属间夹有极薄的绝缘层（厚度大约为几个nm（10-6mm）
35、，如氧化薄膜），当两端施加势能形成势垒V时，导体中有动能E的部分微粒子在EV的条件下，可以从绝缘层一侧通过势垒V而达到另一侧的物理现象。 产生隧道效应的原因是电子的波动性。 经典物理学认为，物体越过势垒，有一阈值能量；粒子能量小于此能量则不能越过，大于 此能量则可以越过。例如骑自行车过小坡，先用力骑，如果坡很低，不蹬自行车也能靠惯性过去。如果坡很高，不蹬自行车，车到一半就停住，然后退回去。 量子力学则认为，即使粒子能量小于阈值能量，很多粒子冲向势垒，一部分粒子反弹，还会有一些粒子能过去，好像有一个隧道，故名隧道效应（quantum tunneling）。可见，宏观上的确定性在微观上往往就具有不
36、确定性。虽然在通常的情况下，隧道效应并不影响经典的宏观效应，因为隧穿几率极小，但在某些特定的条件下宏观的隧道效应也会出现。 1.3 超导技术的发展历程从1911年海克卡末林昂内斯在他建立的莱顿大学物理实验室里首次发现超导现象以来，这一百多年人们对超导这一新生事物的研究始终保持着高度热情，尤其是近十几年。超导技术的发展到现目前为止大致可以分为三个阶段：第一阶段为低温超导原理（BBS理论）的探究阶段；第二阶段为超导材料对磁场产生的影响（约瑟夫逊效应）的探究阶段；最后一个阶段就是从1986年到现在还在持续的高温超导材料的探索阶段。 1.3.1 BBS理论的发现与证实 1.3.1.1前人奠定基础 BC
37、S理论是在前人的实验发现和理论成果的基础上建立起来的1908年，荷兰低温物理学家昂纳斯通过使温度接近绝对零度。成功地液化了氦气随后，他开始详细地研究在极低温条件下物质的各种特性，其中就包括低温下电阻随温度变化的规律1911年，他首次发现水银在42K以下时，电阻突然消失的超导电现象然而，电阻完全消失并非超导体的唯一特征1933年，德国物理学家迈斯纳和奥森菲尔德(Roch*nfeld)通过实验发现当物体处于超导态时，超导体内部的磁场实际上为零，具有完全的抗磁性这种现象叫做迈斯纳效应完全抗磁性是超导体独立于完全导电性的又一个基本特征从1911年到1933年这20多年的时间里，人们一直认为超导体只不过
38、是电阻为零的理想导体，而完全抗磁性的发现，使人们认识到超导态实际上是一个热力学态，完全导电性和完全抗磁性是超导体的两个基本特征超导现象的发现吸引了众多物理学家的目光，一些著名物理学家都涉足到这一研究领域中来，他们都曾试图从理论上解释这种现象产生的原因然而，这项研究的进展却异常缓慢、艰难，有人甚至认为超导理论的研究已经成为“理论物理学的耻辱与绝望” 1.3.1.2巴丁的初步尝试 早在20世纪30年代巴丁就认识到超导电性是宏观尺度上的一种量子现象。并认为电子因某种形式的相互作用而耦合起来，致使最低态与激发态之间被隔开一有限的闻隔他还特别指出，基于迈斯纳效应，完全抗磁性才是超导体真正的基本性质。在弗
39、里兹伦敦思想的影响下，1940年，巴丁尝试提出了一个超导理论，其主要思想是费米面起因于晶格微小位移而产生的一些小能隙，在紧靠费米面下面的态的电子能量被降低。但这一尝试没有成功，并且因1941年巴丁参加了战时军事研究工作而中断二战之后，巴丁来到了贝尔实验室，在那里他将自己的研究转向了半导体物理。1950年春天美国国家标准局的麦克斯韦和拉特格斯大学的雷诺兹等人分别独立发现，汞的超导转变温度与其同位素质量有关，同位素质量越小，转变温度就越高，这就叫做“超导同位素效应”。同位素效应发现之初，包括巴丁在内的许多人对此毫不知情1950年5月15日，参与同位素效应发现的塞林(BSerin)打电话将此消息告诉
40、了巴丁巴丁马上意识到，超导电性必定与电子一声子相互作用有关，并试图在此基础上构造一个理论 1.3.1.3三人军团与BCS理论的创立 1955年，巴丁应德国出版的物理学手册的邀请，写了一篇关于超导理论的述评这使巴丁对当时的超导研究有了更全面的了解巴丁意识到，无论在理论上还是实验上的研究进展，都为提出关于超导现象的微观理论创造了条件这时，巴丁已经明确了超导现象的产生涉及3个关键因素：一是电子声子相互作用；二是能隙的存在：三是速度(动量)空间的凝聚 1955年由于派尼斯的离开，他急需一名有才华的年轻理论物理学家帮助处理复杂的多体问题。同年9月库珀来应邀到了伊利诺伊大学与此同时，巴丁的研究生施里弗也加
41、入到这个行列中来 要真正建立微观理论。关键是要对超导态有一个清晰的物理图像1956年春天，库珀不负众望，迈出了关键的一步，提出了超导理论所需要的额图像库珀利用量子场论方法，直接从动力学的角度考虑相互吸引的直接作用，得到了费米面近旁两个动量和自旋都大小相等而方向相反的电子能结合成对。这种电子对被称为“库珀对”库珀对的两个电子间在吸引的电一声相互作用和排斥的库仑相互作用抵消后还有一个净吸引，无论多么弱，都会使两个电子处于束缚态，能量费米面能量略低一些，形成超导能隙库珀对的提出成为Bcs理论成功的关键库珀对提出后巴丁指出，单用库珀方法构造一个超导理论还是不可能的如果这电子对的结合能有的量级，那么电子
42、对的波函数尺度就具有cm量级但是，如果在费米面内所有的电子都结成电子对，那么这些电子对之间的平均距离只有约cm，而这个距离远小于电子对的尺度。于是，按照多体方法，他们必须找到超导体的基态波函数，这个重任落到了施里弗的肩上1956年11月，经过一年努力依然没有头绪的施里弗有些气馁了，他开始部分时问悄悄地搞起铁磁性问题的研究1957年1月底最后几天施里弗正在纽约参加有关多体问题的会议，边听核子相互作用的报告，边思考超导电性问题时，他凭借自己的直觉和灵感，大胆地猜出一个考虑了库珀对的超导基态波函数的可能形式经过数学处理，他得到了能隙方程，吸引势的简单模型以及绝对零度时的凝聚能几天后，施里弗回到了伊利
43、诺伊大学巴丁认真地核实了施里弗提出的超导基态波函数，很快就确认了它的正确性在施里弗的工作取得突破两周之后，巴丁等人得出了包括正常态和超导态之间的基态能量差，以及对于r=OK时的能隙的解释等初步结果但是，巴丁未能成功地得出二级相变最后他决定不能再让这个问题阻碍他们发表自己的工作1957年2月中旬三人写出了有关这个理论的原始通讯，发表在4月1日出版的物理评论上随后，他们继续扩展理论，得到了激发谱，获得了超导体的各种热力学性质和输运性质，解释了迈斯纳效应、同位素效应在他们三人剐剐发出第一篇有关超导微观理论研究工作的通讯之后的一天晚上，一位著名的瑞典冶金学家来巴丁家赴宴，当晚巴丁深深陷入了对二级相变问
44、题的思考显然没有把注意力放在同客人的交谈上+巴丁的夫人几次试图使他将注意力转移到正在谈论的话题当中来，但他很快又回到了自己的思考中去了，第二天早上，巴丁就告诉施里弗他得到了二级相。1957年3月，巴丁、库珀和施里弗三人有关超导理论的头两篇专题论文在费城召开的美国物理学会年会上公开发表库珀代表三人首次公开地报告了这一理论的有关成果1957年12月，第一篇完整概述他们理论的文章发表在了物理评论上人们习惯上取三位作者各自姓氏的第一个字母，称这一理论为BCS理论。1.3.14 BCS理论建立的影响和意义巴丁、库珀、施里弗三人共同创立的BcS理论，解决了-一个困扰人们长达46年的难题，它的创立标志着人们对超导电性的解释从宏观唯象阶段进入了微观阶段BCS理论极大地促进了有关超导研究的进展，不断涌现的实验和理论成果(图1)使这个领域焕发了勃勃生机以BCS理论为基础，人们进而利用它导出了伦敦方程、皮帕德方程以及金兹壤一朗道方程等重要方程；贾埃沃(Ivar6aM，1929一)发现了超导隧道效应；约瑟夫森(BdanJ06I挚hson，1940一)预言了以他名字命名的效应并得到实验证实BCS理论因而成为超导物理学史上的重要里程碑B