超導現象

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邁斯納效應中的超導體，具有極大工業潛力

超導現象（英語：Superconductivity）是指材料在低於某一溫度時，電阻變為零的現象，而這一溫度稱為超導轉變溫度（Tc）。超導現象的特徵是零電阻和完全抗磁性。

超導體的基本特性

關於超導材料轉變時比熱（cv）與電阻率（ρ）變化關係的圖像

超導現象是指材料在低於某一溫度時，電阻變為零（以目前觀測，即使有，也小至10−25歐姆·平方毫米/米以下）的現象，而這一溫度稱為超導轉變溫度（Tc）。超導現象的特徵是零電阻和完全抗磁性。

金屬導體的電阻會隨着溫度降低而逐漸減少。然而，對於普通導體如銅和銀，即使接近絕對零度時，仍然保有最低的電阻值，這是純度和其他缺陷的影響所致。另一方面，超導體的電阻值在低於其"臨界溫度"時，一般出現在絕對溫度20 K或更低時會驟降為零。在超導體線材裏面的電流能夠不斷地持續而不需提供電能。如同磁性和原子能譜等現象，超導特性也是種量子效應。這種性質無法單純靠傳統物理學中理想化的「全導特性」來理解。

超導現象可在各種不同的材料上發生，包括單純的元素如錫和鋁，各種金屬合金和一些經過佈塗的半導體材料。超導現象不會發生在部分金屬（如金和銀）[1]，也不會發生在大部分的磁性金屬上。

在1986年發現的銅氧鈣鈦陶瓷材料等系列，即所謂的高溫超導體，具有臨界溫度超過77K的特質，基於各種因素促使學界又再度燃起研究的興趣。對於純研究的領域而言，這些材質呈現一種現象是當時BCS理論所無法解釋的。（依BCS理論，當溫度超過39K，庫珀對會不穩定而無法維持超導狀態。）而且，因為這種超導狀態可在較容易達成的溫度下進行，尤其若能發現具備更高臨界溫度的材料時，則更能實現於業界應用。

超導體的分類

超導體的分類沒有唯一的標準，最常用的分類如下：

發現

1908年，荷蘭物理學家海克·卡末林·昂內斯成功將氦氣液化，隨後在1911年春，昂內斯在用液氦將汞的溫度降到4.15 K時，發現汞的電阻降為零[2]。他把這種現象稱為超導性。後來昂內斯和其他科學家陸續發現其他一些金屬也是超導體。昂內斯因為對生產液氦的貢獻以及發現超導現象而獲得1913年的諾貝爾物理學獎。

完全抗磁性

1933年，德國物理學家瓦爾特·邁斯納和羅拔·奧克森菲爾德（英語：Robert Ochsenfeld）發現了超導體的完全抗磁性，即當超導體處於超導狀態時，超導體內部磁場為零，對磁場完全排斥，即邁斯納效應。但當外部磁場大於臨界值時，超導性被破壞[3]。

原理

倫敦方程式

解釋超導現象最早的理論是由弗里茨·倫敦和海因茨·倫敦兄弟在1935年提出的倫敦方程式[4]。這套方程式基於經典電磁學理論並能有效的解釋邁斯納效應。根據倫敦方程式，超導體內部的電場 E 以及磁場 B 可以表述為以下關係(高斯單位制cgs)：

第一個方程式說明了超導體零電阻，即無窮大電導的特性，第二個方程式結合麥克斯韋方程組可以推導出磁場只能穿透超導體的表面，這個穿透深度稱之為倫敦穿透深度，超導體內部的磁場則為零，即是邁斯納效應。

BCS理論

1957年，美國物理學家約翰·巴丁、利昂·庫珀、約翰·施里弗提出了以他們姓氏首字母命名的BCS理論[5][6]，用於解釋超導現象的微觀機理。BCS理論認為：晶格的振動，稱為聲子（Phonon），使自旋和動量都相反的兩個電子組成動量為零、總自旋為零的庫珀對，稱為電聲子相互作用。由於庫珀對的總自旋為零，適用量子統計力學中玻色子的理論，庫珀對如同超流體可以繞過晶格缺陷雜質流動從而無阻礙地形成超導電流。巴丁、庫珀、施里弗因此獲得1972年的諾貝爾物理學獎。 不過，BCS理論並無法成功的解釋所謂非常規超導體（英語：Unconventional superconductor），或高溫超導的現象。

高溫超導體

超導臨界溫度時間線 1900 to 2015

自1911年發現超導現象的很長一段時間內，物理學家認為超導的上限溫度不會超過30 K。後來發現的超導臨界溫度高於30 K的都被稱為高溫超導體。1953年，科學家發現了合金超導體矽化釩[7]。1986年1月，德國科學家約翰內斯·比得諾茲和瑞士科學家卡爾·米勒發現陶瓷性金屬氧化物可以作為超導體[8]，開啟了銅基高溫超導體的時代，從而獲得了1987年諾貝爾物理學獎。1987年，美國華裔科學家朱經武與台灣物理學家吳茂昆以及大陸科學家趙忠賢相繼在釔－鋇－銅－氧系材料上把臨界超導溫度提高到90K以上，液氮的「溫度壁壘」（77K）也被突破了[9]。1987年底，鉈－鋇－鈣－銅－氧系材料又把臨界超導溫度的記錄提高到125K。從1986年－1987年的短短一年多的時間裏，臨界超導溫度提高了近100K。大約1993年，鉈－汞－銅－鋇－鈣－氧系材料又把臨界超導溫度的記錄提高到138K[10][11]。

2008 年，東京工業大學的細野秀雄與其合作者發現了新的一類鐵基超導體LaO1-xFxFeAs(超導臨界溫度26 K)[12]。隨後，鐵基超導體的超導臨界溫度很快被提高到55 K[13]。2012年，清華大學的薛其坤及其合作者發現生長在SrTiO3襯底上的單原子層FeSe具有高於77 K的超導臨界溫度[14]，這也是目前鐵基超導體的最高超導臨界溫度記錄。

銅基超導體和鐵基超導體都是非傳統超導體，即是非BCS超導體，電子聲子耦合不能解釋這兩個體系的超導現象，目前還沒有統一的理論來解釋這兩類非傳統超導體。

2015年，物理學者發現，硫化氫在極度高壓的環境下(至少150GPa，也就是約150萬標準大氣壓)，約於溫度203K （-70 °C）時會發生超導相變，是目前已知最高溫度的超導體。[15]非常有趣的是，硫化氫屬於傳統BCS超導體，這一發現也重新開拓了傳統超導體的新領域。

2018年3月僅21歲的中國物理學生曹原在《自然》期刊上以第一作者發表兩篇論文[16]，內容是試驗發現兩層石墨烯以1.1度的偏轉夾角疊起來時實現了1.7K溫度下的超導，此種超導方式雖然離高溫超導甚遠，但重大價值在於向揭開超導原理的成因邁出一大步，一種絕緣體或不良導體透過參雜與變換突然變成超導體，是眾多當前熱門銅氧系超導材料的特性，所以石墨這種本質上如此常見的物質僅僅是薄化成了石墨烯再用特定方式堆疊就出現超導特性，大大減少了推理解決超導之謎的參數複雜度，[17]此發現的重大線索特性讓自然雜誌在論文刊出3天後撰寫了一篇編輯評論《驚人的石墨稀發現與解開超導秘密》[18]，認為這種思維路徑很可能指引一條道路最終解開超導之謎，從而能用推演設計法製造出一種地球環境的常溫超導體。羅拔·勞夫林（1998年諾貝爾物理獎得主）發表文章認為這給出了「一個令人目眩的暗示」[19]，也許超導體成因沒有想像中複雜，終有一天能輕易用一套物理計算法算出怎樣的物質在怎樣情境下能超導，那時瞬間就能推理設計出常溫超導體，大幅改變科技進程。

應用

超導磁感應加熱

超導磁感應加熱技術，利用了超導線圈不發熱的特性，實現高效率的鋁鍛造。2022年1月20日，高溫超導感應加熱實現航空高端鋁型材鍛造領域應用。[20]2023年這項技術正處於應用推廣階段，逐漸擴展到中型鋁熱加工和鈦加工領域。[21]

超導電纜

隨着超導帶材的發展，超導電纜逐漸發展起來。

參見

參考資料

  1. ^ 何健民. 週期表中哪些元素能超導？ (html). 泛科學Pansci. 2016/11/08 [2024-03-04]. （原始內容存檔於2024-03-04） （zh-ct）. 7. 最有趣的問題：為何在常溫下最好的電導體，包括銅（Cu）、銀（Ag）、金 （Au）反倒不超導？其實這也可從傳統超導理論中，找出原因：超導態中自由電子形成電子對，是依靠虛聲子的生成和消失，而虛聲子則是受電子和離子相互作用激發。好的導體，電阻小，是因為電子和離子相互作用弱，反而使得虛聲子、及電子對不易生成。當然也有可能，超導態會在比今天可達到的低溫更低的溫區出現。既然理論無法決定，只有靠時間，等待技術的提升了。 
  2. ^ Kamerlingh Onnes. Further experiments with liquid helium. D. On the change of electric resistance of pure metals at very low temperatures, etc. V. The disappearance of the resistance of mercury.. Comm. Phys. Lab. Univ. Leiden. 1911, (122b). 
  3. ^ W. Meissner, R. Ochsenfeld. Ein neuer Effekt bei Eintritt der Supraleitfähigkeit. Naturwissenschaften. 1933, 44 (21): 787-788. doi:10.1007/BF01504252. （原始內容存檔於2022-04-08）. 
  4. ^ F. London, H. London. The Electromagnetic Equations of the Supraconductor. Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 1935, 149 (866): 71. （原始內容存檔於2022-04-08）. 
  5. ^ J. Bardeen; L. N. Cooper & J. R. Schrieffer. Microscopic Theory of Superconductivity. Physical Review. 1957, 106 (1): 162-164. 
  6. ^ J. Bardeen; L. N. Cooper & J. R. Schrieffer. Theory of Superconductivity. Physical Review. 1957, 108 (5): 1175–1205. 
  7. ^ George F. Hardy. John K. Hulm. Superconducting Silicides and Germanides. Phys. Rev. 1953, 89: 884. 
  8. ^ J. G. Bednorz. K. A. Müller. Possible high Tc superconductivity in the Ba−La−Cu−O system. Z. Phys. B. 1986, 64 (1): 189–193. （原始內容存檔於2022-04-08）. 
  9. ^ M. K. Wu. J. R. Ashburn, C. J. Torng, P. H. Hor, R. L. Meng, L. Gao, Z. J. Huang, Y. Q. Wang, and C. W. Chu. Superconductivity at 93 K in a new mixed-phase Y-Ba-Cu-O compound system at ambient pressure. Phys. Rev. Lett. 1987, 58 (9): 908–910. doi:10.1103/PhysRevLett.58.908. 
  10. ^ A. SCHILLING, M. CANTONI, J. D. GUO & H. R. OTT. Superconductivity above 130 K in the Hg–Ba–Ca–Cu–O system. Nature. 1993, 36 (6424): 56–58. doi:10.1038/363056a0. 
  11. ^ P. Dai, B.C. Chakoumakos, G.F. Sun, K.W. Wong, Y. Xin, D.F. Lu. Synthesis and neutron powder diffraction study of the superconductor HgBa2Ca2Cu3O8 + δ by Tl substitution. Physica C. 1995, 243 (3–4): 201–206. doi:10.1016/0921-4534(94)02461-8. 
  12. ^ Yoichi Kamihara ,*† Takumi Watanabe ,Masahiro Hirano , and Hideo Hosono. Iron-Based Layered Superconductor La[O1-xFx]FeAs (x = 0.05−0.12) with Tc = 26 K. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130 (11): 3296–3297. doi:10.1021/ja800073m. 
  13. ^ Zhi-An Ren, Guang-Can Che, Xiao-Li Dong, Jie Yang, Wei Lu, Wei Yi, Xiao-Li Shen, Zheng-Cai Li, Li-Ling Sun, Fang Zhou. Superconductivity and phase diagram in iron-based arsenic-oxides ReFeAsO1−δ (Re = rare-earth metal) without fluorine doping. Europhysics Letters: 17002p1-p4. doi:10.1209/0295-5075/83/17002. 
  14. ^ Q. Y. Wang, Z. Li, W.-H. Zhang, Z. C. Zhang, J.-S. Zhang, W. Li, H. Ding, Y.-B. Ou, P. Deng, K. Chang, J. Wen, C. L. Song, K. He, J.-F. Jia, S.-H. Ji, Y.-Y. Wang, L.-L. Wang, X. Chen, X.-C. Ma, Q.-K. Xue. Interface-Induced High-Temperature Superconductivity in Single Unit-Cell FeSe Films on SrTiO3. Chinese Physics Letters. 2010, 29 (037402) [2016-05-23]. （原始內容存檔於2017-03-05）. 
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  18. ^ Surprise graphene discovery could unlock secrets of superconductivity. [2018-03-05]. （原始內容存檔於2022-04-08）. 
  19. ^ 科技袁人Lite016：在魔法角度下石墨烯超晶格中的半充滿關聯絕緣體行為了解一下. [Jul 29, 2019]. （原始內容存檔於2022-04-08）. 
  20. ^ 程式設計師. 再传喜讯，高温超导感应加热实现航空高端铝型材锻造领域应用！ (html). 聯創超導官網. 2022-01-20 [2023-04-19]. （原始內容存檔於2023-04-19） （中文（中國大陸））. 國中鋁集團高端航空鋁鍛壓用兆瓦級高溫超導感應加熱設備，在中鋁集團東北輕合金有限責任公司（以下簡稱「東輕公司」）生產現場經過緊張的安裝調試，高溫超導感應加熱設備一切運行正常，全面達到預期目標，並成功的鍛壓出國際上第一根基於超導感應加熱的航空用的5系鋁合金工件，將開始進入實質性的加熱、鍛壓生產過程。 
  21. ^ 程式設計師. 联创超导公司二期超导设备车间正式启动 (html). 聯創超導官網. 2022-06-09 [2023-04-19]. （原始內容存檔於2023-04-19） （中文（中國大陸））. 2022年6月8日，江西聯創光電超導應用有限公司（以下簡稱「聯創超導」）迎來了高溫超導感應加熱設備二期生產車間正式啟動。該車間設在聯創光電科技園區內，預計三個月內完成產線安裝，產能可達50到80台。同時公司在和多個地方政府洽談超導第三期產業園及產業集群的落地事宜。 

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