超導(dǎo)微觀機(jī)制

1、超導(dǎo)微觀機(jī)制經(jīng)典理論對(duì)超導(dǎo)電性產(chǎn)生的原因無法解釋。在量子論建立不久，F(xiàn).倫敦就指出，超導(dǎo)環(huán)內(nèi)的 磁通是量子化的。因此，超導(dǎo)電性是宏觀世界的量子現(xiàn)彖。1962年，實(shí)驗(yàn)證實(shí)磁通是量子 化的。同位素效應(yīng)所謂同位素效應(yīng)是指超導(dǎo)體的臨界溫度依賴于同位素質(zhì)量的現(xiàn)象。1950年英國(guó)H.JI：羅利希 指出，金屬中電子通過交換聲子（點(diǎn)陣振動(dòng)）可以產(chǎn)生吸引作用。他預(yù)言超導(dǎo)體的臨界溫度 與同位素的質(zhì)量之間存在一定的關(guān)系。所謂“臨界溫度”，就是導(dǎo)體從正常導(dǎo)電狀態(tài)變?yōu)槌瑢?dǎo) 電狀態(tài)時(shí)的轉(zhuǎn)變溫度。果然，引；羅里希的預(yù)言得到了實(shí)驗(yàn)的證實(shí)。1950年麥克斯韋（E.Maxwell）和雷諾（C.A.Rayhold）各自獨(dú)立圣測(cè)量了

2、水銀同位素的臨界 轉(zhuǎn)變溫度。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：TCsM-1/2,其中M為同位素質(zhì)量。同位素效應(yīng)把晶格振動(dòng)（其量子稱為聲子）與電子聯(lián)系起來了，它告訴人們電子-聲子的相 互作用與超導(dǎo)電性密切相關(guān)。聚羅利希經(jīng)過分析后認(rèn)為，同位素之間的電子分布狀態(tài)是相同的，而原子質(zhì)量是不同的，那 么，超導(dǎo)電性會(huì)不會(huì)與晶格原子的性質(zhì)有關(guān)呢？也許，超導(dǎo)的出現(xiàn)（即電阻的消失）是由于 電子和晶格原子的相互作用才產(chǎn)生的吧！那么，電子和晶格原子是怎樣互相作用的呢？邛羅 里希對(duì)這一問題一籌莫展，無能為力。P2 pTvfyp pl p2， q2A占滿 空帶EF占滿能隙空帶EFT=OK下的正常態(tài)和超導(dǎo)態(tài)電子能譜超導(dǎo)育吉隙(energy gap

3、 of superconductors)實(shí)驗(yàn)證明，超導(dǎo)態(tài)的電子能譜與正常態(tài)不同，在費(fèi)密能EF (最低激發(fā)態(tài)與基態(tài)之間)附近 出現(xiàn)了一個(gè)半寬度為能量間隙。G10-3lONeV。如上圖拆散一個(gè)電子對(duì)(庫(kù)珀對(duì))產(chǎn)生兩個(gè)單電子至少需要能隙寬度2的能量。熱運(yùn)動(dòng)可以拆散 電子對(duì)產(chǎn)生單電子。能隙的存在使得在溫度T遠(yuǎn)低于臨界溫度Tc時(shí)，超導(dǎo)體中單電子(正常 電子)的數(shù)目按exp(-2A'kT)變化。這就導(dǎo)致超導(dǎo)體的電子比熱容和熱導(dǎo)率按溫度指數(shù)規(guī)律 變化。當(dāng)電磁波(微波或遠(yuǎn)紅外線)的頻率足夠高(hv>2A)時(shí)，同樣可以激發(fā)出單電子。此 時(shí)超導(dǎo)體會(huì)強(qiáng)烈地吸收電磁波。在以超導(dǎo)體為一個(gè)電極的隧道結(jié)中，當(dāng)

4、結(jié)電壓足夠高(VNV e)時(shí),大量的電子對(duì)被拆散，形成單電子參與隧道過程，使隧道電流在V=A/ e處突然上升，若 隧道結(jié)的兩個(gè)電極都是超導(dǎo)體,能隙為】、A2,則在V = (Al+A2)/e處突然上升。這些現(xiàn)彖都 證明能隙的存在，并可用來測(cè)定能隙值2厶庫(kù)珀電子對(duì)1956年，L.N.庫(kù)珀(L.N.CoopeC從理論上證明了費(fèi)密面附近的兩個(gè)電子，只要存在凈的吸 引作用，不管多么微弱，都可以形成束縛 一庫(kù)珀對(duì)。庫(kù)珀發(fā)現(xiàn)，如果帶電粒子的正則動(dòng)屋(機(jī)械運(yùn)動(dòng)與場(chǎng)動(dòng)量之間之和等于零，那么很容易從超 導(dǎo)電流密度的基本關(guān)系：Js=-nse*us得到倫敦方程?？梢姵瑢?dǎo)態(tài)是由正則動(dòng)量為零的超導(dǎo)電子組成的，它是動(dòng)量空

5、間的凝聚現(xiàn)彖。相干長(zhǎng)度：1953年，皮帕德(A.E.Pippd)證明，當(dāng)一個(gè)電子從金屬的正常區(qū)移動(dòng)到超導(dǎo) 區(qū)時(shí)，其波函數(shù)不能從它的正常態(tài)值突然轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)的值，這種轉(zhuǎn)變只能發(fā)生在一個(gè)距離 g上，勺被稱為相干長(zhǎng)度。相干長(zhǎng)度和穿透深度是表征超導(dǎo)體的基本參數(shù)。形成庫(kù)珀電子對(duì)的最佳方式是動(dòng)量相反時(shí)自旋相反的兩個(gè)電子組成。BCS理論1956年，L.N.庫(kù)珀從理論上證明了費(fèi)密面附近的兩個(gè)電子，只要存在凈的吸引作用，不管 多么微弱，都可以形成束縛一庫(kù)珀對(duì)。第二年，J.巴丁、庫(kù)珀和J.R.施里死建立了完整的 超導(dǎo)微觀理論（ECS理論）。BCS理論是以電子-聲子相互作用為基礎(chǔ)解釋超導(dǎo)電性的經(jīng)典 理論，它能很好地

6、解釋金屬元素及金屬間化合物的超導(dǎo)電性。BCS理論是以近自由電子模型為基礎(chǔ)，是在電子一聲子作用很弱的前提下建立起來的理論。 對(duì)于某些超導(dǎo)體，例如汞和鉛，有一些現(xiàn)象不能用它來解釋。在BCS理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來 的超導(dǎo)強(qiáng)耦合理論，對(duì)這些現(xiàn)象能很好地解釋（見強(qiáng)耦合超導(dǎo)體）。兩個(gè)基本概念。第一,超導(dǎo)電性的起因是費(fèi)密面附近的電子之間存在通過交換聲子而發(fā)生的 吸引作用。第二，由于這種吸引作用，費(fèi)密面附近的電子兩兩結(jié)合成對(duì)，叫做庫(kù)珀對(duì)。兩個(gè)電子交換電子而散射兩個(gè)中心相隔P半徑都為PF厚度為Ap的球殼，陰影區(qū)滿足動(dòng)量守恒關(guān)于通過交換聲子而發(fā)生的吸收作用，可以按如下的圖像來理解。一個(gè)電子狀態(tài)發(fā)生變化, 能量和動(dòng)量

7、從£1、pl變?yōu)閜Vo這個(gè)狀態(tài)的改變引起了固體中整個(gè)電子氣電荷分布的擾 動(dòng)。這種擾動(dòng)必然牽動(dòng)點(diǎn)陣振動(dòng)，即發(fā)射聲子。點(diǎn)陣振動(dòng)反過來也可以影響電子氣。影響的 結(jié)果可以使電子氣復(fù)原，能量和動(dòng)量為£T、pT的電子恢復(fù)到原來的狀態(tài)£1、pl,其效果就是 電子在運(yùn)動(dòng)過程因牽動(dòng)點(diǎn)陣而增加了慣性，或有效質(zhì)量。影響的結(jié)呆也可以是使另一個(gè)電子 發(fā)生狀態(tài)的變化，從£2、p2變?yōu)?#163;2，、p2這就是聲子被另一個(gè)電子吸收。后一種情形的結(jié) 果是一對(duì)電子之間發(fā)生了能量和動(dòng)量的交換，也就是發(fā)生了以聲子為媒介的電子間的間接的 相互作用。計(jì)算表明，當(dāng)每一個(gè)電子前后狀態(tài)的能量差小于聲

8、子的能量時(shí)（按測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系， 不要求中間過渡的聲子服從能量守恒），這種相互作用是吸引的?？紤]到費(fèi)密面以下幾乎都 是被占據(jù)了的狀態(tài)，以及量子力學(xué)的泡利不相容原理，可知只有在費(fèi)密面附近的電子之間才 存在吸引作用。這一部分恰恰也就是呈現(xiàn)超導(dǎo)電性的電子。吸引作用的強(qiáng)弱，取決于一對(duì)電子（£1、pl）、（£2、p2）可能轉(zhuǎn)變過去的狀態(tài)（J，、pl，） （e2 p29的多寡。據(jù)此可知，在費(fèi)密面附近動(dòng)量相反、自旋也相反的一對(duì)電子（pl=pT， p2=p撫1匕£2禺F,）之間,存在比其他情形都要強(qiáng)得多的吸引作用。假如這種吸引作用超過了 兩個(gè)電子之間的靜電斥力，就會(huì)使一對(duì)（pT，-pp

9、的電子結(jié)合成庫(kù)珀對(duì)，因?yàn)檫@會(huì)使電子 氣的能量下降到低于正常費(fèi)密分布時(shí)的能量。費(fèi)密面附近的電子兩兩結(jié)合成對(duì)，改變了這些 電子的能譜。使得在連續(xù)的能帶態(tài)以下，出現(xiàn)一個(gè)單獨(dú)的能級(jí)，即結(jié)合成對(duì)的狀態(tài)。單獨(dú)能 級(jí)與連續(xù)能級(jí)之間的間隔為，叫做超導(dǎo)體的能隙。把一個(gè)電子對(duì)拆成不相關(guān)的兩個(gè)單獨(dú)電 子，至少要給予一定的能量，這個(gè)能量就叫結(jié)合能，其值為2，即至少要給予每個(gè)電子以能量 因?yàn)椴痖_之后，兩個(gè)電子不成為庫(kù)珀對(duì)，每個(gè)電子都處在連續(xù)能級(jí)的狀態(tài)上。計(jì)算表明，能 譜的連續(xù)部分的結(jié)構(gòu)也發(fā)生了變化，能量值不是正常金屬情形的£而是。另外，各種人小能 量的狀態(tài)數(shù)目也和正常情形下不同。因吸引作用而結(jié)合起來的庫(kù)珀對(duì)，

10、類似于一個(gè)電子和一個(gè)質(zhì)子組成的氫原子這樣的體系，但 又有很人的差異。用測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系可以估計(jì)出一個(gè)庫(kù)珀對(duì)中電子間的距離人約是10卩米，即人 約是點(diǎn)陣常數(shù)的104倍。所以庫(kù)珀對(duì)是一個(gè)很松弛的體系。事實(shí)上，它的結(jié)合能2也極小, 一般只有10-3eV的數(shù)量級(jí)。因此，庫(kù)珀對(duì)其實(shí)不過是運(yùn)動(dòng)發(fā)生密切關(guān)聯(lián)的一對(duì)電子，不像氫 原子可以整體地當(dāng)作一個(gè)粒子。必須強(qiáng)調(diào)，吸引作用、庫(kù)珀對(duì)和能隙，都是電子氣的集體效應(yīng)。如上所述，一對(duì)電子（pT， -PJ）間吸引作用的強(qiáng)弱，取決于允許它們轉(zhuǎn)變過去的狀態(tài)（pt» -p1）的多寡。假如在費(fèi)密 面附近存在一些未成對(duì)的電子（pi?, -p2p等等，由于泡利不相容原理禁止電子

11、對(duì)（pT，-pp 轉(zhuǎn)變到狀態(tài)（pl" -pip、（p2t，-p2p等等去，因而就會(huì)減弱電子對(duì)（pT，-Pp間的吸引。 這樣，一個(gè)電子對(duì)內(nèi)部的吸引強(qiáng)弱,電子對(duì)結(jié)合能或能隙的人小取決于費(fèi)密面附近全部電子 的狀態(tài)分布。當(dāng)費(fèi)密面附近電子全都兩兩結(jié)合成對(duì)時(shí)，最大。拆散一些庫(kù)珀對(duì)，則剩下的 每個(gè)庫(kù)珀對(duì)的結(jié)合也變得更加松弛。因此，全體庫(kù)珀對(duì)組成一個(gè)凝聚體，它構(gòu)成二流體模型 的超流成分（超導(dǎo)電性）。凝聚體的各個(gè)庫(kù)珀對(duì)協(xié)同地或相干地處在有序化狀態(tài)。能隙便 是有序化程度的量度。所以的更基本的意義是序參量。這種有序化造成規(guī)范對(duì)稱性的自 發(fā)破缺，結(jié)果，所有的庫(kù)珀對(duì)，可以是每個(gè)對(duì)的總動(dòng)量一致為零（無電流態(tài)），

12、也可以是每 個(gè)對(duì)的總動(dòng)量一致地等于某個(gè)非零數(shù)值（無電阻地傳輸電流，即超流動(dòng)態(tài)）。在絕對(duì)零度，費(fèi)密面附近的電子全都兩兩地結(jié)合成庫(kù)珀對(duì)，這時(shí)序參量為最人。當(dāng)溫度 高于絕對(duì)零度時(shí)，由于熱激發(fā)，一些庫(kù)珀對(duì)被拆散成單個(gè)電子，能隙或序參量也減小。當(dāng)?shù)侥?個(gè)溫度Tc時(shí)，庫(kù)珀對(duì)全被拆散，變?yōu)榱悖瑢?dǎo)態(tài)消失而轉(zhuǎn)入正常態(tài)。Tc就是超導(dǎo)體的臨界 溫度。因此，超導(dǎo)正常相變是二級(jí)的。超導(dǎo)隧道效應(yīng) 正常隧道效應(yīng) 兩金屬或金屬和超導(dǎo)體或兩超導(dǎo)體之間有一薄絕緣層的結(jié)構(gòu)稱為隧道結(jié)。賈埃（I.Giaever） 發(fā)現(xiàn)，其中一個(gè)為超導(dǎo)態(tài)時(shí)，電流一電壓的特性曲線就有下圖的改變N表示金屬，I表示絕緣體，S表示超導(dǎo)體N金屬結(jié)的構(gòu)成 正常金

13、屬結(jié)IV曲線 超導(dǎo)金屬結(jié)IV曲線T=0時(shí)，在V=0或VV4/e時(shí)，金屬N中沒有電子穿過絕緣層I到達(dá)S。V>4/e時(shí)，N中費(fèi)密面附近電子能級(jí)高于S上能隙上緣，則有部分電子通過隧道效應(yīng)穿過絕 緣層I到達(dá)S,形成電流。在不同溫度壞境下的NIS結(jié)的電流和電壓關(guān)系。在溫度很小時(shí)，S內(nèi)的熱電子跨過能隙，形成小電流。 THO時(shí)，兩種溫度環(huán)境下NIS結(jié)的電流和電壓關(guān)系。S1IS2結(jié)隧道效應(yīng)較為復(fù)雜。T很小時(shí)，當(dāng)AT<(A2-Al)/e時(shí)，由于在超導(dǎo)體2側(cè)能隙上邊 緣存在人量空態(tài)，超導(dǎo)體1 一側(cè)能隙以上的正常電子可以隧穿到超導(dǎo)體2側(cè)形成小的隧道 電流，顯然隨著eV的增加，將更多的這種電子通過隧道效應(yīng)

14、而達(dá)到超導(dǎo)體2中去，故起始 電流上升。當(dāng)V=(A2-Al)/e時(shí)，達(dá)到極人值。V繼續(xù)增加在超導(dǎo)體1 一側(cè)能隙以上的正常電 子所面對(duì)的超導(dǎo)體2中的空態(tài)密度變小，故隧道電流卞降，持續(xù)到>(A2+Al)/e時(shí)，在超導(dǎo) 體1一側(cè)能隙以卞的電子開始面對(duì)超導(dǎo)體2一側(cè)能隙以上的大量空態(tài)，因此電流陡然上升。 在T=0時(shí)，由于沒有熱激發(fā)電子，所有只有當(dāng)A>(A2+Al)/e時(shí)才有隧道電流。S1表示金屬，I表示絕緣體，S2表示超導(dǎo)體S1S1IS2結(jié)的構(gòu)成在有限溫度下，A>(A2+Al)/e時(shí)，才能形成較大的電流。 超導(dǎo)金屬結(jié)IV曲線約瑟夫森效應(yīng)(Josephson effect)當(dāng)絕緣層的厚度只

15、有幾十埃時(shí)、BD.約瑟夫森預(yù)言，電子對(duì)可以越過絕緣層形成電流，而隧 道結(jié)兩端沒有電壓，即絕緣層也成了超導(dǎo)體。電子對(duì)通過兩塊超導(dǎo)金屬間的薄絕緣層(厚度約為10埃)時(shí)發(fā)生的量子力學(xué)隧道效應(yīng)。1962 年,英國(guó)牛津大學(xué)研究生E.D.約瑟夫森首先從理論上對(duì)超導(dǎo)電子對(duì)的隧道效應(yīng)作了預(yù)言，不 久就為P.W.安德森和J.M.羅厄耳的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)所證實(shí)。十多年來，它已在超導(dǎo)電性的研究領(lǐng) 域內(nèi)逐漸發(fā)展成為一個(gè)新的重要分支約瑟夫森效應(yīng)和超導(dǎo)結(jié)電子學(xué)。直流約瑟夫森效應(yīng) 當(dāng)直流電流通過超導(dǎo)隧道結(jié)時(shí)，只要電流值低于某一臨界電流IC,則與一塊超導(dǎo)體相似，結(jié) 上不存在任何電壓，即流過結(jié)的是超導(dǎo)電流。但一旦超過臨界電流值，結(jié)上即

16、出現(xiàn)一個(gè)有限 的電壓，結(jié)的性狀過渡到正常電子的隧道特性。圖1 Sn-SnOx-Sn結(jié)構(gòu)的電流和電壓關(guān)系給 出了典型的I-V特性曲線。這種超導(dǎo)隧道結(jié)能夠承載直流超導(dǎo)電流的現(xiàn)彖，稱為直流約瑟夫森效應(yīng)。對(duì)于典型的結(jié)，臨 界電流一般在幾十微安到幾十亳安之間。超導(dǎo)隧道結(jié)的臨界電流對(duì)于外加磁場(chǎng)十分敏感。不是外加磁場(chǎng)的單調(diào)函數(shù)，而是隨著外磁場(chǎng) 的增高，呈現(xiàn)如圖2 Sn-SnOx-Sn結(jié)的約瑟夫森電流和磁場(chǎng)的關(guān)系所示的周期性變化，類似 于光學(xué)中的夫瑯和費(fèi)衍射圖樣。相鄰兩最小值之間的磁場(chǎng)間隔H0與結(jié)面積的乘枳正好等于 一個(gè)磁通量子，即韋伯。交流約瑟夫森效應(yīng)如果在超導(dǎo)結(jié)的結(jié)區(qū)兩端加上一直流電壓V （當(dāng)然，這時(shí)電流

17、人于臨界電流），在結(jié)區(qū)就出 現(xiàn)高頻的超導(dǎo)正弦波電流，其頻率與所施加的直流電壓成正比，有如下關(guān)系式或，比例常數(shù)2e/h=483.6xl06HzUiV。這時(shí)，結(jié)區(qū)以同樣的頻率（若所加電壓是幾微伏，則在微 波區(qū)域；若為幾亳伏，則在遠(yuǎn)紅外波段）向外輻射電磁波。超導(dǎo)隧道結(jié)這種能在直流電壓作 用下，產(chǎn)生超導(dǎo)交流電流，從而能輻射電磁波的特性，稱為交流約瑟夫森效應(yīng)。如呆用頻率為的微波輻照約瑟夫森結(jié)，當(dāng)時(shí)，外加微波和結(jié)輻射的電磁波發(fā)生共振，則在I-V特性上可以測(cè)到恒壓電流，隨著n =0,1,2,., 在I-V特性上出現(xiàn)階梯效應(yīng)，如卞圖3Sn-SnOx-Sn結(jié)的直流常電壓-電流階梯所示。有人以 10GHz的輸入頻

18、率已觀察階梯數(shù)高于500o呈現(xiàn)約瑟夫森效應(yīng)的結(jié)構(gòu)，通常稱為約瑟夫森結(jié)、超導(dǎo)結(jié)或弱連接超導(dǎo)體。物理解釋：由ECS理論（見超導(dǎo)微觀理論）知道，庫(kù)珀對(duì)是長(zhǎng)程有序的，因此在一塊超導(dǎo)體 中所有的庫(kù)珀對(duì)具有相同的位相。如果圖2 Sn-SnOx-Sn結(jié)的約瑟夫森電流和磁場(chǎng)的關(guān)系所 示的兩塊超導(dǎo)體中間的絕緣層較厚，則兩塊超導(dǎo)體中電子無關(guān)聯(lián)，各自具有獨(dú)立的位相（pl和 （p2o當(dāng)絕緣層減小到某一厚度后，兩塊超導(dǎo)體中的超導(dǎo)電子就以位相差（p =（pl呷2聯(lián)系起來。 這時(shí)的絕緣層就成為一個(gè)“弱”超導(dǎo)體。庫(kù)珀對(duì)可通過這個(gè)“弱”超導(dǎo)體而出現(xiàn)超流隧道或電子 對(duì)隧道效應(yīng)。約瑟夫森從理論上得到超導(dǎo)隧道電流密度JS與位相差的關(guān)

19、系為9式中JC與兩塊超導(dǎo)體的性質(zhì)和絕緣層的厚度以及所處的溫度有關(guān)。約瑟夫森同時(shí)指出，位相(P受電壓V或磁場(chǎng)H的調(diào)制，(P與V或H的關(guān)系為9式中約瑟夫森穿透深度A=Xl+k2+ d ,入1和A.2分別為超導(dǎo)體1和2的磁場(chǎng)穿透深度，d為 絕緣層厚度，n為垂直于結(jié)平面的單位矢量。如呆只在結(jié)兩端加恒電壓V,則這就是交流約瑟夫森效應(yīng)。如果只加一平行于結(jié)面的磁場(chǎng)，則式中對(duì)結(jié)面積積分就可以得到結(jié)的總電流式中；pJ是穿透到約瑟夫森結(jié)中的磁通量,(pO是磁通量子。約瑟夫森效應(yīng)在器件上的應(yīng)用基于約瑟夫森效應(yīng)是與超導(dǎo)弱耦合的概念緊密相關(guān)這一認(rèn)識(shí)，人們就脫離了隧道現(xiàn)彖的狹窄 范圍，擴(kuò)人了結(jié)的類型?，F(xiàn)在常用的超導(dǎo)結(jié)的結(jié)

20、構(gòu)形式如卞圖約瑟夫森結(jié)的幾種形式所示。約瑟夫森結(jié)的幾種形式卜 表給出了把約瑟夫森元件應(yīng)用于一些精密測(cè)屋時(shí)可達(dá)到的分辨能力。它們可以作用電壓標(biāo)準(zhǔn)、磁強(qiáng)計(jì)、伏特計(jì)、安培計(jì)、低溫溫度計(jì)、計(jì)算機(jī)元件,以及亳米波、 亞亳米波的發(fā)射源、混頻器和探測(cè)器等，且有靈敏度高、噪聲低、功耗小和響應(yīng)速度快等一 系列優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)今已發(fā)展起以建立極靈敏的電子測(cè)量裝置為目標(biāo)的“超導(dǎo)結(jié)電子學(xué)”，與超導(dǎo)磁 體一起成為超導(dǎo)電性的兩項(xiàng)重大應(yīng)用。目前，用于測(cè)量磁場(chǎng)的傳感器，有直流超導(dǎo)量子干涉器件(DCSQUID)和射頻超導(dǎo)量子干涉 器件(RFSQUID)兩種。前者是把兩個(gè)特性完全相同的超導(dǎo)結(jié)并聯(lián)起來，形成雙結(jié)超導(dǎo)環(huán)，如 卜圖所示。若在與

21、環(huán)面相垂直的方向施加一外磁場(chǎng)，則流經(jīng)雙結(jié)超導(dǎo)環(huán)的最人超導(dǎo)電流既是 每個(gè)超導(dǎo)結(jié)結(jié)區(qū)所穿透的磁通量的周期函數(shù)，也是超導(dǎo)壞所包闈的磁通量的周期函數(shù)。兩者 的周期都是一個(gè)磁通量子。通常稱之為雙結(jié)量子干涉效應(yīng)。射頻超導(dǎo)量子干涉器件 (RFSQUID),是在一超導(dǎo)環(huán)上嵌一超導(dǎo)結(jié)構(gòu)作出的。它們已在測(cè)量極低溫卞的核磁化率、超 導(dǎo)體在Tc附近磁化率的漲落、在很寬溫度范圍內(nèi)生物化學(xué)樣品的磁化率，以及巖石磁力等 方面應(yīng)用。E.R.科恩等把磁強(qiáng)計(jì)用于監(jiān)視心臟的活動(dòng)功能，獲得了清晰程度與現(xiàn)在醫(yī)學(xué)上用 的心電圖接近的心磁圖。利用交流約瑟夫森效應(yīng)來監(jiān)視電壓?jiǎn)挝坏幕鶞?zhǔn)器，已在美國(guó)、口本、英國(guó)和加拿人立為法定 的保持電壓基準(zhǔn)器

22、的方法。當(dāng)電流超過一臨界值后，結(jié)兩端出現(xiàn)電壓V,同時(shí)電流變成高頻交變電流，頻率為v=(2e/h ) Vo外加頻率為v的電磁波可以與這個(gè)電流作用，使隧道結(jié)I (V)特性曲線上在處產(chǎn)生一系 列跳躍。不僅隧道結(jié)具有約瑟夫森效應(yīng)，弱連接超導(dǎo)體(兩超導(dǎo)體之間有某種可以交換電子對(duì)的微弱 聯(lián)系的體系)普遍具有這種效應(yīng)。約瑟夫森效應(yīng)不僅有重要的理論意義,而且有廣泛的應(yīng)用， 超導(dǎo)量子干涉器件(SQUID)就是利用它制作的。曾因在低溫物理研究的貢獻(xiàn)獲1913年物理獎(jiǎng)的昂內(nèi)斯于1913年發(fā)現(xiàn)低溫超導(dǎo)現(xiàn)彖。1957 年巴丁、庫(kù)珀和施里邦提出了第一個(gè)成功的超導(dǎo)微觀理論，1972年獲物理獎(jiǎng)。1960年代初, 賈埃佛在一系

23、列實(shí)驗(yàn)中觀察到單電子隧道效應(yīng)，并利用這種方法準(zhǔn)確測(cè)量了超導(dǎo)體的能隙, 同時(shí)約瑟夫森在理論上預(yù)言了超導(dǎo)電子對(duì)以隧道效應(yīng)通過超導(dǎo)一勢(shì)壘一超導(dǎo)體出現(xiàn)的奇特 現(xiàn)象，即“約瑟夫森效應(yīng)”1963年貝爾實(shí)驗(yàn)室從實(shí)驗(yàn)上證明了他的預(yù)言。他們獲1973年物理 獎(jiǎng)。由此一門新的學(xué)科一超導(dǎo)電子學(xué)創(chuàng)立了，尤其是伴隨著根據(jù)約瑟夫森效應(yīng)原理制成的超 導(dǎo)量子干涉器件(SQUID)的問世，相應(yīng)地，超導(dǎo)體的另一人類應(yīng)用，即弱電(弱磁)應(yīng) 用也拉開了序幕。1986年，柏德諾茲、繆勒在制領(lǐng)銅氧的化合物中發(fā)現(xiàn)了存在臨界轉(zhuǎn)變溫 度高達(dá)30K左右的超導(dǎo)電性。他們因此獲1987年物理獎(jiǎng)。1993年口本已制成1080米長(zhǎng)， 臨界溫度為110K

24、的超導(dǎo)線。邊斯納效應(yīng)是對(duì)第I類超導(dǎo)體(人部分純超導(dǎo)元素，具有正界面能)而言的，它對(duì)外場(chǎng)產(chǎn)生 的排斥力很小，沒有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。所有實(shí)用的超導(dǎo)材料，包括在液氮溫度下顯示超導(dǎo)電性 的氧化物超導(dǎo)體都屬于非理想的第II類超導(dǎo)體。用熔融織構(gòu)生長(zhǎng)工藝制備的YBCO超導(dǎo)體 就是一種具有強(qiáng)磁通釘扎和高臨界電流密度的非理想第II類超導(dǎo)體。這是以鎧、換和銅的 氧化物為原料，通過高溫下的定向凝固工藝和頂部籽晶技術(shù)制備而成，具有單疇形態(tài)。通常 使用的超導(dǎo)塊直徑為1830mm,厚度為618mm，臨界轉(zhuǎn)變溫度約90K,在液氮溫度和人 約5000高斯外場(chǎng)作用下的最人排斥力（零距離）為714N/cm2。與常規(guī)磁鐵之間同性相斥，

25、異性相吸的作用不同，超導(dǎo)體與永久磁鐵之間的作用與超導(dǎo)體的 勵(lì)磁過程有關(guān)。基于超導(dǎo)體和外磁場(chǎng)之間的這種既排斥又相吸的相互作用，不論是超導(dǎo)體還 是永久磁鐵都可以克服自身重力，懸浮或倒掛在對(duì)方的下面。超導(dǎo)理論的發(fā)展過程1955年金秋季節(jié)，巴丁與他的研究生羅伯特施里非，以及另一位年輕的博士利昂庫(kù)珀組成 了一個(gè)探索超導(dǎo)現(xiàn)彖微觀機(jī)理的研究小組，開始朝這一神秘的領(lǐng)域進(jìn)發(fā)。巴丁原是半導(dǎo)體領(lǐng) 域的專家，1956年因發(fā)現(xiàn)晶體管效應(yīng)而勞獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)；庫(kù)珀對(duì)量子場(chǎng)論、量子統(tǒng)計(jì) 以及處理數(shù)理方法非常熟悉：而施里邛則年輕敏捷、敢想敢闖。他們老、中、青三結(jié)全，為 揭開超導(dǎo)之謎奠定了可靠的知識(shí)基礎(chǔ)。僅過了一年，庫(kù)珀就提出

26、了“庫(kù)珀對(duì)”的嶄新概念?！皫?kù)珀對(duì)”是一種電子束縛對(duì)，它由兩個(gè)電 子組成，由于晶格的存在，這兩個(gè)電子之間除了庫(kù)侖斥力之外，還有一種由晶格引起的引力。 正是這種附加的引力作用，才使這兩個(gè)電子彼此挨近，組成電子對(duì)的。庫(kù)珀建立了物理模型， 接下去的數(shù)學(xué)計(jì)算重任落在了施里則的肩上。就在庫(kù)珀提出“庫(kù)珀對(duì)”概念的下一年1957年，施里州在閱讀英國(guó)物理學(xué)家倫敦的一本 書的，頓時(shí)茅塞頓開，豁然開朗。倫敦這位超導(dǎo)理論的先驅(qū)，他是怎樣論述的呢？他在書中 寫道：“超導(dǎo)體是電子在宏觀尺度的量子結(jié)構(gòu)，是某種平均動(dòng)量的凝聚?！闭沁@句話使施里 死認(rèn)識(shí)到，“庫(kù)珀對(duì)”中的兩個(gè)電子雖然相距非常微小，但相對(duì)于原子核來說卻是異常大的

27、。 這樣，大量的“庫(kù)珀對(duì)”必然要相互聯(lián)系，形在凝聚狀態(tài)，正是微觀尺度上的這種凝聚態(tài)，在 宏觀尺度上表現(xiàn)為奇妙的超導(dǎo)電性。這樣，當(dāng)務(wù)之急便是用量子力學(xué)的方法寫出描述這種凝 集態(tài)的波函數(shù)，即超導(dǎo)體的基態(tài)波函數(shù)。經(jīng)過連續(xù)奮戰(zhàn)，施里那如愿以償，寫出這個(gè)“眾里 尋它千百度”的波函數(shù)。在此基礎(chǔ)上，巴丁、施里邛和庫(kù)珀三位科學(xué)家又通力合作，乘勝追 擊，一套完整的超導(dǎo)微觀理論終于呈現(xiàn)在這三位合作者的眼前，超導(dǎo)性的奧秘終于揭開了， 他們?nèi)藰s幸地分享了 1972年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。這一理論也以他們姓氏的頭一個(gè)字母 命名，稱為“BCS理論”。美籍德國(guó)人州茹里赫與美國(guó)伊利諾斯人學(xué)的巴丁經(jīng)過復(fù)雜的研究和推論后，同時(shí)提出：超導(dǎo) 電性是電子與晶格振動(dòng)相互作用而產(chǎn)生的。他們都認(rèn)為金屬中的電子在點(diǎn)陣中被正離子所包 圍，正離子被電子吸引而影響到正離子振動(dòng)，并吸引其它電子形成了超導(dǎo)電流。接著，美國(guó) 伊利諾斯人學(xué)的巴丁、庫(kù)柏和斯里州提出超導(dǎo)電量子理論，他們認(rèn)為：在超導(dǎo)態(tài)金屬中電子 以晶格波為媒介相互吸引而形成電子對(duì)，無數(shù)電子對(duì)相互重迭又常常互換搭配對(duì)彖形成一個(gè) 整體，電子對(duì)作為一個(gè)整體的流動(dòng)產(chǎn)生了超導(dǎo)電流。由于拆開電子對(duì)需要一