M / H 1

(5-3)
B 0 1 H 0
B0 0 H 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。
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圖5-2 邁斯納效應：當T<TC時，磁通被完全排斥出超導體
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式中
I co 是絕對零度時的臨界電流。
5.1 超導電性的基本性質 5.1.2 完全抗磁性
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 ，
(5-4)

ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
在結上加上直流電壓 V，兩邊波函數與時間有關的項
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。 E exp i t
不同，
相互干涉就會產生交變的電流
2V J J 0 sin t 0 (5-5)
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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5.1 超導電性的基本性質
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
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5.1 超導電性的基本性質 5.1.3 超導隧道效應
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。
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。
T2 (5-1)H c (T ) H co 1 T 2 c
式中 H co 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 I c (T ) 。
T2 I c (T ) I co 1 2 Tc
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5.1 超導電性的基本性質 5.1.1 完全導電性
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 3.6 1025 cm ，比室溫下銅的 電阻率的分之一還小。
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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
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
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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5.1 超導電性的基本性質 5.1.3 超導隧道效應
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:

J J 0 sin
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。
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。
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5.1 超導電性的基本性質
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。
當交變電流的頻率是
2eV /
(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 V h / 2e 。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。
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。
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這稱為交流約瑟夫森效應。
5.1 超導電性的基本性質 5.1.3 超導隧道效應
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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5.1 超導電性的基本性質 5.1.3 超導隧道效應