超導電子學

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超導電子學是全國科學技術名詞審定委員會公布的一個科技名詞。

漢字作為一種形、音、義三位一體的符號系統，源於日月鳥獸之形，作為中華文明之標誌，連接中華民族的歷史、現在和未來，方正之間充滿美感。

目錄

名詞解釋

超導電子學是研究超導體內超導電子及其與電磁場相互作用的一系列效應的理論、技術，並據以開發新型電子器件和應用的學科，它是超導體物理和電子學相結合的邊緣學科。在超導電子學中,超導體的理想超導性、完全抗磁性、超導微觀理論、弱場下的微波特性、約瑟夫森效應和超導量子干涉效應等具有重要作用。

簡史

1908年，荷蘭H.K.翁納斯首次使氦氣液化，成功地獲得4.2K低溫。1911年 ，他在研究各種金屬在低溫下的電阻性質時發現了汞的超導電性。1933年，W.邁斯納和R.奧森菲爾德發現磁場不能進入超導體內部的新現象，即邁斯納效應。這表明超導體具有完全抗磁性。為了解釋超導體的理想導電性（零電阻現象）和完全抗磁性這兩個基本特性，1935年德國物理學家F.W.倫敦指出，超導性是一種宏觀體系的量子效應，並基於超導性與液氦4He的超流動性的相似性而將其統稱為超流體，建立了超導唯象方程即倫敦方程。它指出磁場被排斥到厚度為λ 的倫敦穿透深度的表面薄層中，從而解釋了邁斯納效應。1950年，В．Л．金茲堡和Л．Д．朗道根據相變理論的研究，指出超導態中的超流電子存在某種有序化，且臨界溫度Tc以下有序度較高，狀態用一個序參數 ψ（）來描述（相當倫敦理論中的超導波函數），由此建立了金茲堡-朗道方程，也稱GL方程。它惟象地綜合了當時超導體已有的宏觀規律。另外，由於對超導體熱力學性質的研究，人們建立了二流體模型和能隙理論。1950年，J.R.施里弗提出電子－聲子的相互作用在低溫下導致超導性（電阻消失），並導出了同位素效應。上述理論和效應都沒有從根本上說明超導電性的物理實質。直到1956年，L.N .庫柏提出在超導體中有電子對，並於1957年建立了巴丁-庫柏-施里弗超導微觀理論，簡稱BCS理論。這一理論較為完滿地解答了超導電性的物理本質。1962年，英國劍橋大學B.D.約瑟夫遜在關於隧道超流現象的著名論著中預言了超導隧道效應，也稱約瑟夫遜效應。1963年實驗證實了隧道超流現象確實存在。隨後發現了Jc-H關係、I-υ 階梯特性和自感應階梯。1964年，默塞里奧與西爾弗發現約瑟夫遜雙結量子干涉現象，兩年後發明了雙結磁強計。直流約瑟夫遜效應遂得以建立起嚴格的理論。人們從而發現紅外檢測的機理並觀察到約瑟夫遜結的微波輻射效應、倍頻、分諧波和混頻效應，並用約瑟夫遜效應測定物理常數e/h值，製作出超導伏特計，發明記憶儲存元件等。1970年又發明了單結環路的射頻超導量子干涉器件等。約瑟夫遜效應從實驗階段走向了應用階段，由此繁衍出的各類超導器件在現代各學科中獲得廣泛應用，並形成一門嶄新的超導電子學。為此，超導隧道效應發現者約瑟夫遜、隧道技術開創者江崎玲於奈，以及半導體隧道和超導隧道間的橋樑架設者I.賈埃弗三人獲得1973年諾貝爾獎金。

學科內容

超導電子學的理論是以超導體的兩個基本特性即零電阻的理想導電性和 邁斯納效應的完全抗磁性為基礎，以超導微觀理論和超導約瑟夫遜效應為核心。理想導電性是指導體電阻突然消失的零電阻特性，又稱超導電性。具有超導電性的物質稱為超導體，迄今已發現28種金屬、上千種化合物和合金是超導體。材料處於超導狀態簡稱超導態。完全抗磁性是指超導體在超導態時將其內部磁場完全排出體外的現象，又稱邁斯納效應。在超導基本理論的研究中，還發現有同位素效應和庫柏對的重要規律和概念。同位素效應是指由不同的同位素做成的超導元素材料，其臨界溫度Tc和同位素質量M服從Tc·Mα=常數的實驗和理論規律。庫柏對是指兩個電子動量相反，自旋相反，其間的吸引作用最強。如果這個吸引的聲子作用勝過排斥的庫侖作用，則兩電子之間的淨作用力是吸引力。只要存在淨的吸引作用，不管如何弱，兩電子也會互相圍繞着運動而束縛在一起。這樣一對電子稱為庫柏對。

超導微觀理論

這個理論認為，超導電子就是組成庫柏對的那些電子，它們處於凝聚狀態。T=0時，所有電子都組成庫柏對，它們都是超導電子。在T厵0時，晶格的熱振動可能把一些庫柏對拆散 ，使其成為正常電子，溫度越高，庫柏對越少，正常電子越多。臨界溫度為Tc時，所有庫柏對全部拆散，所有電子都是正常電子，即非配對電子，材料完全處於正常態。這一理論從量子學說出發，揭示了超導電性的主要因素，解釋了超導態的基本特性。

高頻電磁特性

超導體在微波頻率下所具有的超導電性。在高頻下，當光量子的能量大於超導體的能隙2Δ時，由於超導體吸收電磁波能量，庫柏對被拆散成單個電子，超導態轉變成正常態，這時的高頻頻率稱為轉變頻率。不同超導體的轉變頻率各不相同，一般在1012赫左右。在理論上，造成這時高頻電磁損耗的剩餘表面電阻Rs，取決於溫度、頻率、穿透深度、電子費米速度、相干長度、電子平均自由程和超導能隙，其近似表達式為

式中A為與溫度和頻率無關的材料特徵參數；ω為角頻率；T為溫度；k為玻耳茲曼常數；α為一個由電子平均自由程l和倫敦穿透深度λL與相干長度 ξ之比決定的指數，一般在1.5～2之間。隨着材料環境溫度的降低，表面電阻也隨之下降。只要材料處於超導態，其高頻電磁損耗與正常態相比仍然低好幾個數量極。利用超導體這種高頻低電磁損耗特性可以製成各種超導無源器件，例如，超導波導和諧振腔、超導微帶器件、超導高頻同軸電纜和超導延遲線等。