奇妙的超导世界

奇妙的超导世界奇妙的超导世界在日常生活中大家都应该有过使用电视、电脑、电灯等电器的经验 ,这些电器的出现也确实为生活带来便利。然而当电器使用一段时间後 ,机器通常都会发热；假设是使用时间过长 ,甚至还会因过热而烧毁。造成这些问题的主要原因都来自电阻；电阻是由於当电子流过导线的内部时 ,被导线内部的材料阻扰其运动所造成的现象 ,而该现象所表现出来的即是我们所观察到的发热情形。电阻所造成的发热现象不仅是影响日常的使用 ,在能源的利用上也是一大浪费。每年因电线发热所散失掉的能源相当可观 ,故传输时电力公司均采用高压传输方式减少耗损 ,但能量损失问题仍未彻底解决：传输线的电阻仍会造成能量损失 ,而转换电压时也会产生热 ,故能源的利用效率距100%仍有一段距离。也许有人会想：如果有一种物质没有电阻 ,以这种物质为材料做导线不就可以解决之前提到的问题了吗？听起来似乎不大可能 ,但实际上确实有这种物质的存在。它 ,就是超导体。原理 什麽是超导体？顾名思义 ,超导体(Superconductor)是一种导电性较一般导体更佳的超级导体。当温度低於其超导转变温度(或称临界温度)Critical Temperature ; Tc时 ,它具有以下两种特性 零电阻以及反磁性。零电阻於一般导体内 ,电子通过时会与导体内原子所构成之对称结构(晶格)作用 ,能量局部传递至晶格上形成晶格振动而造成损失(放热) ,此为电阻之成因。於金属导体中 ,晶格与导电电子作用程度随温度上升而增加 ,故其电阻亦随温度上升；而於半导体中 ,温度上升有助於产生更多导电电子 ,此效应大於晶格与导电电子之作用 ,因而温度上升时 ,电阻反而下降。超导体的导电现象那么与一般导体不同。当温度高於其Tc时 ,超导体表现出一般导体或半导体之特性 ,此时仍有电阻产生；但温度降至Tc以下时 ,电子在结构中运动完全不会受到晶格之影响 ,亦即电阻完全消失(图一) ,此种现象即称为零电阻(Zero Resistance)。反磁性有电必有磁 ,超导体既然具有如此特殊之电性 ,那麽也可能具有於不同於一般的磁特性。超导体在温度高於其Tc时 ,其外加磁场可自由穿过其内部 ,亦即超导体内部可有磁场存在；但温度低於Tc时 ,那么超导体内之磁场便全被排出其内部 ,成为一零磁场状态 ,即为反磁性(Diamagnetism)。此现象於1933年为Meissner发现 ,故称为Meissner效应(图二)。图一 零电阻图二 反磁性开展史 超导体的演进20世纪初期 ,低温物理的开展由於液化氦气技术的创造 ,使得低温研究更进一步地延伸到1 K左右的区域。当时对低温下金属所表现的电性仍不清楚 ,以致各研究群慨法不一 ,因此许多科学家均积极进行实验来观察分析金属於低温下的变化。在这些研究群中 ,位於荷兰的莱登实验室也是其中之一 ,而他们在1911年的发现那么开启了超导体研究的序幕。西元1911年时 ,莱登实验室的Kamerlingh-Onnes等人已将许多金属冷却至极低温 ,发现其电阻会随着温度下降而下降。在这些金属中 ,某一些种类其电阻在极低温时电阻会出乎意料的骤降为零 ,例如水银(Hg)。水银在4.2 K以上时仍有电阻存在 ,但温度再低至4.2 K以下时 ,电阻突然消失了！(图三) ,此时电阻值已低於室温值百万分之一以下 ,於1.5 K时更是仅有十亿分之一 ,此时水银已进入了一种新的状态 ,而由於它的特殊电性 ,Kamerlingh-Onnes等人把此种特殊状态下的水银称之为超导体。3 / 3