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超导陶瓷之四

1. 非平衡效应

之前的几种情况(超导陶瓷之三提及)都是在平衡状态或近似平衡状态下进行的。而粒子的速度和动量的分配是由温度来决定的。对于非平衡状态来说,它们就与温度无关,而与粒子按动量的分配有关。

对于获得非平衡状态有以下几种方法。光激发:它是用光(包括磁场和激光等)照射超导样品;中子束激发、非平衡电子激发和电场击穿等。当超导体受到频率大大超过其能隙值的电磁场作用后,除了引起组成准粒子外,还会产生附加的准粒子。这种超导状态对过程准粒子的分配函数的数值和形式是很敏感的,以至于具有一系列本质上的特征。例如,非平衡状下超导体发生转变,当由超导态转变为常导态,不是跳跃式,而是平缓的。在粒子反分配条下,超导态的出现是在两个电子相互排斥下组成结合态的情况得到的。然而在平衡条件下,电子是通过与声子作用产生吸引力而构成电子对的。此外,在粒子反分配条件下,超导能隙将大于声子能的最大值。系统中存在着无衰减的电流,它具有完全的顺磁性,电流的符号与平衡件下的电流符号相反。因此,在这种状态下超导体将具有不呈现出迈斯纳效应,而磁场可以进入样品等的奇特性能。正是由于这种奇特的性能,导致理论分析的结果,使Tc有可能达到1000K。即使不计及粒子反分配情况,对一般的非平衡态,也可能获得高Tc温度。

超导理论还有许多,不一一介绍。到现在为止,还不能对超导电性等做出圆满的解释。

2.超导体的性质和测试

超导体的性质很多,如表所示。

超导态的电学性质

性质

特点

完全导电性

直流电阻为零,但交流电阻并不为零。载流子是超导电子对,确切的说法直流电阻无限接近于零

电阻率

趋近于零

温差电动势

趋近于零

电流能破坏超导态

电流密度超过临界值Jc时,超导体由超导态转换为常导态,其实质还是由电流产生的磁场对超导态的破坏,这个现象是超导电工学的重要物理基础

电流的趋表效应

超导电流只能沿超导表面流入深表面薄层流动

超导态的光学性质

性质

特点

一般光学性质

不发生转变

反射率

不发生转变,能量低于能隙的光子不能被吸收

超导态的磁学性质

性质

特点

完全抗磁性

外加磁场,一般情况下不能进入超导体内,只能透入到λL深的表面层内

磁场能破坏超导态

磁场强度超过临界值Hc时,超导体由超导态转变为常导态。这个现象同样是超导电子学(或超导微电子学)的重要物理基础

存在混合态

存在于第二类超导体的两个临界磁场Hc1和Hc2之间的状态,它具有完全导电性的性质,但不具备完全抗磁性的性质

存在中间态

中间态是一种超导态和常导态在超导体中交替存在的状态,这种状态有时也被称为居间态

超导态的热学性质

性质

特点

新的相变效应

当超导体从超导态到常导态(或反之)的转变过程中伴随着吸热或放热的产生

潜热

当H>0时,在相变过程中发生潜热,当H=0时,在相变过程中不发生潜热

比热

比热出现反常,在T=Tc时出现不连续性,存在突变效应

温度破坏超导性

温度超过临界温度Tc时,超导体由超导态转变为常导态,反之则相反,这也是超导电子学的重要物理基础

热导

在磁场中具有不连续性,一般超导态的热导将变低

超导体的其他性质

特点

性质

晶体结构

保持不变

形状大小

保持不变

弹性

要改变

对电子束吸收

保持不变

能隙

由费米气决定,在超导体的电子能谱中,不能存在有电子能量的间隔

同位素效应

超导体临界温度Tc与超导体的同位素质量M有关,Tc随温度增加而减小

隧道效应

分超导电子对隧道效应和常导态准电子隧道效应,它是超导电子学所依据的重要物理效应

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