| 标题 | 高温超导体电阻对温度的依赖性及迈斯纳效应研究 |
| 范文 | 段丁槊 摘要：本文基于高温超导体电阻对温度的依赖性，采用了四点电探针和铱热敏电阻的超导材料装在铝壳中，利用计算机绘制了温度与电压（电位差）的关系图像。并且通过使磁体和超导体相互靠近，磁体的磁场在超导体表面产生超导电流，磁场被扭曲产生向上浮力，从而观测悬空状来间接证明迈斯纳效应。 关键词：迈斯纳效应；高温超导体；温度依赖性 近些年来，超导电性逐渐被人所熟悉，而在1911年，荷一位兰物理学家第一个观察到这种现象。本文以此为入手点，通过理解超导效应现象的微观效应以及库伯电子对，使用铱热电偶测量其电位差与温度变化的关系，并将其延伸、验证了迈斯纳效应。 1 理论介绍 超导电性是一种相变。当一些金属被冷却到低于某一临界温度Tc时，它们的行为就像一个完美的导体，即它们的电阻率降到零。在1911年，荷兰物理学家Kamerlingh Onnes是第一个观察到这种现象的人，他在用水银工作时注意到，电阻率低于T=4.15 K时几乎是不可测量的值，而其他金属在冷却时表现出相近的现象。它们的特征临界温度。 1957，巴丁、库珀和施里弗提供了关于超导效应现象的微观效应的解释，称为BCS理论。BCS理论是基于晶格电子相互作用，这实际上是在较高温度下电阻率增加的原因。在温度足够低的条件下，超导体中的电子会形成库珀对，会形成吸引力的相互作用。但是，当电子通过库仑相互作用排斥时，这是怎么可能的呢？这是因为正离子形成的晶格由于一个电子的通过而发生变形，导致正电荷的浓度在该区域中增加，从而吸引第二个电子，如下图1所示。 在库珀电子对中，一个电子自旋上升，另一个电子自旋下降，它们也有相反的動量。动量使得库珀电子对的行为类似于自旋零点的粒子，由于其不再服从Pauli的排斥原理，因此它们具有相同的能量状态。晶格振动和缺陷在金属的正常状态下散射电子，导致其电阻率增加，但在超导体中，一个库珀对的速度不能改变，而不改变所有的对。因此在没有散射的情况下，其中的电流可以永远持续。 超导体也同时表现出显著的磁性。当在弱外部磁场的存在下冷却到临界温度以下时，超导体将磁通从其内部排出。这就是所谓的西尔维奥·迈斯纳效应，它是由于持续电流引起的感应而产生的。然而，足够强的磁场可以使电子在磁场方向上与自身对齐，以降低它们的能量，从而破坏超导状态。破坏超导状态所需的最小磁场称为临界场BC。 1986年，J·格奥尔·本德罗兹和Karl Alex M 乌勒发现了由镧、铜和钡构成的氧化物在约30 K时超导性的证据，这个证据标志着高温超导体时代的到来。一些氧化物已被报道为在150 K的温度下显示超导性，尽管这背后的机制还没有被完全理解。 2 实验过程 本实验采用四点电探针和铱热敏电阻的超导材料（YBa2Cu3O7 x）装在铝壳中。此时的超临界温度远高于液氮，约为90K。在该临界温度以下，它经历超导转变，即它表现出可忽略的电阻和排除内部磁场（MESSNER效应）的特性。四点探针是一种物理学中的多用途器件，其广泛应用于电现象研究。电学中的电阻测量可以通过将两条导线连接到样品两端，让电流穿过样品，同时测量这些相同导线上的电压降，测量的电阻必然包含来自导线样品常态点的贡献。这种接触电阻将完全消除对低电阻样品进行精确测量的可能性，并且将为超导样品提供无意义的结果。四点探针可以通过使用单独的电压测量线来避免接触电阻的影响。由于伏特计的高阻抗通过这对导线的电流很小，因此，由于与样品之间的电位差相比，这些导线的接触电阻引起的电压降是可以忽略的，并且仅测量样品的电阻。对于该实验中的温度范围（77K到300K），使用铱热电偶。 3 实验结果及分析 本实验采用四点电探针和铱热敏电阻的超导材料（YBa2Cu3O7 x）装在铝壳中。由于伏特计的高阻抗通过这对导线的电流很小，因此，由于与样品之间的电位差相比，这些导线的接触电阻引起的电压降是可以忽略的，并且仅测量样品的电阻。所以在温度的特定值上，UB1会急剧下降。 迈斯纳效应是指当磁体和超导超导体相互靠近时，磁体的磁场在超导体表面产生超导电流。由超导内部的超导电流所形成的磁场与磁体的磁场完全相同，并且在相反的方向上。电流与磁体产生的两个磁场相互抵消，因此在超导体内部的磁感应强度为零，也就是B=0，形成的效果就是超导体排斥身体中的磁场。而磁铁悬浮在超导圆盘之上是由于超导体是完全反磁性的，因此小磁铁的磁力线不能穿透超导体，磁场被扭曲，导致向上浮力。 参考文献： [1]俞永勤，薛士平.用交流电桥法检测超导体的迈斯纳效应，中国科学院低温技术实验中心，大学物理，1993（01）. [2]刘彦良.超导球在磁场中的受控运动——迈斯纳效应演示实验方案，北京大学物理系，物理，2002（01）. [3]戴闻.介观超导体中的顺磁迈斯纳效应，中国科学院低温技术实验中心，物理，1999（10）. |
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