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超 導 體 的 過 去 與 未 來. 陳 永 忠 東海大學物理系. 高雄大學應用物理系 April 7, 2004. 內容. 歷史上超 導體的發現 超導體的性質 第二類超導體 超導體的微觀理論 超導體的應用 高溫 超導體的新進發展. 1913 Onnes 1972 BCS 1973 Josephson 1987 Bednortz and Muller 1991 P. G. de Gennes 2003 Abrikosov, Ginzburg and Leggett. 歷史上與超導體有關的諾貝爾獎.
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超 導 體 的 過 去 與 未 來 陳 永 忠 東海大學物理系 高雄大學應用物理系 April 7, 2004
內容 • 歷史上超導體的發現 • 超導體的性質 • 第二類超導體 • 超導體的微觀理論 • 超導體的應用 • 高溫超導體的新進發展
1913 Onnes • 1972 BCS • 1973 Josephson • 1987 Bednortz and Muller • 1991 P. G. de Gennes • 2003 Abrikosov, Ginzburg and Leggett 歷史上與超導體有關的諾貝爾獎
1933年荷蘭的邁斯納(Meissner)和奧森菲爾德(Ochsenfeld)共同發現了超導體的一個極為重要的性質。(簡稱Meissner effect) 將超導體放入磁場中，會將其內部的磁場完全排除，其內部磁通量（magnetic flux)保持為零。因此，若將一超導體放在一個普通的磁體上方，則會因排斥作用而懸浮在空中。
超導體有三個臨界值， • Tc: 臨界溫度 • Hc: 臨界溫度 • Jc: 臨界電流密度 • 這三個值越大時，其應用範圍越廣，不同材料有不同的值，以前低溫超導體，雖然Jc已能達到高度應用價值，但因Tc遠低於液態氮的溫度，為著要先把溫度降低，往往需要花費很大的成本，所以，它們的應用，一直難以推廣.
超導體的微觀理論 闡釋這種現象的理論終於出現。這是由巴丁（John Bardeen）、古柏（Leon Cooper）和敘利弗（Robert Schrieffer）所提出的BCS理論。該理論提到，電子在超導體中，會形成一對對的電子對，稱為「古柏對」；而在低溫下，材料中帶正電金屬原子的結構會形成一個通道，古柏電子對便沿著這個通道均勻地流動，因而出現超導現象。氣體遇冷時會凝結出水滴，電流在極低溫下也會使電子「凝結」出電子對，因此電子成對的現象，可以冷凝的概念來思考。
1950年 美籍德國人Froelich與美國伊利諾斯大學的Bardeen經過複雜的研究和推論後，同時提出：超導電性是電子與晶格振動相互作用而產生的。他們都認為金屬中的電子在點陣中被正離子所包圍，正離子被電子吸引而影響到正離子振動，並吸引其他電子形成了超導電流。接著，美國伊利諾斯大學的Bardeen, Cooper and Schrieffer 提出超導電量子理論，他們認為：在超導態金屬中電子以晶格波為媒介相互吸引而形成電子對，無數電子對相互重迭又常常互換搭配物件形成一個整體，電子對作為一個整體的流動產生了超導電流。由於拆開電子對需要一定能量，因此超導體中基態和激發態之間存在能量差，即能隙。這一重要的理論預言了電子對能隙的存在，成功地解釋了超導現象，被科學家界稱作“巴庫斯理論”。這一理論的提出標誌著超導理論的正式建立，使超導研究進入了一個新的階段。
Cooper Pair 電荷 charge 自旋 spin ½ 角動量與磁矩 費米子 (Fermion) 包利不相容原則 (Pauli Exclusion principle) Fermi Surface 動量 k 與 -k 電子與晶格振動相互作用 成為電子對之間的媒介 兩個費米子配對而成等效的玻色子, 合作型的玻色子可在費米面上凝聚形成超導
比熱 相變
實驗上關於Cooper Pair的證據 磁通量量子化(magnetic flux ) 穿隧效應(tunneling effect)
超 導 體 的 應 用 由於超導體有三個臨界值，即TC、HC及JC這三個值越大時，其應用範圍越廣，不同材料有不同的值，以前低溫超導體，雖然JC已能達到高度應用價值，但因TC遠低於液態氮的溫度，為著要先把溫度降低，往往需要花費很大的成本，所以，它們的應用，一直難以推廣，目前，高溫超導體的TC已高於液氮的溫度，成本可大幅降低，所以，有人預測超導體時代，將會在二十一世紀來臨。以下我們就超導體重要的應用，做一些介紹： A、電力輸送 由於超導體內電荷移動不會碰到障礙物，沒有電阻，故不會損耗電力。所以，用它來做發電廠與城市之間電力輸送，可節省大量的能量。 B、製造超強的磁鐵 我們先把超導體造成線材繞成線圈。當低溫區溫度降至TC以下後，把可控溫區設定在TC以上，電源供應器輸出大電流，超導線圈即有強磁場產生，跟著把可控溫區降至TC以下並切斷電源。這時，低溫區內超導線即成一密閉迴路。由於超導線無電阻，故在此迴圈所建立的磁場亦可永遠存在。由於用此法所產生的磁場，可高達數十萬高斯以上，一般超強永久磁鐵的磁場，約只有五千高斯左右，故比一般超強永久磁鐵所產生的效應大了一百倍。普通超強永久磁鐵，由於法拉第效應，在相對於金屬板移動時，所產生的排斥力太小，無法抵銷物體重量而升離金屬面，但若改用超導體線圈所造成的磁鐵，若速度夠快時，即可把火車浮起，此即磁浮火車。 C、儲存能量 假如超導體線圈做得很大時，則在線圈內所儲存的能量可以很大，當需要使用超導線圈內的能量時，我們可把控溫區升溫到大於TC，這時電流被迫向外流，即可把超導線圈當成電源供應器。 D、高速電腦 電腦有很多電子元件，需要以導線連接，連線越短，電腦運算當然越快，但一般導線有電阻會發熱，所以連接不能太密，否則，溫度升太高時電腦會過熱而當機，但若用超導線，則無此問題，故可把電腦速度提高。 E、腦波偵測器 當把兩個超導體連在一起，有時會造成”弱連結”，即流經該接觸面的電流會對該處磁場非常敏感，人們應用此一原理製成量子干涉儀（SQUID），可偵查腦波內磁場的微量變化。當然也可以利用它來觀察心臟跳動時所產生的電磁波。 F、磁浮現象 在提到高溫超導體時，往往會看到小磁鐵可漂浮在超導體上方，其實這運用了麥瑟納效應的表現，由於磁鐵的磁場進不了超導體，好像超導體下方放了一個小磁鐵一樣，由於兩個小磁鐵互相排斥，故產生浮力，此即為磁浮。
地球科學 地殼的厚度 磁極強度的變化 預測地震 礦產 奈米科技 Scanning SQUID Microscopy 生物磁學 遷徙 演化 生命科學與醫學 國防--偵測潛水艇
On December 2, 2003, this three-car train set attained a maximum speed of 581 km/h in a manned vehicle run. Yamanashi Maglev Test Line MLX01
In 1971 Raymond Damadian showed that the nuclear magnetic relaxation times of tissues and tumors differed. • In 1973 the x-ray-based computerized tomography (CT) was introduced by Hounsfield. • In 1975 Richard Ernst proposed magnetic resonance imaging using phase and frequency encoding, and the Fourier Transform. This technique is the basis of current MRI techniques. • In 1977, Raymond Damadian demonstrated MRI called field-focusing nuclear magnetic resonance. In this same year, Peter Mansfield developed the echo-planar imaging (EPI) technique. This technique will be developed in later years to produce images at video rates (30 ms / image).
In 2003, there were approximately 10,000 MRI units worldwide, and approximately 75 million MRI scans per year performed. As the field of MRI continues to grow, so do the opportunities in MRI. Currently, there are approximately six major clinical MRI original equipment manufacturers (OEMs).
超導發電機 Electric generators made with superconducting wire are far more efficient than conventional generators wound with copper wire. In fact, their efficiency is above 99% and their size about half that of conventional generators. These facts make them very lucrative ventures for power utilities.
Hypres Superconducting Microchip, incorporating 6000 Josephson Junctions.
