超導材料已有的應用

超導現象產生的原因是隨着溫度的下降，晶格的振動頻率與幅度減小，同時金屬原子之間的距離變小，原子的最外層參與導電的電子之間的最外層軌道重合，這樣電子在兩個原子之間遷移的能量損失爲零。下面是有關於超導材料已有的應用的內容，歡迎閱讀。

淺談超導現象及其應用

1911年的一天，在荷蘭萊頓大學的物理實驗室裏，昂尼斯教授正在專心致志地研究水銀的低溫性能。他先將水銀冷卻到-40℃，液體水銀便凝固成一條水銀線;然後，再在水銀線中通以電流，並一步一步地降低水銀的溫度，當溫度降低到-269.03℃，也就是絕對溫度4.12K時，奇蹟出現了：水銀的電阻突然消失了，這意味着，電流在零電阻的導線中可以暢通無阻，不再消耗能量，如果電路是閉合的，電流就可以永無休止地流動下去。有人做過這樣的實驗：將一個鉛環冷卻到絕對溫度7.25K以下，用磁鐵在鉛環中感應生成幾百安培的電流。從1954年3月16日開始，在和外界隔絕的情況下，一直到1956年9月5日，鉛環中的電流不僅仍在不停地循環流動且數值沒有變化。

人們把這種零電阻現象稱爲超導現象。凡具有超導性的物質稱爲超導體或超導材料。無論哪一種超導體，只有當溫度降到一定數值時，纔會發生超導現象。這個從正常電阻轉變爲零電阻的溫度稱爲超導臨界溫度。由於昂尼斯在超導方面的卓越貢獻，他獲得了1913年的諾貝爾物理學獎，在諾貝爾領獎演說中他指出：低溫下金屬電阻的消失“不是逐漸的，而是突然的”。

此後，人們陸續發現近30種單質和幾千種合金及化合物都具有超導現象，而且超導臨界溫度的紀錄不斷地被打破。例如，1975年，有人發現鈮三鍺的超導臨界溫度爲23.2K.1986年，繆勒和柏諾茲發現鋇鑭銅氧化物的超導臨界溫度爲35K，這個現象引起了科學家對氧化物高溫超導陶瓷的高度重視。1986年12月，中國科學院的趙忠賢、陳立泉研究組獲得了起始轉變溫度爲48.6K的鍶鑭氧化物。1987年2月，美籍華裔科學家、美國休斯敦大學的朱經武教授獲得了起始轉變溫度爲90K的高溫超導陶瓷。1988年，中國科學院發現了超導臨界溫度爲120K的鈦鋇鈣銅氧化物。這些成就顯示了我國高溫超導材料的研究已經名列世界前茅。

超導現象的最直接、最誘人的應用是用超導體制造輸電電纜，因爲超導體的主要特性是零電阻。因而允許在較小截面的電纜上輸送較大的電流，而且基本上不發熱和不損耗能量。據估計，我國目前約有15%的電能損耗在輸電線路上，每年損失的電能達到900多億度。如果改用超導體輸電，就能大大節約電能，緩解日益嚴重的能源緊張。

將超導體做成線圈，由於它的零電阻特性，故可在截面較小的線圈導線中，通以大電流，形成很強的磁場，這就是超導磁體，超導磁體的磁感應強度可達15-20萬高斯，質量卻不超過數十千克，而用普通導線繞製成的電磁體要產生10萬高斯的磁場已經非常困難。磁感應強度爲5萬高斯的常規電磁體重達20噸，而達到同樣的磁感應強度，超導磁體的質量還不到1千克。超導磁體的另一個優點就是不產生熱量。不消耗電能，只要通入一次電流就可以經久不息地流動下去，不需要再補充電能。超導磁體唯一需要的就是把環境溫度維持在超導臨界溫度以下的能量。

超導材料還可以用於製造威力無比的快速激光炮、具有人工智能的電子計算機、能明察秋毫的電子顯微鏡、先進醫療器械核磁共振診斷攝象機等等。也許，上述應用還遠非超導材料的最重要應用。人們正開拓思路，擴大視野，不斷學習和研究，促使超導技術繼續向前發展。

超導材料導電機理探究與在集成電路領域的應用

【摘 要】超導現象的的基本理論目前還處於不完備的狀態，現有理論尚不能徹底的解釋超導現象的產生原因。一般認爲材料的溫度達到臨界溫度以下時，由於材料晶格點陣的熱振動對載流子傳導的干擾效應在低溫下被削弱，電流的傳導過程中的能量損失小到幾乎可以忽略不計，此時超導現象產生。

【關鍵詞】超導;熱膨脹;電子軌道;能量損失

1.背景介紹

超導現象的發現是二十世紀科學界的最偉大的發現之一。當材料的溫度降到臨界溫度Tc以下時，它的電阻會變爲零。零電阻現象的產生具有很大的`實用意義，當材料達到超導態之後，它所傳導的電流的能量損失變爲零，如果遠距離輸電採用超導材料作爲導線的話，可以採用較低的輸電電壓以避免高壓輸電所帶來的安全隱患[1]。

目前超導材料的轉變溫度已經從金屬汞的4.2K提高到了釔鋇銅氧超導材料的液氮溫度附近，但是對於實際應用來說，這個溫度還是很低。對於超導現象的機理來說，目前被認可最多的是1957年由Bardeen，Cooper和Schrieffrer等提出的BCS理論[2]，該理論在一定程度上揭示了超導現象的產生機理，但是該理論也有較大的侷限性，目前尚有許多關於超導材料的問題不能利用BCS理論來解釋。

2.理論分析

與溫度相關的材料的物理參數除了電阻之外，熱膨脹係數也是一個常見的參數，當溫度升高時，材料晶格內的點陣振動幅度增大，材料的體積增大。同時，由於點陣振動幅度的增大，載流子在電場的驅動下的運動受到更大程度的影響，所以材料的電阻增大。

按照以上理論推斷，當溫度達到0K時，晶格中點陣的振動完全停止，此時晶格振動對載流子傳遞的影響減弱爲零，此時電阻的大小變爲零。但是這與超導材料臨界溫度存在的現象並不一致，因爲按照晶格振動影響載流子傳遞所產生電阻的理論，電阻應該會隨着溫度的下降而下降，直到溫度降爲0K時才降爲0。但是材料的超導態是在溫度降到低於臨界溫度之後突然達到的，所以說，材料超導的臨界溫度的達到並不能完全利用晶格振動對材料中電子傳播的阻礙作用來解釋。

3.結果與討論

對於普通的金屬材料來說，它內部的載流子是金屬電子層外部自由電子所形成的電子氣。相對來說，金屬原子的最外層電子受到原子核的束縛最小，在電場存在的條件下容易被電場驅動。大量的外層電子在電場的驅動作用下附加了一個平行於電場的漂移運動，這樣體現在宏觀上是金屬外層自由電子所形成的電子氣整體上附加了一個漂移運動，這樣電流產生[3]。我們對金屬外層的單個自由電子進行分析可以發現，當電子在電場的作用下進行漂移運動時，總會出現電子在不同金屬原子之間的傳遞。金屬原子的最外層電子是金屬核外電子中具有最高能量的，當單個電子在徹底離開一個金屬原子核的束縛進入另外一個金屬原子核的束縛範圍內，需要吸收能量來脫離上一個金屬原子，這些能量來源於電場能[4]。當這個電子進入到下一個金屬原子核的束縛範圍之內後，落入下一個金屬原子的最外層電子軌道。此時這個電子所吸收的多餘能量會釋放出去，釋放的能量會變爲熱能傳遞給晶格。這樣消耗電場能轉變爲熱能的過程是電阻的產生機理。如果按照晶格振動干擾電子傳播的的理論，隨着溫度的升高，晶格之中點陣之間的距離減小，在電場的作用下，外層自由電子與晶格之中的點陣碰撞的機率會大大的減小，溫度升高，電阻應該下降，但是這與實際情況相反。如果按照金屬外層電子脫離外層軌道在原子間遷移的理論來解釋溫度與電阻的關係可以避免這一理論與事實不符的現象。

當溫度足夠低時，相鄰的兩個金屬原子之間的距離減小，兩個金屬原子之間的外層軌道可能會無限接近以致重疊，此時在電場的作用下，最外層電子在兩個金屬原子之間遷移不存在電子吸收能量再釋放能量的過程，沒有能量損失，體現在宏觀上是電阻爲零。

一般來說，化合物比單質金屬具有更高的臨界溫度，而對於具有較高的臨界溫度的高溫超導體來說，它們一般是具有類似鈣鈦礦的化合物結構[5]。相對於金屬離子來說，氧離子要小很多，並且在高溫超導材料中，至少含有兩種金屬元素，這些金屬元素可能存在於正八面體晶格的頂點或者正八面體晶格的中心，而氧離子處於晶面上[6]。這樣的話，各原子的外層軌道得失電子的情況比較複雜，最外層電子的分佈排列已經完全變化。氧離子的存在，填充了金屬離子之間的間隙，這樣的話，各離子最外層電子之間的能量差距變小，電子從一個金屬原子到另外一個金屬原子所需要的能量會減小。這樣體現在宏觀上，體系電阻變小。當溫度足夠低，各離子的最外層軌道相重合的時候，電子在離子之間遷移消耗的能量減爲零，此時體現在宏觀上電阻爲零。

總結上文所述的理論，超導現象產生的原因是隨着溫度的下降，晶格的振動頻率與幅度減小，同時金屬原子之間的距離變小，原子的最外層參與導電的電子之間的最外層軌道重合，這樣電子在兩個原子之間遷移的能量損失爲零。如圖1所示，在臨界溫度以上時，在電場的作用下，A原子的最外層電子a從A原子遷移向B原子，電子a首先吸收電場能脫離原子A的束縛，而當電子a到達原子B時，由於電子a所具有的能量要大於B原子的最外層電子所具有的能量，電子a進入原子B的束縛範圍，首先要釋放出多餘的能量，這些多餘的能量會以熱能的形式傳遞給點陣，這就是電阻的的產生。當溫度下降到臨界溫度以下後，兩個相鄰的原子之間的距離下降，原子的最外層電子之間的間隙變爲零，此時在電場的作用下，電子在兩個原子之間的遷移不存在能量的吸收與釋放，此時電場能的損失爲零，體現在宏觀上爲零電阻態。

按照以上的理論，導體內的相鄰的原子參與導電的外層電子之間的距離越小，則該導體的電阻越小。這一理論可以利用某些元素的在常壓下難以獲得超導態，而在高壓的狀態下可以獲得超導態來解釋[7]。當施加在材料上的壓力足夠大，相鄰的原子之間的距離被壓縮，這樣的話，某些即使降低到很低的溫度下依然不能得到超導態的材料才能夠轉變爲超導態。 　　一般來說單質導體的臨界轉換溫度不會太高，具有較高臨界溫度的超導體一定是化合物。這些化合物需要有如下的性質，在一定的溫度下，參與導電的兩個原子的最外層導電電子的軌道應該是重合的。已知氫負離子由於其核外電子數是核電荷數的兩倍，具有比較大的半徑[8]，如果有合適的化合物中具有氫正離子，氫離子可能成爲兩個相鄰的參與導電的原子的外層電子之間的“橋樑”，使得兩個相鄰的外層電子軌道之間沒有間隙，電子能夠在不消耗能量的條件下從一個原子遷移向另外一個原子，這樣就能夠得到較高的臨界溫度。

超導材料的應用在集成電路方面的應用潛力是巨大的。隨着集成電路產業的不斷髮展，單一的微電子器件的線寬已經變得越來越小。目前集成電路器件之間的互聯一般採用金屬鋁或者金屬銅，由於器件做的越來越小，單位面積內的器件密度也變得越來越大，金屬互聯的密度也變得越來越大，這樣密集的金屬互聯具有極大的電阻，會產生大量的熱量，限制器件的工作頻率。如果採用超導材料的話，它的工作性能將大大的提高，線寬可以進一步的減小。

超導材料光子晶體量子阱隧穿模的溫度特性

摘要： 設計含超導一維光子晶體量子阱[(CD)m(AB)n(CD)m]，利用超導材料的溫控折射率的動態可調性，並考慮慮材料的熱光效應和熱膨脹效應，採用傳輸矩陣法計算了透射譜，分析了溫度對隧穿模的調控特性。結果表明，隨着溫度的升高，隧穿模發生紅移，並且品質因數降低。這些特性對多通道光濾波器的設計具有一定的指導意義。

關鍵詞 ：含超導光子晶體量子阱;傳輸矩陣法;透射譜;品質因素

Abstract：The crystals quantum well， containing superconducting material， was designed， using of superconducting material dynamic adjustable temperature control index of refraction， and considering about the heat photosynthetic efficiency with thermal expansion effect， using the transfer matrix method， the transmission spectrum was calculated， and the temperature controlling characteristics of tunneling modes is analyzed. The results show that the tunneling modes are red-shifted with the temperature increasing， and the quality factor is lowered. The results have a certain reference value for design of multi-channel photonic filter.

Key words：containing superconducting photon crystal quantum well; transfer matrix method; transmission spectrum; quality factor

1 概述

光子晶體的帶隙結構和濾波特性受光子晶體結構參數調控，其結構參數包括基元介質的折射率、介質的光學厚度及基本單元的週期數等。有類特殊介質叫超導，其特殊在於超導材料的折射率受溫度、外磁場和光波頻率調控。如果把超導材料引入到光子晶體中，作爲光子晶體的基元介質，則光子晶體的結構參數就可以通過溫度和外磁場調控，進一步調控光子晶體的帶隙結構和濾波特性，表現出特殊的調控特性，因此受到人們的關注[1-4]。

光濾波是光子晶體的重要應用之一，光濾波通道可以通過一維光子晶體量子阱來實現[5-8]，其窄帶的品質因數可以通過介質的折射率[5]、結構週期數[6]及雙勢壘結構[7]來調整。筆者把超導材料引入到一維光子晶體量子阱中，作爲其中的基元介質，用傳輸矩陣法[9]研究了溫度對通道頻率和通道濾波特性的調控特性，進一步分析了該類光量子阱的應用前景，這對溫敏傳感器及光濾波器的設計有一定的指導意義。

2理論模型和計算方法

選擇超導材料A和正常材料B，折射率和幾何厚度分別用[nA]、[nB]和[lA]、[lB]表示。不考慮外加磁場，超導材料的折射率用二流體模型[1-5]描述。把週期性結構[(AB)n]插入到另一個週期性結構[(CD)m(CD)m]中，得到一維光子晶體[(CD)m(AB)n(CD)m]，其中A和C是同一種超導材料，但幾何厚度不相同，而B和D也是同一種正常折射率介質，但幾何厚度也不相同。介質C和D的折射率和幾何厚度分別用[nC]、[nD]和[lC]、[lD]表示，m和n表示排列週期數，可以取任意正整數。當考慮材料的熱光效應和熱膨脹效應後，溫度變化[ΔT]時，介質層的折射率變化量[Δn]和幾何厚度變化量[Δd]分別如下[3]

[Δn=αnΔT] (1)

[Δd=βdΔT] (2)

式中[α]、[β]、n和d分別是介質層的熱光係數、熱膨脹係數、折射率和幾何厚度。適當取值使光子晶體[(AB)n]的通帶處於光子晶體[(CD)m]的禁帶，則一維光子晶體[(CD)m(AB)n(CD)m]就構成光子晶體量子阱。

採用傳輸矩陣法[12]計算透射率，進一步分析溫度透射譜的調控特性。

3 結果與分析

不考慮色散和吸收，假設所有材料都是非鐵磁性材料。計算中材料和參數的選取參照文獻[3]，即超導材料選YBa2Cu3O7([Tc=92K，λ0=140nm])，[βA=13.4×10-6/K];介質B選TiO2，[αB=-2.31×10-5/K]，[βB=8×10-6/K]，溫度爲25oC時，折射率[nB=2.2]。令溫度[T=77K]時，[lA=105nm]，[lB=140nm]，取[lC=0.65lA]，[lD=0.65lB]。令光波垂直入射，數值計算一維光子晶體[(AB)8]和[(CD)16]在[T=10K]時的透射譜如圖1所示。筆者對圖1中超導特有的低頻帶隙不感興趣，而是對第一、二帶隙比較感興趣，由圖1可見，448～666THz頻率範圍內，光子晶體[(AB)8]的通帶完全處於光子晶體[(CD)16]的第一個禁帶內，把光子晶體[(AB)8]插入到光子晶體[(CD)8(CD)8]，便構成光子晶體量子阱[(CD)8(AB)8(CD)8]。 　　3.1溫度對含超導材料光量子阱信道頻率的調控

其它參數保持不變，溫度分別取T=10K、30K、50K和70K，圖2給出了不同溫度下，含超導光子晶體量子阱[(CD)8(AB)8(CD)8]的透射譜。由圖可見，不同溫度下，與勢阱的通帶對應的光量子阱[(CD)8(AB)8(CD)8]的禁帶內都有9個透射峯，這說明含超導材料的光量子阱與正常折射率介質的光量子阱一樣，同樣能產生共振隧穿模，同樣能起窄帶濾波的作用。但所不同的是，超導材料的折射率受溫度和光波頻率調控，當考慮材料的熱光效應和熱膨脹效應後，隨着溫度T的變化，光量子阱的折射率和結構參數將隨之改變。光量子阱的共振隧穿模數由勢阱週期數調控[6]，而隧穿模的位置由具體的結構參數(包括折射率、介質層厚度和週期數)調控，因此溫度變化必將導致隧穿模的漂移，這在圖2中明顯表現出來。由圖2可知，隨着溫度的升高，隧穿模向低頻方向漂移，並且溫度越高，隧穿模漂移現象越明顯;由圖2還可知，在溫度變化量相同的情況下，頻率越低，隧穿模漂移現象越明顯。根據上述現象，認爲含超導材料的一維光子晶體量子阱[(CD)m(AB)n(CD)m]可以用於設計溫敏傳感器，頻率越低該類溫敏傳感器的越靈敏，溫度越高越靈敏。

3.2溫度對含超導材料光量子阱濾波品質因數的影響

透射峯的品質因數如下[10]：

[Q=ωδω=fcΔf] (3)

式中[fc]和[Δf]分別爲隧穿模的中心頻率和半峯全寬FWHM。由透射譜可得出每個隧穿模的中心頻率和半峯全寬，代入上式可算出品質因數，圖3給出了從左向右的第一、二和四個隧穿模在不同溫度下的品質因數。隨着溫度的升高，圖3的三條曲線都有下降的趨勢(其它模式也可以得到類似的結果)，且頻率越高的模式下降的趨勢越明顯。這說明隨着溫度的升高，每個隧穿模的品質因數都降低，且高頻率的隧穿模品質因數隨溫度變化的程度更大。基於此，可以考慮把含超導材料的一維光量子阱[(CD)m(AB)n(CD)m]用於設計多通道濾波器，該類光濾波器可以通過調整環境溫度來調控信道的精細程度，到達溫控品質因數的目的，而正常折射率介質組成的光量子阱的品質因數一般要通過調整介質折射率、週期數或雙勢壘結構來調控光通道的品質因數[6-8]，相比之下用超導材料溫控信道品質因數更方便。

因數隨溫度T的變化

4結論

設計了含超導材料一維光子晶體量子阱[(CD)m(AB)n(CD)m]，採用傳輸矩陣法計算了透射譜，分析了溫度對隧穿模頻率及品質因數的調控規律，得到如下結論：

1)含超導材料一維光子晶體量子阱與由正常材料組成的一維光子晶體量子阱一樣，都能產生隧穿模;

2)可以達到溫控隧穿模的目的，溫度升高，同一隧穿模的頻率向低頻端漂移。採用該溫控特性可以設計出勢阱內低頻端溫度敏感的溫度傳感器;

3)溫度越低，同一隧穿模的品質因數越高，達到溫控濾波品質因數的目的。同一溫度下，頻率越高，隧穿模的品質因數越高。