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超导体真的没有电阻吗?

 宣城华厦图书馆 2017-10-29

对,超导体的电阻率为零,而且,是绝对的零。

超导在1911年由荷兰物理学家卡末林.昂尼斯团队发现,第一个超导体是金属汞,临界温度为4.2 K,即在4.2 K以下电阻突然降为零。

超导体电阻为零,起初昂尼斯团队是认为电阻超出了仪器测量精度(0.00001 Ω),他们已经“测不到了”,所以认为是零。后来,昂尼斯的工程师Gerrit Flim为了证实超导体电阻到底有多小,花了20年左右的实验不断重复实验并提高精度,最终也未能测量到超导体电阻率的极限值,也就是说,它还是零。Flim设计的实验原理很简单:他设计了两个并列线圈,被金属圆筒包围以屏蔽地磁场,其中一个线圈是超导体,引入电流后断开出路,电流就会在超导环里持续稳定地存在,相当于一个磁体。第二个线圈是一个普通铜线圈,需要外接电流,也相当于一个磁体。两个线圈中间设一个磁针,调整铜线圈中的电流大小和超导线圈初始值一样,那么磁针就不受外力而指向东西方向(避免和地磁场的南北方向混淆)。一旦超导线圈出现电阻,其中的电流就会发生衰减,磁针的指向也就会发生偏转,或者需要调整铜线圈电流让磁针不偏转。显然,超导线圈中电流越大,这个实验效果就越明显。但是Flim最终加到了200 A的大电流,也没有发现磁针的任何偏转。


后来,随着仪器测量精度的提高,人们证明超导体电阻率低于10^-18 Ω.m。而室温下导电性极好的金属如金、银、铜、铁、铝、铂等的电阻率一般为10^-8 Ω.m。可见超导体导能力要强10个数量级,名副其实的“超级导电”。假设利用电磁感应方法,在超导环内感应出1 A的电流,可以通过测量该环形电流产生的磁场来判断电流是否衰减。粗略估计,如果周围低温环境能够永远保持,超导状态永不改变的话,那么至少需要1000亿年才能彻底衰减掉这个电流。相比之下,我们宇宙的年龄,也不过137亿年。因此,在人类有生之年,完全可以认为超导体电阻就是绝对的零!

但是,超导体承载的电流并不是无限大的!原因是超导体还存在临界电流密度。一旦超过这个电流密度,超导状态将不可恢复,电阻就会出现。事实上,超导体存在至少三个关键临界参数:临界温度、临界磁场、临界电流密度。三者还会互相影响,必须在三者都足够小的情况下,构成的超导临界曲面范围内,超导才可以稳定地存在。

如果采用超导纳米线来承载超导电流,那么电流密度是极大的,也极其容易破坏超导状态。现在量子通讯中采用的超导铌单光子探测器就是利用了这个原理,将金属铌的薄膜刻蚀成极窄的纳米线阵列,一旦有光子进入将导致局域升温。温度上升幅度虽然很小,但足以导致临界电流密度迅速减小,原先承载的超导电流将达到破坏超导的程度,也就得到了电阻值,从而出现电压信号。

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