[科普中国]-超导临界磁场

超导体临界磁场强度

当超导体表面的磁场强度达到某个磁场强度Hc时，超导态即转变为正常态；若磁场降低到Hc以下时又进入超导态，此Hc即称为临界磁场强度。Hc与物质和温度有关，一般有: Hc(T) = Hc(0) [ 1－(T/Tc)2 ],其中Hc(0)是温度为0K时的临界磁场强度 (约为5000A/m)，Tc是超导体的临界温度。

在脉冲强磁场下测量超导体临界磁场在脉冲强场下测量NbTi的临界磁场 H1( 4.2 K )，结果为l15士4kG。同时观察了噪音、焦耳热和“ 临界电流” 等对测里结果的影响，测量中所用的脉冲磁场之一，可以产生高于400kG的场强，磁体有效孔径为25mm，脉冲宽度为15.6ms。1

测量结果与分析样品上所加的恒定电流密度为~50一 1300A/cm 2。先将恒定电流加到样品上，然后加脉冲磁场的。样品两端电压和脉冲磁场的电流信号 ( 已校成场强 ) 分别输 人十六线光线示波器，由光线示波器直接记录，其中近似正弦形的曲线是脉冲场的电流信号，另一条是超导线上的电压信号，横座标表示时间。1

噪音在脉冲磁场下的测量，要特别注意避免或尽量减少感应引人的噪音。因为实验是测横向临界场，如果采用直 的超导线横置于磁体中，那么由于受磁体内径的限制，使横置的超导线只能取一个多厘米长，结果在超导线上的 电压信号很小，因而易受噪音影响使测量误差大，为了减小测量误差，实验中将超导线双绕成“ 无电感线圈‘’，设想此时测量引线上的感应噪音与前一 种安排相同，则在同样的测量电流时可得到较大的信噪比。但在实际操作上 ，要做到双绕样品完全“ 无感” 是需要相当谨慎的。

A点和B点附近的小波形正反映了这种感应噪音。

所用的样品 (超导线) 是分别在两次绕成的。从记录曲线可见，虽然测量电流小，相应的电压信号小，但样品绕制安装较仔细，信噪比是很大的。记录曲线，显示出噪音相当大，它已使 A 一A’与B’ 一B的斜率受影响。1

焦耳热的影响当侧量电流小时，A点与B点对应的磁场强度没有明显的差别，而电流密度增加到250一 500A/cm2 时，B点的 磁场比A点要低4一8kG，呈现出热滞后现象。随着电流密度进一 步加大到~ 1300A /cm2 时，即使当脉冲磁场减到零，也不再向超导转变 。1

引起这些现象的原因是，在超导线转变为正常态之后，大的测量电流密度产生相当数量的焦耳热。使超导线 温度上升，又由于用来固定超导线的环氧树脂层热阻大，及NbTi线在4.2K时热扩散率低 ( 仅~ 1.18cm2/s，比铜差四个量级左右 ) ，所以超导线在失超后不能始终维持在4.2K，或甚至高于临界温度，因而其临界场变低或退零场时仍不能立即恢复超导。

如果要得到正确的临界场从H1(4.2 K )值，必须使超导线与液He之间的热阻尽量小，同时侧量电流密度也要尽可能小。对所测的NbTi 样品，电流密度以小于250A/cm时为宜。1

“ 临界电流” 的影响超导体临界电流Jc与磁场H的关系 ，即当H越大时，临界电流越小。换句话说，电流越小，临界场强越高。 当电流小到某一值时，“ 临界 磁场 ” 大小不再受电流大小的影响，而等于电流密度J=0时的H1值。将这种电流密度对临界磁场的影响叫做“ 临界电流” 的影响。当电流密度≤500A/cm2范围之内时，A点对应的磁场没有明显改变。 但当电流密度增至 ~ 1300A/cm2时，A点对应的磁场减小3一5kG。为此要避免“ 临界电流” 的影响，测量电流也以取小于500A/cm2为宜。1

关于超导材料NbS2上临界磁场的理论分析将NbS2与两能隙超导体MgB2以及NbSe2的上临界磁场性质进行了比较。NbS2的上临界磁场各向异性参数在温度超过5.0 K后逐渐变小，这与MgB2以及NbSe2有相似之处但NbS2的上临界磁场各向异性参数大约为7.3左右，明显大于MgB2和NbSe2。计算结果还表明，NbS2较大能隙所对应能带的有效质量比约为54，另一能带的有效质量基本是各向同性的。2

超导的应用超导材料的研究已与纳米科技相结合进入一个全新时代，超导材料具有非常广阔的应用前景。超导材料的运用价值主要在于其零电阻效应以及迈斯纳效应。超导应用已经涉及军事、医疗、交通、电力、电子、通信、能源、机械工程等多个领域，在发电、输电和储能领域有着更为广阔的发展前景。2

在电力工程的应用方面，超导材料主要用于超导输电线路，超导发电机以及超导变压器。超导输电在原则上可以做到没有焦耳热的损耗，因而可节省大量能源，据统计，主要采用的输电线为铜或银导线，约有15%的电能损耗在输电线路上，光是在中国，每年的电力损失即达1000多亿度。若改为超导输电，节省的电能相当于新建数十个大型发电厂。超导磁体可用于制作交流超导发电机、磁流体发电机。交流超导发电机可以在几乎没有能量损失的情况下，利用超导线圈磁体将发电机的磁场强度提高到5-6万高斯，超导线圈用于发电机和电动机可以大大提高工作效率、降低损耗。随着电力工业发展，对于供电设备要求也变得越来越高，在电力工程中变压器是必不可少的设备，如何提高变压器的性能，获得更为可靠高效的变压器也成为人们研究的重点项目。超导变压器无论是在基本结构或是工作原理方面，都与常规浸油变压器相同，不同点在于超导变压器用超导线圈代替常规变压器的铜线，并将超导线圈浸于液氮中。超导变压器的实现无论是在经济方面，节能方面，环保方面，以及效率方面都有了显著提高。2

上临界磁场的角分布选择参数m1=0.93me；m1z= 59me；m2z=1.1me；a10=0.28meV，由临界温度的计算公式可以得出R12=0.016meV。

其中横坐标代表外加磁场与ab平面的夹角，纵坐标表示NbS2的上临界磁场，实线表示T=5.5K时NbS2上临界磁场随温度的变化关系，实心圆点表示T=5.5K上临界磁场的实验数据。在T=5.5K时计算结果与实验数据是吻合的，右上角是T=5.5K时NbS2上临界磁场角分布的放大图形。另外三条虚线从上至下分别表示T=0K，2K，4K，时NbS2上临界磁场的理论计算，将其与MgB2上临界磁场的角分布进行比较发现有很大的相似之处，NbS2和MgB2上临界磁场都是随着角度的增大而减小，并且随着角度的增大上临界磁场减小的速度越来越慢，通过以上分析进一步证明NbS2是两带超导体。2

上临界磁场各向异性参数的计算将NbS2各向异性参数随温度的依赖关系（实线）与MgB2和NbSe2的数据进行对比。图中实心圆点，空心圆点和实心三角形分别代表NbS2，MgB2和NbSe2的Yh实验数据点。计算结果显示NbS2的随温度的依赖关系在0.8Tc；附近出现下降。在0.8Tc；到Tc之间，Yh值由73下降到7.0左右，上临界磁场各向异性参数对比图这一计算结果与实验数据在误差范围内吻合。实验数据显示，MgB2上临界磁场的各向异性参数在2.2到4.8之间，NbSe2上临界磁场的各向异性参数在2.5到3.5之间。通过对比可以看出，相对于MgB2和NbSe2，NbS2的上临界磁场的各向异性更大。2

己知MgB2是由一个二维的δ带，和一个三维的π带构成，且δ带的有效质量比约为40，π带的有效质量比约为2。NbS2也表现出了类似的性质，NbS2较大能隙所对应能带的有效质量比m1z/m1为54，另一能带的这一数NbS2上临界磁场各向异性参数随温度的依赖关系，以及NbS2，MgB2和NbSe2

值m2z/m2约为1.1，基本是各向同性的。通过比较可以看出，相对于MgB2和NbSe2而言，NbS2的有效质量各向异性更大，这是造成NbS2的Yh明显大于MgB2和NbSe2的重要原因。2

本词条内容贡献者为:

李勇 - 副教授 - 西南大学