超导与相变(2)

在理解第二类超导体之前,我们需要理解超导体和完美导体并不是一回事。所谓的完美导体,就是在导体各处的电阻都为零。

可以证明,完美导体内部不能有电场。否则电荷必然在电场方向上形成反向电流,而由于没有电阻,反向电流会在电场的加速下越来越大,其结果就是在完美导体的边界上电荷的运动能转化为了导体本身的热能。这实际上代表了电流的损耗,也就是形成了电阻。所以不能在完美导体的内部有电场。

那么如果我们在金属态时将导体放入磁场时,磁场会穿透金属,在金属内部形成磁场。如果我们此时降温,使得金属态进入完美导体态,那么由于变化的磁场会形成电场,而完美导体的内部不允许有电场,所以磁场不能消失掉,就被禁锢在完美导体的内部了。反过来,如果我们在金属态的时候不加外磁场,而在完美导体态的时候加磁场,完美导体的内部也不会形成磁场。

1933年,迈斯纳和奥赫森菲尔德对围绕球形导体(单晶锡)的磁场分布进行了小心的实验测量。他们惊奇地发现,对于超导体来说,不论是先降温后加磁场,还是先加磁场后降温,只要锡球过渡到了超导态,在锡球周围的磁场都突然发生了变化。在临界温度时,磁力线似乎一下子被排斥到了超导体外,这就是说,不管过渡到超导态的途径如何,只要T<T_c,超导体内的磁感应强度B 始终是零,即具有完全的抗磁性,这后来被人叫做迈斯纳效应。

实际上,完美导体是一个经典的概念。而超导态事实上是一个量子态。为什么会形成迈斯纳效应?这是因为超导态的库伯对是宏观量子态,它具有超流的特性,因为在超导体外存在更低的势能态,所以它就会倾向于向超导体外部流动,但由于超导体存在外表面,它没有办法流出去,它就只能待在超导体表面。而一旦形成这种表面超导态,任何外磁场都会导致超导的库伯对产生回转电流,抵消外磁场,因而就会形成完全的抗磁性。而金属态时如果内部存在磁场,也会在超导态形成的瞬间被库伯对的反向回转抵消,而回转的库伯对则会到达超导体表面,看上去就像把金属态内部原有的磁场排斥出了超导体内部。

所以,迈斯纳效应其实是衡量是否出现了超导态的一个重要依据。因为它标志着导体内部存在宏观量子效应,即超流效应,而超流其实是超导的形成原因。

我们上面所讨论的都是纯态晶体物质的超导。这些在超导理论中被称为是第一类超导体。与此对应,混合态物质也会产生超导效应。混合态中产生的超导,大部分都是第二类超导。

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