什么是超导电子学?

[拼音]：chaodao dianzixue

[外文]：superconductive electronics

超导体物理与电子技术相结合的一门科学，以超导体的约瑟夫逊效应等为基础，主要研究物体处于超导状态下超导电子所具有一系列效应的理论、技术和应用。

1908年，荷兰H.K.翁纳斯首次使氦气液化，成功地获得4.2K低温。1911年，他在研究各种金属在低温下的电阻性质时发现了汞的超导电性。1933年，W.迈斯纳和R.奥森菲尔德发现磁场不能进入超导体内部的新现象，即迈斯纳效应。这表明超导体具有完全抗磁性。为了解释超导体的理想导电性（零电阻现象）和完全抗磁性这两个基本特性，1935年德国物理学家F.W.伦敦指出，超导性是一种宏观体系的量子效应，并基于超导性与液氦4He的超流动性的相似性而将其统称为超流体，建立了超导唯象方程即伦敦方程。它指出磁场被排斥到厚度为λ 的伦敦穿透深度的表面薄层中，从而解释了迈斯纳效应。1950年，В．Л．金兹堡和Л．Д．朗道根据相变理论的研究，指出超导态中的超流电子存在某种有序化，且临界温度Tc以下有序度较高，状态用一个序参数 ψ(


)来描述(相当伦敦理论中的超导波函数)，由此建立了金兹堡-朗道方程，也称GL方程。它惟象地综合了当时超导体已有的宏观规律。另外，由于对超导体热力学性质的研究，人们建立了二流体模型和能隙理论。1950年，J.R.施里弗提出电子－声子的相互作用在低温下导致超导性（电阻消失），并导出了同位素效应。上述理论和效应都没有从根本上说明超导电性的物理实质。直到1956年，L.N.库柏提出在超导体中有电子对，并于1957年建立了巴丁-库柏-施里弗超导微观理论，简称BCS理论。这一理论较为完满地解答了超导电性的物理本质。1962年，英国剑桥大学B.D.约瑟夫逊在关于隧道超流现象的著名论著中预言了超导隧道效应，也称约瑟夫逊效应。1963年实验证实了隧道超流现象确实存在。随后发现了Jc-H关系、I-υ 阶梯特性和自感应阶梯。1964年，默塞里奥与西尔弗发现约瑟夫逊双结量子干涉现象，两年后发明了双结磁强计。直流约瑟夫逊效应遂得以建立起严格的理论。人们从而发现红外检测的机理并观察到约瑟夫逊结的微波辐射效应、倍频、分谐波和混频效应，并用约瑟夫逊效应测定物理常数e/h值，制作出超导伏特计，发明记忆储存元件等。1970年又发明了单结环路的射频超导量子干涉器件等。约瑟夫逊效应从实验阶段走向了应用阶段，由此繁衍出的各类超导器件在现代各学科中获得广泛应用，并形成一门崭新的超导电子学。为此，超导遂道效应发现者约瑟夫逊、隧道技术开创者江崎玲於奈，以及半导体隧道和超导隧道间的桥梁架设者I.贾埃弗三人获得1973年诺贝尔奖金。

超导电子学的理论是以超导体的两个基本特性即零电阻的理想导电性和迈斯纳效应的完全抗磁性为基础，以超导微观理论和超导约瑟夫逊效应为核心。理想导电性是指导体电阻突然消失的零电阻特性，又称超导电性。具有超导电性的物质称为超导体，迄今已发现28种金属、上千种化合物和合金是超导体。材料处于超导状态简称超导态。完全抗磁性是指超导体在超导态时将其内部磁场完全排出体外的现象，又称迈斯纳效应。在超导基本理论的研究中，还发现有同位素效应和库柏对的重要规律和概念。同位素效应是指由不同的同位素做成的超导元素材料，其临界温度Tc和同位素质量M服从Tc·Mα＝常数的实验和理论规律。库柏对是指两个电子动量相反，自旋相反，其间的吸引作用最强。如果这个吸引的声子作用胜过排斥的库仑作用，则两电子之间的净作用力是吸引力。只要存在净的吸引作用，不管如何弱，两电子也会互相围绕着运动而束缚在一起。这样一对电子称为库柏对。

这个理论认为，超导电子就是组成库柏对的那些电子，它们处于凝聚状态。T＝0时，所有电子都组成库柏对，它们都是超导电子。在T厵0时，晶格的热振动可能把一些库柏对拆散，使其成为正常电子，温度越高，库柏对越少，正常电子越多。临界温度为Tc时，所有库柏对全部拆散，所有电子都是正常电子，即非配对电子，材料完全处于正常态。这一理论从量子学说出发，揭示了超导电性的主要因素，解释了超导态的基本特性。

超导体在微波频率下所具有的超导电性。在高频下，当光量子的能量大于超导体的能隙2Δ时，由于超导体吸收电磁波能量，库柏对被拆散成单个电子，超导态转变成正常态，这时的高频频率称为转变频率。不同超导体的转变频率各不相同，一般在1012赫左右。在理论上，造成这时高频电磁损耗的剩余表面电阻Rs，取决于温度、频率、穿透深度、电子费米速度、相干长度、电子平均自由程和超导能隙，其近似表达式为

式中A为与温度和频率无关的材料特征参数；ω为角频率；T为温度;k为玻耳兹曼常数；α为一个由电子平均自由程l和伦敦穿透深度λL与相干长度 ξ之比决定的指数，一般在1.5～2之间。随着材料环境温度的降低，表面电阻也随之下降。只要材料处于超导态，其高频电磁损耗与正常态相比仍然低好几个数量极。利用超导体这种高频低电磁损耗特性可以制成各种超导无源器件，例如，超导波导和谐振腔、超导微带器件、超导高频同轴电缆和超导延迟线等。

两块或两片超导体之间存在的势垒层（10～20埃）或弱连接形成超导结时，超导电子对通过这些结而呈现的一系列电学、磁学和辐射方面的特性、统称为约瑟夫逊效应或超导电子隧道效应。

超导体有两类：

（1）超导体界面能为正，金兹堡-朗道参量k小于


，它只有一个临界磁场和两种状态；

（2）超导体界面能为负，k大于


，有两个临界磁场和三种状态。弱连接超导体是两个超导体由另一物体（可以是超导体，也可以是包括绝缘介质在内的非超导体）连接起来，形成具有如下性质的体系：很小的超流电流Is从一个超导体流向另一个超导体。弱连接超导体有时也称超导结。已发现的弱连接超导体有约瑟夫逊隧道结（邻近效应结）、超导桥、点接触结、交叉线和超导体－非超导体-超导体（SNS）结等(图1)。

当外加电压等于零时(υ=0)，超导电子对能穿过绝缘层形成超导隧道电流而没有电位差的现象。

鉴于约瑟夫逊结的临界电流Ic对磁场的变化特别敏感，J.E.默塞里奥用两个性能理想一致的约瑟夫逊结构成环路，磁场作用于结A和结B，产生量子相位差，改变了超导电子流体的相位特性现象。它正如一束单色光通过狭缝A、B形成光程差产生干涉一样，所以称为超导量子干涉效应，或称默塞里奥效应。

超导结在直流电压作用下产生交变电流，从而辐射电磁波的特性，称为交流约瑟夫逊效应。

利用超导体的某些特性和约瑟夫逊效应制成了一系列高灵敏电子仪表和精密测量设备。这些设备已广泛应用于空间电子技术、射电天文、雷达、通信、无线电导航、电子对抗、电子计算机、微波和毫米波技术、激光与红外、基础理论与理化实验以及微电子学、生命科学等各个方面，有的已取得重大进展。

超导体在微波技术方面获得较多的应用。

（1）超导检测器：利用约瑟夫逊结的零电压电流阶梯随微波辐照功率而变化的原理制成（图2）。约瑟夫逊结检测器几乎能工作到10微米的波长，可用于毫米波、亚毫米波波段，而且检测灵敏度很高。用铌的点接触约瑟夫逊结作检波器，在90吉赫频率上检测灵敏度为5×10-15瓦／赫1/2②超导混频器:约瑟夫逊结是一种高度非线性器件，能很好地实现信号和本振两频率的微波混频。当本振频率


和信号频率fs同时照射到约瑟夫逊结上，取出|


－fs|中频实现基波混频；取出|n


－fs|中频，实现谐波混频；还可以在结上加一偏压υ0，本身产生


的高频振荡，实现自本振混频。

（3）超导参量放大器：约瑟夫逊结在零偏压时呈现非线性感抗，通过适当的泵源使感抗发生变化，像变容管那样实现参量放大而制成超导参量放大器和超导参量上变频器。它有两种结构：使用外部微波信号源激励和利用约瑟夫逊结自身振荡来实现内部激励。超导参量放大器激励功率小、 瞬时频带宽、 噪声低，可能用于亚毫米波。

（4）超导振荡器：根据交流约瑟夫逊效应，一个以直流电压偏置的超导结能产生一个相应的振荡信号。实验测得的单个超导结输出功率约为 10-9瓦。因此，可用多结阵列方法实现相干辐射，其最大输出功率可达10-6瓦左右。这种振荡器能覆盖直到1012赫的整个频域，可能成为相干光和微波之间的有效频率源。

（5）超导谐振腔，用超导材料做成微波谐振腔，当处于超导态时剩余表面电阻很低，可使谐振腔的 Q值大大提高，因而具有非常窄的带宽和单纯的谐振模。由理论分析可知，腔中心频率近似式为


，若谐振腔Q的初始值为108，如变化一倍所产生的频率变化只在10-16量级。超导谐振腔利用高Q 特性，可对微波振荡源进行稳频。1974年人们用超导腔对耿氏振荡器进行稳频，在 100秒的时域内达到3×10-16的短期频率稳定度，比稳定度最高的氢原子钟还高二个数量级。使用这样的超导腔稳频振荡器，可将深空飞行器的位置准确地定位在10米以内。超导腔主要用于电子直线加速，也可用于微波滤波器、频率预选器、鉴频器和高功率微波辐射器等。

（6）超导微带传输线：普通微带线 Q值最多为200左右，而超导微带线的Q值可达105。因为超导体在高频下电磁损耗很低，且超导微带线基片蓝宝石的损耗角正切在4.2K下比常温低两个数量级。此外，它无色散特性，可使信号在特高速和超微型化的情况下无畸变地传输。

利用超导量子干涉效应制成的器件有直流超导量子干涉器件和射频超导量子干涉器件两类（图3）。超导量子干涉器件用作磁强计，可供研究超导体的磁学性质(如磁通蠕动现象等)、地球磁性历史、探测沉积岩和火成岩的微弱磁性之用。它在医学上可用以测量人的肺、心和脑，其磁场搏动分别为10-9、10-10和10-14特（T）数量极，能为临床诊断和医学研究开辟新的途径。这种器件还可用于水下或地下深处甚低频(10～105赫)电磁场高灵敏接收机，也可改装为磁场梯度计（灵敏度可达2.3×10-15特/厘米2）和伏特计（灵敏度一般可到10-9伏，有的已达10-19伏）。射频超导量子干涉器件的频率已扩展0～1吉赫，可用作射频衰减绝对测量，其精度达±0.002分贝。用超导量子干涉器件制成的超导天线，其磁场灵敏度可达到10_13～10-16特。超导量子干涉器件还可用作数字逻辑电路元件和用于超导重力仪，以及用于预报地震等。

利用约瑟夫逊交流效应中电压与频率的关系，在超导结以直流电压V0偏置时能产生频率为f0＝


的振荡电流。如果同时在结上辐照以频率为f的微波，则由于f对频率为f0的约瑟夫逊振荡的相位调制，在超导结的I-V 特性上会出现电流阶梯，第 n个阶梯处的电压为


。f反映直流电压Vn，而把υn和基准电池的电动势联系起来，即应用某种类型的电压比较仪建立两者之间电压传递关系，就可把频率和基准电池的电动势直接联系起来。国际比对


的测量系统的精度为±2×10-7，而测量微波频率f比较容易达到10-9量级的准确度，故能高精度保持伏特基准。

1956年，人们利用超导态与正常态转换速度很快的原理制成冷子管。在两种超导体交叉薄膜间用一绝缘体隔开，其中一个超导体起开关作用，另一个超导体起控制作用。但冷子管不能达到很高的开关速度。因此，1967年又利用超导结制作了超导隧道冷子管。稍低于超导结临界电流的门电流通过超导结，当结处于超导态时，结区间为零电压。结区上方用一超导带作控制线，当通电流时，电流产生的磁场使临界电流Ic减小，从而使零电压变为非零电压状态；去掉控制电流，结区又回到零电压状态。这就是超导计算机中的开关原理。

约瑟夫逊结用作计算机的逻辑和存储元件具有输出电压高、开关时间短、功耗低等优点。其运算速度比现有高性能半导体集成电路快10～20倍，功耗小到四分之一。利用约瑟夫逊结可构成各种逻辑、触发器和存储器等电路。

超导微处理机及其阵列机在军事方面有重要的用途。正在研制的超导微处理机包括有4000个逻辑门、32千位存储器，而体积只有25厘米3，周期时间仅为2.5纳秒，功耗为150毫瓦。

1975年A.H.西尔弗提出了全超导化的超外差接收机方案。它主要由三部分组成（图4）。

（1）用超导体和半导体构成超导肖特基势垒二极管，把输入信号变成中频信号。

（2）一组约瑟夫逊结参量放大器，把中频信号上变频获得增益，再用超导二极管变回到中频，完成二级约瑟夫逊低噪声中频放大。

（3）电压控制的约瑟夫逊结与某一稳定的参考源n次谐波锁定，组成毫米波本机振荡器。这种接收机混频级的噪声大为降低，而约瑟夫逊结参量上变频器和超导混频器组成的中频放大器可使噪声低于1K，同时可得到9分贝的中频放大增益。这样，它就保证在100吉赫时整机的等效输入噪声温度的理论值为 20K。这种全超导化的超外差接收机在理论上可以获得极低的噪声温度，并能用于毫米波和亚毫米波。