超导态的三个重要特征

1.不存在可观测的直流电阻

昂尼斯（K.Onnes）等人曾进行过这样的实验，先将超导体做成的环放入磁场中，此时温度T>T_c，环中无电流，然后再将环冷却至T_c以下，使环变成超导态（T_c即为超导体的临界转变温度），此时环中仍无电流；但若突然去掉磁场，则环内将有感应电流产生。这是由于电磁感应作用的结果，按楞次定律，该电流应沿反抗磁通变化的方向流动。如果此环的电阻确实为零，那么这个电流就应长期无损地流下去。事实上经过长达几年的观察，没发现电流有任何衰减，这就有力地证明了超导体的电阻确实为零，是完全导电性的。同时也说明了超导体是等电位的，即超导体内没有电场。

2.完全的抗磁性

迈斯纳（W.Meissner）等人由下列实验分析了超导体在外磁场中的特性。先将超导体冷却至超导态（T<T_c），然后加磁场，发现磁场不能进入超导体内。若在常温下将超导体先放入磁场内，则有磁力线穿过超导体；然后再将超导体冷却至T_c以下，发现磁场从超导体内被排出，即超导体内无磁场，磁感应强度B为零。这一现象说明了超导体具有完全的抗磁性，又称迈斯纳效应。

超导态为什么会出现完全抗磁性呢？这是由于外磁场在试样表面感应产生一个感应电流，如图5-20b示。此电流由于所经路径电阻为零，故它所产生的附加磁场总是与外磁场大小相等，方向相反，因而使超导体内的合成磁场为零。由于此感应电流能将外磁场从超导体内挤出（图5-20c），故称抗磁感应电流，又因其能起着屏蔽磁场的作用，又称屏蔽电流。

图5-20 超导体中磁场为零示意图

a）T>T_c时外磁场穿过超导体 b）感应电流产生附加磁场 c）外磁场从超导体内挤出

3.超导体存在超导能隙

一般来说超导体存在超导能隙。金属处于正常态时，基态与最低激发态之间没有能隙，一旦发生了超导转变，能隙就出现。因此，超导体中的能隙是与相互作用的电子气相联系的，图5-21给出了超导态中的能隙。处于能隙以上激发态的电子其行为如同正常电子在射频场中一样：这些电子产生电阻，在直流情况下这些电子为超导电子所短路。在绝对零度，能隙以上没有电子。设想该能隙是以费米能级为中心，间隔为ε_g=2Δ。应该注意，超导体的能隙同绝缘体的能隙相比较具有全然不同的本质。

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图5-21 正常态中的导带（图a）和超导态中费米能级附近的能隙（图b）

超导体比热容、电子隧道效应、与频率相关的电磁行为和声衰减这些现象表现出能隙存在。

正常金属的低温比热容具有AT+BT³形式（A、B为常数，T为温度），其线性项是由电子激发引起的，立方项是由晶格振动引起的。实验发现，在T≤T_c的零磁场下，超导体比热容根本改变了上述形式。首先在T=T_c时，其比热容跳到一个较高的值，然后随温度下降到低于正常金属的相应值。利用外磁场将金属转变成正常态，对临界温度以下的超导态与正常态的比热容进行比较，如图5-22所示。从该图的分析可知，在超导态中，电子对比热容的线性贡献已经被指数形式exp[-Δ/（kT）]代替。这是激发态与基态之间存在能隙的特征热行为。能隙存在是超导态的一个特征，但并非普适性的表现。对于低温超导体，理论和实验都表明能隙2Δ具有kT_c量级。

图5-22 金属铝处于正常态和超导态时，其低温比热容的比较（正常态是通过外加强磁场得到的）

考虑被绝缘体薄层隔开的两块金属，如果绝缘层足够薄，由于量子隧道效应的存在，电子将具有一定的几率贯穿阻挡层。在热平衡时，足够的电子将从一块金属渡越到另一块金属，使两块金属的化学势相等。当两块金属都处于正常态时，外加电压将引起一块金属的化学势高于另一块，更多的电子穿过绝缘层势垒，因此，正常态金属结的“隧道电流”应遵循欧姆定律，电流正比于外电压。当两块金属之一处于超导态时，在远低于临界温度下，直到外电压V达到阈值电压，eV=Δ时，才有电流产生。Δ值刚好与低温比热容测量的相应值一致，这确信了超导体能隙的存在。当温度升高趋于T_c时，阈值电压减少，这表明能隙本身随温度增加而减少。

金属对电磁幅射的响应是由电导对频率依赖关系确定的。由于在超导体中电子系统的激发谱是由能隙Δ表征的，可以预料在频率比Δ/ћ小时，其交流电导和正常态有显著差别，但在频率比Δ/ћ大时，两者应基本相同。除了相当接近T_c的温度区外，典型的Δ/ћ值是微波和红外频谱区。由此可知，在光学频率区观察到的交流行为和正常态行为无区别。在红外区将出现与正常态的偏离，而且微波频率区将完全表现出由于能隙存在电子不能被激发的特征。

当声波在金属中传播时，由于离子位移所产生的微波电场能够把能量给予费米面附近的电子，从声波中取走能量。在远低于T_c温度范围，当ωћ<2Δ时，超导态中的声衰减显著低于正常态金属。

以上几种表现形式，在大部分超导体中已经被观察到。