大学超导物理方向发展,需要物理的哪些方面呢,相应需要学的数学有哪些现在主要研究高温超导材料（比如说近年来比较流行的铁基超导材料，...
大学超导物理方向发展,需要物理的哪些方面呢,相应需要学的数学有哪些
理论的目标是能建立类似于BCS的理论能描述高温超导体，不过现阶段都是以唯象理论为主，而且理论还不太完善。实验则视图尽可能提高超导材料的转变温度，寻找高效的高温超导体。
当然，以上只是笼统叙述，实际上超导物理是一个很大的领域，发展方向不是几句话能说清的，
超导方向涉及的理论：固体物理理论、电动力学、量子力学与量子场论等等。
数学理论：高等数学、线性代数、数理方程等等
还要学一些凝聚态物理方面的专门软件
研究超导获得了诺贝尔奖，超导到底能给人类带来什么？
漫谈超导的前世今生：中国科学家已走在了前面
来源：“墨子沙龙”公众号
超导体的发现始于上世纪初，距今已有百余年的历史。从1911年荷兰物理学家卡麦林·昂尼斯（Heike Kamerlingh Onnes）发现超导现象之后，它的各种奇妙性质，吸引着人们用各种方式理解着背后的物理原理，也催生了人们对于其应用的无数构想。
荷兰的卡麦林·昂尼斯（Heike Kamerlingh Onnes）是一位低温物理学家，他创建了闻名世界的低温研究中心——莱顿实验室。1908年，昂尼斯实现了对氦气的液化，在实验室中从此可以用液氦创造低温的研究环境。在此基础上，他开始研究汞在低温下的电阻行为和规律。
当时的物理学界认为，金属之所以有电阻，一是因为杂质和缺陷造成的电子散射，二是由于晶格震动引起的散射。那么，如果把金属提得非常纯，再降低到极低的温度，它的电阻会呈现什么现象呢？果然，昂尼斯发现汞在4.2 K时电阻为零。两年后，人们确认这就是超导性。
既然电阻为零，那么超导体就是理想导体[1]咯？非也，这就要说到超导体的另一条更重要的性质——内部磁感应强度等于零，即完全抗磁性，也就是著名的迈斯纳效应。
电阻为零和内部磁感应强度等于零，是超导体的两个重要性质，后者更是超导体特有的性质，它颠覆了人们对超导体是理想导体的认知。
根据欧姆定理和电磁感应定律，“理想导体”中的磁场应该像被“冻结”一样，不可能随时间变化。可是实验上观察到的现象并非如此，人们发现，即使在金属进入超导态之前加上磁场，超导体一旦形成，内部磁感应强度为零，磁场“消失”了。也就是说，超导体并非人们从前理解的理想导体。
关于迈斯纳效应，人们尝试从不同角度去理解它，其中最早取得重大影响的就是1935年伦敦兄弟提出的伦敦（London）方程。他们在迈斯纳方程和二流体模型基础上，给出伦敦方程，描述了超导体电流与电场、磁场的关系，唯象[2]地解释了零电阻和迈斯纳效应。伦敦方程和麦克斯韦（Maxwell）方程组结合在一起，就构成了超导电动力学的基本方程。
有人说，伦敦方程最大的成功之处是给出了磁场对超导体有lL的穿透，与实验结果定性一致。
但遗憾的是，伦敦方程毕竟是一个唯象的理论，它有很多缺陷，比如，按伦敦方程，电流密度的大小居然与电阻无关，并且某点的电流密度只与该点的磁场矢量势有关，是局域的，无相干性。这些与实验不符的现象都提示着伦敦方程的不足。包括后来的皮帕德（Pippard）模型，虽然考虑了非定域效应，但是还不能给出超导电荷密度在空间位置的变化。
那么他们的局限性主要在哪里呢？原来，在他们的模型里，超导电子密度只是温度的函数，与位置和磁场都无关，而事实上，超导体内各处的电子密度不仅依赖于温度，也是位置和磁场的函数。
也就是说，问题的关键在于找出电子密度对温度、磁场、位置的依赖关系，这也就是Ginzburg-Landau理论(简称G-L理论)的核心。
G-L理论是维塔利·拉扎列维奇·金茨堡(Vitaly LazarevichGinzburg) 和列夫·达维多维奇·朗道(Lev Davidovich Landau)在1950年得到的，他们基于朗道的二级相变理论，将伦敦理论进行了一个辉煌的扩展，他们想到了用有序参量，来描述超导电子密度的某种有序化，这个有序参量就是超导电子在某处的波函数，随着位置不同，波函数也不同，这就是该理论与之前其它理论最大的区别。简单来说，之前的伦敦理论认为电子密度只与温度有关。而G-L理论将电子密度从一个常数变成了一个变量，这个变量与温度、磁场、位置都有关。
G-L理论虽然也是一种唯象的理解，但是，G－L方程与薛定谔方程形式上的一致性表明，超导体具有类似于微观现象中的量子效应—即宏观量子效应。后来，Alexi Abrikosov利用该理论提出了量子磁通点阵的理论，进而提出了第一类和第二类超导体的概念，对复杂的第二类超导体给出了简单而准确的量子力学的描述，为超导强电应用奠定了基础。
到此时，人们对于超导的理解仅仅停留在现象上，至于微观层面上的发生了什么，并没有完美的解释。究竟是什么样的微观机制，使其具有各种神奇的性质呢？
这个问题要由约翰·巴丁(John Bardeen)、利昂·库珀(Leon Cooper)和罗伯特·施里佛（Robert Schrieffer）三人来解释，1957年，他们的BCS理论在超导研究历史上留下了漂亮的一笔。
当然，BCS理论的提出并非空中楼阁，在它之前，人们观察到了很多有价值的实验现象。
第一，超导相变前后材料的晶格点阵及振动谱不变，也就是说，超导相变是电子态相变，与晶体点阵结构和振动关系未知。
第二，比热实验给出超导态电子的比热随温度变化规律显示，超导态存在能隙。当频率为n 的电磁波照射到超导体上时，由于超导能隙Eg的存在，只有当照射频率满足式 hn≥Eg时，激发过程才会发生。
第三，实验发现，某些超导体不同同位素的超导临界温度 Tc与同位素质量有关，这种同位素效应揭示了晶格点阵对于超导态到正常态的传导电子行为有重要影响，超导可能是电子－声子相互作用的结果。
这三条性质能告诉我们什么呢？首先，根据超导能隙的存在，发生超导转变是由于超导电子凝聚到个能隙以下，体系能量降低，而一般人们认为，电子之间存在库仑排斥作用，不能导致体系能量的降低。也就是说，能隙的存在表示电子间有一种相互吸引作用。
那么电子间是如何相互吸引的？结合上述的第一、第三实验现象，BCS理论认为，动量相等方向相反的“电子”，通过交换虚声子相互吸引而形成自旋单态配对。配对“电子”避免了Pauli不相容原理的限制，从而在某一特征温度下凝聚到单一量子态。电子—声子相互作用把两个电子耦合成一对，就好象两个电子之间有相互吸引作用一样，这样耦合而成的电子对束缚态叫做Cooper对。
BCS理论成功地解释了传统金属和合金的超导电性。McMillan在此基础上甚至认为超导临界温度大约不会高于40K，以至于后来发现的高于40K的超导体也被称为“高温超导体”。
时间到了1960年和1962年，两个年轻人分别发现了单电子和Cooper对的隧道效应，这类似于量子力学里的“崂山道士穿墙”[3]，是对超导理论的一个重要补充。
1962年，英国物理学家布赖恩·约瑟夫森(Brain Josephson)还是一个研究生，便在理论上预言了超导隧道效应的存在，他所说的超导隧道效应就是指，两个超导体，如果中间被一个正常的绝缘体隔开，两个超导体之间的波函数仍然可以有交叠，他还对于“超导体－势垒－超导体”这样的三明治情况进行了认真的计算，得出了一系列难以想象的结果：
由于超导体中的库珀对的隧道效应，即使绝缘的结两端不加电压，结中也可存在超导电流，这就是超导体具有宏观量子特性的重要表现；而在结两端的直流电压V≠0的情况下，通过结的电流是一个交变的振荡超导电流，振荡频率（称约瑟夫森频率）与电压成正比。不久，Josephson效应为,P.W.安德森（P·W· Andetson）和J.M.罗厄耳（J.M.Rowell）的实验观测所证实。Josephson效应为我们现在很多的弱电方面应用打下了基础，现在我们很多应用都与它密切相连。
可是，超导现象一直好像只能属于30K以下的低温，特别是BCS理论也给出了40K超导临界温度的估计，似乎想提高超导温度有些遥不可及。
但是，1986年瑞士的J. Georg Bednorz 和 K. Alex Müller ，在Zeitschrifl fur Physik B发表了一篇文章，提出 “La2-xBaxCuO4 可能是临界温度Tc >30K的超导体”。这个发现冲破了此前保持了十多年的23K的超导临界温度记录，引起全世界震惊，揭开了席卷全球的高温超导热潮。铜氧化合物高温超导体的研究经过各个国家科学家努力很快达到90K的临界温度，这不仅超过了BCS理论所预言的40 K 的Tc上限，更重要的是，它扩大了超导理论的应用范围，将超导的应用扩展到了液氮温区。
高温超导的第二个热潮就是铁基超导体的发现。2008年日本化学家细野（Hosono）小组报道LaFeAsO体系有26K的超导电性。传统上认为铁对超导是不利，所以26K的铁基超导是非常重大的突破。以赵忠贤院士为首的中国科学家敏感地意识到，LaOFeAs不是孤立的，26K的转变温度也大有提升空间，类似结构的铁砷化合物中很可能存在系列高温超导体。
很快中国科学家们突破传统超导理论的McMillan 极限，并发现临界温度可以高达 55 K的系列铁基超导体（2008年3月，中科大陈仙辉研究组和物理所王楠林研究组同时独立在掺F的SmOFeAs和CeOFeAs中观测到了43K和41K的超导转变温度，突破了麦克米兰极限，从而证明了铁基超导体是高温超导体。
2008年3月28日，中国科学院物理研究所赵忠贤领导的科研小组利用轻稀土元素替代和高温高压的合成方案，报告了氟掺杂镨氧铁砷化合物的高温超导临界温度可达52 K。4月13日该科研小组又创造了氟掺杂钐氧铁砷化合物超导临界温度进一步提升至55 K的记录）。
铁基超导体的发现，掀起了高温超导研究的第二个热潮。它同样对传统BCS超导理论提出挑战，铁基超导体不仅有丰富的物理内涵并有重要的应用价值。在这次热潮里，中国科学家走在了国际超导研究的前沿。
可是，高温超导材料的超导机理是什么呢？传统材料能不能获得更高的临界温度？甚至传说中的室温超导能否实现？这些激动人心的课题还会吸引着科学家的目光，继续人类的探索。
注释：
[1] 理想导体是电阻为0即电导率为无穷大的物质，是一个与理想介质相对应的概念，在实际中并不存在。
[2] 唯象理论（phenomenology），是物理学中解释物理现象时，不用其内在原因，而是用概括试验事实而得到的物理规律。唯象理论是试验现象的概括和提炼，没有深入解释的作用。
[3] 在量子力学里，低能量粒子有一定几率穿过高能势垒，形象地说，很像崂山道士直接穿墙而过。
（感谢中国科大李晓光教授、中科院物理所郑东宁研究员对本文成文的帮助）
谁能介绍“超导磁流体推进器”及其发展水平，发展方向，未来作用和对海战模式的影响？
（以下是笔者和万小笠博士的采访录）
笔者问：万博士，请问什么是“超导磁流体推进器潜艇”？它和一般常规潜艇、核潜艇有什么本质上的区别？
答：所谓的“磁流体推进器”就是贯通海水的通道内建有一个磁场，这个磁场能对导电的海水产生电磁力作用，使之在通道内运动，若运动方向指向船艉，则反作用力便会推动船舶前进。
与传统机械转动类推进器（譬如螺旋桨、水泵喷水推进器等）相比较，磁流体推进器的不同点在于：前者使用机械动力作为推力而后者使用电磁力。正因为如此，磁流体推进器无须配备螺旋桨桨叶、齿轮传动机构和轴泵等，是一个完全静止的设备。一旦现代潜艇使用了这种推进器，便从根本上消除了因机械转动而产生的振动、噪音以及功率限制，而能在几乎绝对安静的状态下以极高的航速航行。据理论计算其航速可达150节，而这是任何机械转动类推进器不可能实现的。
笔者问：那是不是现有的任何舰艇都无法追踪和探测“磁流体推进器潜艇”？
答：是的，按目前来说或者是不远的将来，没有任何一种舰艇能有效的对付它，可以这么说；目前还没有抗衡的武器和办法。当然，时代是前进的，有矛必有盾，这是客观规律不可抗拒的。 笔者问：万博士，能谈谈“磁流体推进器潜艇”形体和内置设备以及分布状况？
答：可以，这种磁流体推进器潜艇是内置式，六连环螺旋直流体推进器为装置，将部分参照俄罗斯K级（“基洛”877-636）型艇，以及美国的“弗吉尼亚”级核潜艇，还有法国“红宝石”核潜艇的各方面的特点，在此基础上也凝聚中国的设计人员的智慧和力量，所以说；它是世界上最先进、最前卫、最具有战斗力的未来潜艇.
指挥台围壳采用矩形的双轴线结构，两侧及围壳、舵内壳采用最新的高强度塑钢，它的承受力比目前的潜艇钢高出三倍以上，从理论上说，最深深度可达800―1000米。当然这只是处于实验阶段。外壳敷设无缝绝缘吸声材料。
内部设置也基本参照“弗吉尼亚”级滴水型攻击艇。试验艇内壁有武备舱、指挥舱、电池舱、发电机舱、操纵舱和磁流体推进器舱。另外装有一个球型声纳基阵，艏舱布置六具潜艇垂直发射筒，是作为战略武器的一部分。四具鱼雷发射管向两舷外偏与轴线成10？夹角，以增加发射扇面并有利于发射后的规避。
该艇可以发射鱼雷、反舰导弹、潜对空导弹、水雷之外，还可以操作无人小型潜艇（可遥控回收）进行侦察、反潜艇、干扰敌舰通讯等作战功能。也可配备一艘六人的小型的可操作型潜艇，进行深入敌后，完成一些潜艇所无法完成的任务。
指挥舱：配备最新型光电桅杆使潜望镜发生了巨大变化，同时操作灵活，无须上浮便可取得作息处理和作战决策，舱内有大型显示屏、作战系统、操艇系统。主要包括；光电桅杆、电子战桅杆、数据高速传输桅杆及特种任务桅杆。
居住舱：为提高航行速率，增大自持力，设计宽敞、舒适的居住舱，共80个双层铺位，40个临时铺位。
蓄电池舱：作为备用能源，磁流体推进器仍须装备一定数量的蓄电池，该舱靠近艇的中部指挥舱下层空间。
核反应堆舱：要求输出功率高，安静性能好，持久力长的特点。我们将考虑使用热离子反应堆，它能转换电能，简化舱内结构，热离子反应堆不会产生高温、高压、而且节约材料和能源。
发电机舱：该舱设置在核反应堆舱之后。装2台给磁流体推进器供电的主发电机和2台供设备及照明用的辅助发电机；在机舱后部设有消音器、甲板下设燃料油、润滑油箱、冷却海水泵以及压载水舱。
操控舱与磁流体推进器舱：操控舱内主要装有液氦制冷装置，推进器的直接或备用操纵装置，测量仪表台、柜等。在磁流体推进器舱内，安装1台六连环直流螺旋型超导磁流体推进器。磁流体通道前后端分别设有海水吸人导流管和喷出导流管，吸人口呈卵圆形在艇体外壳上“开凿”，喷管出口则穿出艇尾壳体。
笔者问：最后请教一个问题，磁流体推进器潜艇的航行状态以及它的威胁作用是什么？
答：在强大的电磁力作用下，海水旋转着向后高速运动，再经出口导流器变为平行水流后通过喷口向艇尾喷射，推动潜艇前进。由于6个螺旋型磁流体推进器相互之间是独立的，因此任意改变其中某几个推进器的推力大小，即可改变潜艇航行状态、实现左转、右转、上浮、下沉等运动姿态。
在使用中，首升降舵主要用于产生正、负升力，改变或稳定航行深度；而尾升降舵用于产生纵倾或保持已有的纵倾角。有的潜艇没有首升降舵，而改设指挥台围壳水平舵。其缘故是围壳舵比首升降舵能更好地在各方向上保持潜艇良好稳定性。为了使潜艇航行稳定，一般潜艇艇尾还设有垂直稳定翼和水平稳定翼。
目前，潜艇在概念试验阶段还存在操纵性上有不安全因素，譬如高速航行时，会产生急剧增减航速或突然改变航向、深度，极易出现纵、横摇摆及埋首现象。而发生卡舵时，潜艇则会很快超深下沉。为了从根本上解决操纵性问题，我们打算将磁流体推进器与舵设备同时装设在潜艇上，当潜艇静止或低速航行时，采用喷水推力操纵，而高速航行时则将舵设备与推进器混合使用，可最大限度的消除舵设备的惯性作用，保持稳定运动。同时，自动化的操纵控制技术还将使操艇人员能够象驾驶飞机一样操纵潜艇。
说到威胁力，磁流体推进潜艇对于2l世纪的潜艇设计师和建造师来说，具有极大的吸引力。因为这种全新的推进方式将使潜艇在战术、技术性能上发生质的飞跃。只要艇员的身体素质和艇内的生活用品允许，磁流体潜艇将拥有无限的续航力和自持力；只要艇体强度承受得住，又可在任意深度航行；更为重要的是，这种潜艇具有空前的的安静性和水下高速航行、高速机动能力，成为真正意义上的潜艇，只要目标在攻击范围之内，那么任何猎物都难逃脱“它”的手掌。
我现在手头上有一份国外舰艇专家的报告： 专家预测，到本世纪三十年代，磁流体推进装置将在潜艇得到实际应用。从时间和科研基础上讲，中国如果能够继续加大发展超导磁流体技术，则有可能比美国领先10～20年，在“磁流体推进器”研究方面，中国的实验及研究成果显然比世界上的其它国家领先了一大步，中国有可能成为明天的海上霸主。这种概念试验艇如果变为现实，那么世界的海洋将成为中国的海洋。
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