第三章-超導(dǎo)材料

1、2021/8/141超超 導(dǎo)導(dǎo) 材材 料料第三章第三章2021/8/1422021/8/1433-1 超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)荷蘭物理學(xué)家荷蘭物理學(xué)家 Kammerlingh Onnes（ 1853-1926）1895：空氣被液化：空氣被液化 -192 （81K）1898：氫氣被液化：氫氣被液化 -253 （20K）1908：氦氣被液化：氦氣被液化 -268.9 （4.25K ）“絕對(duì)零度先生絕對(duì)零度先生”極低溫下電阻的可能變化極低溫下電阻的可能變化2021/8/144“Mercury has passed into a new state，which on account of its

2、extraordinary electrical properties may be called the superconductive state.”水銀電阻隨溫度的變化水銀電阻隨溫度的變化Hg在在4.2K時(shí)，電阻完全消失！時(shí)，電阻完全消失！2021/8/145超導(dǎo)電性超導(dǎo)電性：低溫下失去電阻的性質(zhì)；：低溫下失去電阻的性質(zhì)；超導(dǎo)體超導(dǎo)體：具有超導(dǎo)電性的物質(zhì)。：具有超導(dǎo)電性的物質(zhì)。臨界溫度（臨界溫度（Tc）：電阻消失時(shí)的溫度，即從正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)時(shí)的溫度；：電阻消失時(shí)的溫度，即從正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)時(shí)的溫度；超導(dǎo)態(tài)超導(dǎo)態(tài)：超導(dǎo)體在超低溫下電阻為零的狀態(tài)；：超導(dǎo)體在超低溫下電阻為零的狀態(tài)；正常

3、態(tài)正常態(tài)：當(dāng)溫度較高，電阻不為零的狀態(tài)。：當(dāng)溫度較高，電阻不為零的狀態(tài)。幾個(gè)概念：幾個(gè)概念：2021/8/1461986年：年： LaBaCuO（銅氧化物超導(dǎo)體）；（銅氧化物超導(dǎo)體）； Tc達(dá)達(dá)35K；3-2 超導(dǎo)材料的發(fā)展歷史超導(dǎo)材料的發(fā)展歷史超導(dǎo)體發(fā)展簡(jiǎn)史超導(dǎo)體發(fā)展簡(jiǎn)史液氫溫度（液氫溫度（20K）液氮溫度（液氮溫度（77K）1987年：年： YBaCuO； Tc為為92K，進(jìn)入液氮溫區(qū)；，進(jìn)入液氮溫區(qū)；1993年：年： HgBaCaCuO； Tc為為135K（高壓下（高壓下163K）；）；2021/8/147l 鐵基超導(dǎo)體鐵基超導(dǎo)體 LaO1-xFxFeAs：26K； SmO1-xFxFe

4、As：43K； PrO1-xFxFeAs：52K 新型超導(dǎo)體新型超導(dǎo)體1. 電荷轉(zhuǎn)移復(fù)合物：最高電荷轉(zhuǎn)移復(fù)合物：最高Tc為為12.5K；l 有機(jī)超導(dǎo)體有機(jī)超導(dǎo)體l MgB2 40K 2. 摻雜摻雜C60：鉀摻雜：鉀摻雜18K；銣摻雜；銣摻雜 28K；銫銣摻雜；銫銣摻雜 33K； 氯仿和溴仿結(jié)合氯仿和溴仿結(jié)合C60 117K； 4. 摻雜了鉀和銣的菲：摻雜了鉀和銣的菲：5K 3. 氧化聚丙烯：氧化聚丙烯：300K 700K；2021/8/1483-3 超導(dǎo)體的兩個(gè)基本電磁特性超導(dǎo)體的兩個(gè)基本電磁特性電流在超導(dǎo)體中一旦形成，便能經(jīng)久不衰的持續(xù)下去，而無(wú)需電場(chǎng)的作用。電流在超導(dǎo)體中一旦形成，便能經(jīng)久

5、不衰的持續(xù)下去，而無(wú)需電場(chǎng)的作用。Perfect conductoryrs10dtdII05電阻電阻溫度溫度sTMT0TsT：起始轉(zhuǎn)變溫度：起始轉(zhuǎn)變溫度MT：中點(diǎn)溫度：中點(diǎn)溫度0T：零電阻溫度：零電阻溫度零電阻效應(yīng)零電阻效應(yīng)2021/8/1492. 完全抗磁性（邁斯納效應(yīng)）完全抗磁性（邁斯納效應(yīng)）l 當(dāng)超導(dǎo)體處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)，若周圍存在著磁場(chǎng)當(dāng)超導(dǎo)體處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)，若周圍存在著磁場(chǎng)H，在超導(dǎo)體表面會(huì)感生出屏蔽電流，在超導(dǎo)體表面會(huì)感生出屏蔽電流， 從而產(chǎn)生一個(gè)恰好能抵消外磁場(chǎng)的附加磁場(chǎng)，使外磁場(chǎng)完全不能進(jìn)入超導(dǎo)體內(nèi)部，從而產(chǎn)生一個(gè)恰好能抵消外磁場(chǎng)的附加磁場(chǎng)，使外磁場(chǎng)完全不能進(jìn)入超導(dǎo)體內(nèi)部， 這種完全抗

6、磁性又稱這種完全抗磁性又稱邁斯納效應(yīng)邁斯納效應(yīng)。H Ha asl 邁斯納效應(yīng)邁斯納效應(yīng)和和零電阻現(xiàn)象零電阻現(xiàn)象是實(shí)驗(yàn)上判定一個(gè)材料是否為超導(dǎo)體的兩大要素。是實(shí)驗(yàn)上判定一個(gè)材料是否為超導(dǎo)體的兩大要素。 B=0l 超導(dǎo)體的定義：具有在一定的低溫下呈現(xiàn)出電阻等于零及排斥磁力線性質(zhì)的材料。超導(dǎo)體的定義：具有在一定的低溫下呈現(xiàn)出電阻等于零及排斥磁力線性質(zhì)的材料。2021/8/14102.1 穿透深度穿透深度 B0 eB0穿透深度約為穿透深度約為10-5 10-6 cm。l 在外磁場(chǎng)中的超導(dǎo)體，從體外到超導(dǎo)體內(nèi)，磁感應(yīng)強(qiáng)度不會(huì)突然降為零，而是在外磁場(chǎng)中的超導(dǎo)體，從體外到超導(dǎo)體內(nèi)，磁感應(yīng)強(qiáng)度不會(huì)突然降為零，

7、而是 逐漸減小為零逐漸減小為零：XOB x-expBxB0l 磁場(chǎng)強(qiáng)度降為磁場(chǎng)強(qiáng)度降為B0/e處距離超導(dǎo)體表面距離，稱為處距離超導(dǎo)體表面距離，稱為穿透深度穿透深度，通常用，通常用 表示；表示；在在X 區(qū)間：認(rèn)為磁感應(yīng)強(qiáng)度衰減到零；在區(qū)間：認(rèn)為磁感應(yīng)強(qiáng)度衰減到零；在0 X 區(qū)域，磁力線不能穿過(guò)，因此電流不能由區(qū)域，磁力線不能穿過(guò)，因此電流不能由 超導(dǎo)體內(nèi)通過(guò)，超導(dǎo)體內(nèi)通過(guò)，只能在表面穿透深度只能在表面穿透深度 的范圍內(nèi)的范圍內(nèi)流動(dòng)流動(dòng)；l 對(duì)于塊材：對(duì)于塊材：穿透深度遠(yuǎn)小于樣品的尺寸，穿透深度遠(yuǎn)小于樣品的尺寸，可以忽略磁通的穿透，看成是完全可以忽略磁通的穿透，看成是完全 抗磁性的；抗磁性的；l

8、穿透深度又定義為：超導(dǎo)體中電流流動(dòng)的表面層厚度。穿透深度又定義為：超導(dǎo)體中電流流動(dòng)的表面層厚度。l 對(duì)于粉末或者薄膜：對(duì)于粉末或者薄膜：磁通量的穿透變得非常重要，樣品內(nèi)有明顯的磁通密度磁通量的穿透變得非常重要，樣品內(nèi)有明顯的磁通密度 分布，需要單獨(dú)進(jìn)行研究。分布，需要單獨(dú)進(jìn)行研究。元素元素InSaHgPbTlCdAl 0 （ cm 10-6 ）6.45.13.8- 4.63.99.213.05.02021/8/14121）穿透深度緊密的依賴于）穿透深度緊密的依賴于溫度溫度的變化：的變化：Sn的穿透深度隨溫度的變化的穿透深度隨溫度的變化l 影響穿透深度的因素影響穿透深度的因素溫度遠(yuǎn)低于溫度遠(yuǎn)低于

9、Tc： 幾乎與幾乎與溫度無(wú)關(guān)，不同材料具有不用溫度無(wú)關(guān)，不同材料具有不用 0值；值；溫度高于溫度高于0.8Tc：穿透深度：穿透深度 迅速增加；迅速增加；溫度接近溫度接近Tc：穿透深度：穿透深度 趨于無(wú)窮大。趨于無(wú)窮大。2021/8/1413穿透深度穿透深度 隨溫度隨溫度T的變化，常用如下的經(jīng)驗(yàn)公式：的變化，常用如下的經(jīng)驗(yàn)公式：2140t -1）（ 0：材料在絕對(duì)零度時(shí)的穿透深度；：材料在絕對(duì)零度時(shí)的穿透深度；t：溫度：溫度T與臨界溫度與臨界溫度Tc的比值，即的比值，即 。cTTt 2）穿透深度）穿透深度 還與還與材料的純度材料的純度及及外加磁場(chǎng)外加磁場(chǎng)有關(guān)：超導(dǎo)體的非局域理論。有關(guān)：超導(dǎo)體的非

10、局域理論。2021/8/1414磁懸浮磁懸浮NSfmg2.2 邁斯納效應(yīng)的應(yīng)用邁斯納效應(yīng)的應(yīng)用省能源、低噪音、高時(shí)速；省能源、低噪音、高時(shí)速；1999年，日本研制的超導(dǎo)磁懸浮列車年，日本研制的超導(dǎo)磁懸浮列車時(shí)速已達(dá)時(shí)速已達(dá)552公里公里，創(chuàng)世界鐵路時(shí)速最，創(chuàng)世界鐵路時(shí)速最高記錄。高記錄。2021/8/14151. 臨界溫度臨界溫度Tc3-4 超導(dǎo)的三個(gè)臨界條件超導(dǎo)的三個(gè)臨界條件l 超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc，超導(dǎo)體，超導(dǎo)體最重要的參數(shù)之一最重要的參數(shù)之一，提高，提高Tc是超導(dǎo)研究最主要的目標(biāo)；是超導(dǎo)研究最主要的目標(biāo)；l 常用的超導(dǎo)體常用的超導(dǎo)體Tc的測(cè)量方法：的測(cè)量方法： 1）測(cè)量電阻（）測(cè)

11、量電阻（R）隨溫度（）隨溫度（T）的變化：）的變化：R-T曲線；曲線； 2）測(cè)量磁化率（）測(cè)量磁化率（x）隨溫度（）隨溫度（T）的變化：）的變化：x-T曲線；曲線；l 加壓可以提高超導(dǎo)體的臨界溫度：加壓可以提高超導(dǎo)體的臨界溫度： HgBaCaCuO的的 Tc為為135K，加壓后變?yōu)椋訅汉笞優(yōu)?63K。零電阻效應(yīng)零電阻效應(yīng)邁斯納效應(yīng)邁斯納效應(yīng)2021/8/14162. 臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度Hcl 在小于在小于Tc的一定溫度下，外加磁場(chǎng)強(qiáng)度大于某一特定值的一定溫度下，外加磁場(chǎng)強(qiáng)度大于某一特定值Hc時(shí)，超導(dǎo)體的時(shí)，超導(dǎo)體的 超導(dǎo)態(tài)被破壞，轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)，超導(dǎo)態(tài)被破壞，轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)，Hc被稱為被稱

12、為臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度。l 臨界磁場(chǎng)是溫度的函數(shù)，記為臨界磁場(chǎng)是溫度的函數(shù)，記為Hc（T） ；不同的超導(dǎo)體，它們的不同的超導(dǎo)體，它們的Hc（T）曲線曲線盡管有差異，但都非常相似：盡管有差異，但都非常相似：T=0K：Hc最大；最大；T=Tc：Hc=0;0 T Tc：Hc（T）隨溫度升高而減小。隨溫度升高而減小。2021/8/14172-10CCCTT）（H（T）HHc(0)：0K時(shí)的臨界磁場(chǎng)，超導(dǎo)體任何溫度下的臨界磁場(chǎng)可以由時(shí)的臨界磁場(chǎng)，超導(dǎo)體任何溫度下的臨界磁場(chǎng)可以由Hc(0)和和Tc確定。確定。Hc（T）曲線都可以近似的表示為：曲線都可以近似的表示為： （1特斯拉特斯拉=104奧斯特奧斯

13、特) 元素元素PbInAlZnCdHc(0),(Oe)8032939952302021/8/1418l 超導(dǎo)體的相圖超導(dǎo)體的相圖l 臨界溫度臨界溫度Tc和臨界磁場(chǎng)和臨界磁場(chǎng)Hc是超導(dǎo)體的是超導(dǎo)體的本征參數(shù)本征參數(shù)，只跟材料的只跟材料的電子結(jié)構(gòu)電子結(jié)構(gòu)有關(guān)。有關(guān)。超導(dǎo)態(tài)超導(dǎo)態(tài)正常態(tài)正常態(tài)2021/8/1419l 超導(dǎo)體分為兩類：超導(dǎo)體分為兩類：第一類超導(dǎo)體和第二類超導(dǎo)體；第一類超導(dǎo)體和第二類超導(dǎo)體；第一類超導(dǎo)體（軟超導(dǎo)體）：第一類超導(dǎo)體（軟超導(dǎo)體）：只有只有一個(gè)臨界磁場(chǎng)一個(gè)臨界磁場(chǎng)Hc，除鈮、釩、锝以外的元素超導(dǎo)體，主要用于固體物理和超導(dǎo)理論研究。除鈮、釩、锝以外的元素超導(dǎo)體，主要用于固體物理和

14、超導(dǎo)理論研究。第二類超導(dǎo)體（硬超導(dǎo)體）：第二類超導(dǎo)體（硬超導(dǎo)體）：存在存在兩個(gè)臨界磁場(chǎng)兩個(gè)臨界磁場(chǎng)，下臨界磁場(chǎng)，下臨界磁場(chǎng)Hc1和上臨界磁場(chǎng)和上臨界磁場(chǎng)Hc2， 鈮、釩、锝及合金、化合物和高溫超導(dǎo)體，具有實(shí)用價(jià)值。鈮、釩、锝及合金、化合物和高溫超導(dǎo)體，具有實(shí)用價(jià)值。 H Hc1：第二類超導(dǎo)體也表現(xiàn)出完全抗磁性；第二類超導(dǎo)體也表現(xiàn)出完全抗磁性；Superconductor2021/8/1420 Hc1 H Hc2：l 隨著外磁場(chǎng)的增加，圓柱形正常區(qū)的面積并不擴(kuò)大，只是數(shù)目增加，即貫穿隨著外磁場(chǎng)的增加，圓柱形正常區(qū)的面積并不擴(kuò)大，只是數(shù)目增加，即貫穿 的磁力線數(shù)增加。的磁力線數(shù)增加。l 處于混合態(tài)

15、的第二類超導(dǎo)體處于混合態(tài)的第二類超導(dǎo)體仍具有抗磁性仍具有抗磁性（不完全），電阻仍為零；（不完全），電阻仍為零；Superconductor進(jìn)入超導(dǎo)體的磁力線數(shù)增多到使進(jìn)入超導(dǎo)體的磁力線數(shù)增多到使圓柱形區(qū)域彼此接觸，超導(dǎo)區(qū)消失圓柱形區(qū)域彼此接觸，超導(dǎo)區(qū)消失，材料轉(zhuǎn)變，材料轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)。為正常態(tài)。2021/8/1422THTc超導(dǎo)體超導(dǎo)體正常金屬正常金屬混合態(tài)混合態(tài)Hc2Hc1Hc1 下臨界磁場(chǎng)：超導(dǎo)體內(nèi)出現(xiàn)第一根磁通線時(shí)的外加磁場(chǎng)的大??；下臨界磁場(chǎng)：超導(dǎo)體內(nèi)出現(xiàn)第一根磁通線時(shí)的外加磁場(chǎng)的大?。籋c2 上臨界磁場(chǎng)：超導(dǎo)體完全變?yōu)檎B(tài)時(shí)的外加磁場(chǎng)的大小。上臨界磁場(chǎng)：超導(dǎo)體完全變?yōu)檎B(tài)時(shí)的外加磁場(chǎng)

16、的大小。第二類超導(dǎo)體相圖第二類超導(dǎo)體相圖2 , 1-102iTT）（H（T）HCCCii2021/8/14233. 臨界電流密度臨界電流密度Jcl 處于超導(dǎo)態(tài)的超導(dǎo)體，通過(guò)其中的電流超過(guò)一定值處于超導(dǎo)態(tài)的超導(dǎo)體，通過(guò)其中的電流超過(guò)一定值Ic時(shí)，超導(dǎo)態(tài)將被破壞，時(shí)，超導(dǎo)態(tài)將被破壞， 變成具有電阻的正常導(dǎo)體，這一定值變成具有電阻的正常導(dǎo)體，這一定值Ic就稱為超導(dǎo)體的就稱為超導(dǎo)體的臨界電流臨界電流。0HcIcl 西耳西耳斯斯比定則比定則：在無(wú)外加磁場(chǎng)時(shí)，臨界電流：在無(wú)外加磁場(chǎng)時(shí)，臨界電流Ic在超導(dǎo)體表面產(chǎn)生的磁場(chǎng)恰好等于在超導(dǎo)體表面產(chǎn)生的磁場(chǎng)恰好等于 臨界磁場(chǎng)臨界磁場(chǎng)Hc ；臨界電流密度臨界電流密度

17、Jc=臨界電流臨界電流Ic/超導(dǎo)體流通截面積。超導(dǎo)體流通截面積。第二類超導(dǎo)體不遵守西耳斯比定則第二類超導(dǎo)體不遵守西耳斯比定則。2021/8/1424l 第二類超導(dǎo)體的臨界電流是由于超導(dǎo)體內(nèi)第二類超導(dǎo)體的臨界電流是由于超導(dǎo)體內(nèi)作用在磁通線上的洛倫茲力超過(guò)了作用在磁通線上的洛倫茲力超過(guò)了 釘扎力釘扎力，磁通線開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，使樣品變成有阻的正常態(tài)。，磁通線開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，使樣品變成有阻的正常態(tài)。CurrentHIFLH1）第二類超導(dǎo)體中的洛倫茲力）第二類超導(dǎo)體中的洛倫茲力2021/8/1425l 第二類超導(dǎo)體的臨界電流是由于超導(dǎo)體內(nèi)第二類超導(dǎo)體的臨界電流是由于超導(dǎo)體內(nèi)作用在磁通線上的洛倫茲力超過(guò)了作用在磁通線

18、上的洛倫茲力超過(guò)了 釘扎力釘扎力，磁通線開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，使樣品變成有阻的正常態(tài)。，磁通線開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，使樣品變成有阻的正常態(tài)。CurrentH1）第二類超導(dǎo)體中的洛倫茲力）第二類超導(dǎo)體中的洛倫茲力2021/8/1426l 第二類超導(dǎo)體的臨界電流是由于超導(dǎo)體內(nèi)第二類超導(dǎo)體的臨界電流是由于超導(dǎo)體內(nèi)作用在磁通線上的洛倫茲力超過(guò)了作用在磁通線上的洛倫茲力超過(guò)了 釘扎力釘扎力，磁通線開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，使樣品變成有阻的正常態(tài)。，磁通線開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，使樣品變成有阻的正常態(tài)。CurrentH1）第二類超導(dǎo)體中的洛倫茲力）第二類超導(dǎo)體中的洛倫茲力2021/8/1427 2）第二類超導(dǎo)體中的釘扎作用）第二類超導(dǎo)體中的釘扎作用 l 釘扎

19、作用可以有效的提高臨界電流密度釘扎作用可以有效的提高臨界電流密度Jc，在第二類超導(dǎo)體中，在第二類超導(dǎo)體中產(chǎn)生晶格缺陷或產(chǎn)生晶格缺陷或 摻入雜質(zhì)摻入雜質(zhì)：l內(nèi)部存在缺陷的第二類超導(dǎo)體，稱為內(nèi)部存在缺陷的第二類超導(dǎo)體，稱為非理想的第二類超導(dǎo)體非理想的第二類超導(dǎo)體； 在非理想的第二類超導(dǎo)體中，在非理想的第二類超導(dǎo)體中，晶格缺陷或雜質(zhì)會(huì)阻礙磁力線運(yùn)動(dòng)的作用晶格缺陷或雜質(zhì)會(huì)阻礙磁力線運(yùn)動(dòng)的作用， 稱為稱為釘扎作用釘扎作用。 用各種粒子（中子或各種離子）輻照高溫超導(dǎo)體后，其用各種粒子（中子或各種離子）輻照高溫超導(dǎo)體后，其Jc可提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)；可提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)；工業(yè)生產(chǎn)的工業(yè)生產(chǎn)的NbTi線，臨界電流密度線

20、，臨界電流密度210-4 10-5A/cm2，一根沒(méi)有缺陷的，一根沒(méi)有缺陷的NbTi線，線， 臨界電流密度幾乎為零。臨界電流密度幾乎為零。2021/8/1428l 臨界電流常用測(cè)量方法：臨界電流常用測(cè)量方法：l 臨界電流是溫度和磁場(chǎng)的函數(shù)臨界電流是溫度和磁場(chǎng)的函數(shù)，談到材料的臨界電流時(shí)，必須指明磁場(chǎng)和溫度；，談到材料的臨界電流時(shí)，必須指明磁場(chǎng)和溫度； 對(duì)于第二類超導(dǎo)體，臨界電流對(duì)于第二類超導(dǎo)體，臨界電流與材料的顯微結(jié)構(gòu)有著密切關(guān)系與材料的顯微結(jié)構(gòu)有著密切關(guān)系。 1）增加通過(guò)超導(dǎo)體的電流，測(cè)量樣品的電阻，增加通過(guò)超導(dǎo)體的電流，測(cè)量樣品的電阻，電阻從零突變?yōu)橛邢拗禃r(shí)的電流電阻從零突變?yōu)橛邢拗禃r(shí)的電

21、流 即為臨界電流。即為臨界電流。2）增加通過(guò)超導(dǎo)體的電流，測(cè)量每厘米樣品長(zhǎng)度上的電壓，）增加通過(guò)超導(dǎo)體的電流，測(cè)量每厘米樣品長(zhǎng)度上的電壓，當(dāng)電壓為當(dāng)電壓為1 V時(shí)的時(shí)的 電流電流即為臨界電流。即為臨界電流。2021/8/1429超導(dǎo)態(tài)的臨界參數(shù)超導(dǎo)態(tài)的臨界參數(shù)l 臨界溫度臨界溫度、臨界磁場(chǎng)臨界磁場(chǎng)和和臨界電流密度臨界電流密度之間相互關(guān)聯(lián)；只有當(dāng)溫度、磁場(chǎng)和之間相互關(guān)聯(lián)；只有當(dāng)溫度、磁場(chǎng)和 電流都小于臨界值時(shí)，才能出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象；電流都小于臨界值時(shí)，才能出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象；l 實(shí)用超導(dǎo)材料，要求這三個(gè)參數(shù)越高越好。實(shí)用超導(dǎo)材料，要求這三個(gè)參數(shù)越高越好。2021/8/14303-5 超導(dǎo)體的超導(dǎo)體的BCS

22、理論理論巴丁巴丁(Bardeen)庫(kù)庫(kù)珀珀(Cooper)施瑞弗（施瑞弗（Schrieffer）1957年，美國(guó)物理學(xué)家巴丁、庫(kù)珀和施瑞弗提出了超導(dǎo)的微觀理論：年，美國(guó)物理學(xué)家巴丁、庫(kù)珀和施瑞弗提出了超導(dǎo)的微觀理論：BCS理論理論；三人獲得三人獲得1972年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。2021/8/1431 1）超導(dǎo)相變前后超導(dǎo)相變前后晶體結(jié)構(gòu)不變晶體結(jié)構(gòu)不變- 超導(dǎo)相變是超導(dǎo)相變是電子態(tài)相變電子態(tài)相變超導(dǎo)相變不影響晶格點(diǎn)陣的結(jié)構(gòu)和晶格振動(dòng)，超導(dǎo)相變不影響晶格點(diǎn)陣的結(jié)構(gòu)和晶格振動(dòng)，超導(dǎo)體發(fā)生正常態(tài)超導(dǎo)體發(fā)生正常態(tài) 超導(dǎo)態(tài)相變前后，超導(dǎo)態(tài)相變前后，晶格結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化晶格結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化。1.

23、 建立建立BCS理論的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)理論的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)Tl2Ba2Ca2Cu3O10在在150K、13K的中子粉末衍射譜，的中子粉末衍射譜，Tc約為約為125K。但這并不表示超導(dǎo)相變與晶體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)和振動(dòng)無(wú)關(guān)但這并不表示超導(dǎo)相變與晶體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)和振動(dòng)無(wú)關(guān)!2021/8/14322） 電子比熱躍遷電子比熱躍遷 超導(dǎo)態(tài)存在能隙超導(dǎo)態(tài)存在能隙l 超導(dǎo)電子比熱的指數(shù)規(guī)律與存在能隙的單電子體系比熱很類似，超導(dǎo)電子比熱的指數(shù)規(guī)律與存在能隙的單電子體系比熱很類似， 揭示揭示超導(dǎo)態(tài)存在能隙超導(dǎo)態(tài)存在能隙，稱為，稱為超導(dǎo)能隙超導(dǎo)能隙，記作，記作。TK2/-EBgCe存在能隙的存在能隙的單電子體系：?jiǎn)坞娮芋w系：TCen正常態(tài)電

24、子：正常態(tài)電子：T/T764. 1-escCe超導(dǎo)態(tài)電子：超導(dǎo)態(tài)電子：T=Tc時(shí)，電子比熱發(fā)生陡變時(shí)，電子比熱發(fā)生陡變l 一個(gè)電子從正常態(tài)進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)，能量降低了一個(gè)電子從正常態(tài)進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)，能量降低了，體系能量下降，體系能量下降，正常態(tài)正常態(tài)超導(dǎo)態(tài)超導(dǎo)態(tài)e說(shuō)明電子之間存在說(shuō)明電子之間存在相互吸引作用相互吸引作用。2021/8/1433l Hg等超導(dǎo)體的同位素的臨界溫度等超導(dǎo)體的同位素的臨界溫度Tc與與 同位素質(zhì)量同位素質(zhì)量M之間滿足：之間滿足：3） 同位素效應(yīng)同位素效應(yīng) MTcl 同位素效應(yīng)表明，晶格振動(dòng)對(duì)超導(dǎo)態(tài)電子的行為有重要影響，同位素效應(yīng)表明，晶格振動(dòng)對(duì)超導(dǎo)態(tài)電子的行為有重要影響， 電子電

25、子 聲子相互作用起決定性作用。聲子相互作用起決定性作用。金屬金屬PbHgSnTiCdZn0.480.010.500.030.470.020.500.100.500.100.450.01M-1/2：同位素效應(yīng)系數(shù)。：同位素效應(yīng)系數(shù)。l 同一種超導(dǎo)元素的各種同位素的臨界溫度同一種超導(dǎo)元素的各種同位素的臨界溫度 與同位素的原子質(zhì)量有關(guān)；與同位素的原子質(zhì)量有關(guān)；2021/8/14342. 電子對(duì)的形成電子對(duì)的形成l 電子電子-聲子相互作用把兩個(gè)電子耦合在一起形成聲子相互作用把兩個(gè)電子耦合在一起形成電子對(duì)電子對(duì)，這種耦合就像兩個(gè)，這種耦合就像兩個(gè) 電子之間相互吸引一樣，電子之間相互吸引一樣，電子電子-聲

26、子相互作用越強(qiáng)聲子相互作用越強(qiáng)，電子對(duì)間的吸引力就越大；，電子對(duì)間的吸引力就越大；+e1+e2+e1e2通過(guò)電子通過(guò)電子 聲子相互作用形成電子對(duì)聲子相互作用形成電子對(duì)l Cooper首先證明首先證明費(fèi)米面附近的電子費(fèi)米面附近的電子通過(guò)電通過(guò)電-聲相互作用結(jié)合成電子對(duì)，因此聲相互作用結(jié)合成電子對(duì)，因此 超導(dǎo)體中電子對(duì)也稱超導(dǎo)體中電子對(duì)也稱Cooper對(duì)對(duì)。2021/8/1435l 關(guān)于關(guān)于Cooper電子對(duì)的說(shuō)明：電子對(duì)的說(shuō)明：1）（）（p ，-p ）電子對(duì)：）電子對(duì)： 配對(duì)的電子配對(duì)的電子自旋相反自旋相反，且具有，且具有大小相等大小相等，方向相反的動(dòng)量方向相反的動(dòng)量。Cooper對(duì)對(duì)2）相干長(zhǎng)

27、度）相干長(zhǎng)度 兩個(gè)電子不會(huì)在相距過(guò)遠(yuǎn)的地方發(fā)生配對(duì)，這個(gè)距離的極限稱為兩個(gè)電子不會(huì)在相距過(guò)遠(yuǎn)的地方發(fā)生配對(duì)，這個(gè)距離的極限稱為相干長(zhǎng)度相干長(zhǎng)度； 純金屬的相干長(zhǎng)度為純金屬的相干長(zhǎng)度為1 mm的數(shù)量級(jí)；如在金屬中摻入雜質(zhì)，相干長(zhǎng)度變短。的數(shù)量級(jí)；如在金屬中摻入雜質(zhì)，相干長(zhǎng)度變短。2021/8/1436幾種物質(zhì)在幾種物質(zhì)在0K下的超導(dǎo)相干長(zhǎng)度下的超導(dǎo)相干長(zhǎng)度 2021/8/14373）超導(dǎo)電子對(duì)超導(dǎo)電子對(duì)不能互相獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)不能互相獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)，它們通過(guò)，它們通過(guò)動(dòng)量彼此關(guān)聯(lián)，成為有序的集體動(dòng)量彼此關(guān)聯(lián)，成為有序的集體； 因此超導(dǎo)電子對(duì)在運(yùn)動(dòng)時(shí)，不像正常電子那樣，會(huì)被晶體缺陷和聲子散射而因此超導(dǎo)電子對(duì)

28、在運(yùn)動(dòng)時(shí)，不像正常電子那樣，會(huì)被晶體缺陷和聲子散射而 產(chǎn)生電阻，呈現(xiàn)電阻消失的現(xiàn)象。產(chǎn)生電阻，呈現(xiàn)電阻消失的現(xiàn)象。4）超導(dǎo)電子對(duì)的束縛能為超導(dǎo)電子對(duì)的束縛能為2 ，這是破壞電子對(duì)所需的最小能量；溫度越高，這是破壞電子對(duì)所需的最小能量；溫度越高， 被破壞的電子對(duì)越多，被破壞的電子對(duì)越多，電子對(duì)被完全破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度即超導(dǎo)臨界溫度電子對(duì)被完全破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度即超導(dǎo)臨界溫度。Schrieffer將電子對(duì)的物理圖像和當(dāng)時(shí)流行的舞蹈將電子對(duì)的物理圖像和當(dāng)時(shí)流行的舞蹈Frug作了類比，在這種作了類比，在這種舞蹈中跳舞者在舞池中相互分離，中間隔了許多其它人，但是他們始終是一對(duì)舞蹈中跳舞者在舞池中相互分離，中

29、間隔了許多其它人，但是他們始終是一對(duì) 。2021/8/1438 3. BCS理論理論 超導(dǎo)電性源于固體中超導(dǎo)電性源于固體中電子的配對(duì)電子的配對(duì)；電子配對(duì)的相互作用源于電子配對(duì)的相互作用源于電子和晶格振動(dòng)間的相互作用電子和晶格振動(dòng)間的相互作用；配對(duì)發(fā)生在自選相反，總動(dòng)量為零的兩個(gè)電子之間。配對(duì)發(fā)生在自選相反，總動(dòng)量為零的兩個(gè)電子之間。l BCS理論預(yù)言，理論預(yù)言，超導(dǎo)臨界溫度的極限是超導(dǎo)臨界溫度的極限是30K； BCS理論不適用于高溫理論不適用于高溫 超導(dǎo)體和第二類超導(dǎo)體；超導(dǎo)體和第二類超導(dǎo)體；)(/ 1exp14. 1FDCEUNTl 隨著超導(dǎo)電性研究的深入和超導(dǎo)材料的發(fā)展，隨著超導(dǎo)電性研究的

30、深入和超導(dǎo)材料的發(fā)展，BCS理論表現(xiàn)出越來(lái)越理論表現(xiàn)出越來(lái)越 多的不足。多的不足。2021/8/1439 3-6 約瑟夫遜效應(yīng)約瑟夫遜效應(yīng)1. 單電子的量子隧道效應(yīng)：?jiǎn)坞娮拥牧孔铀淼佬?yīng)：由于微觀粒子具有粒子和波動(dòng)二象性，即使粒子的動(dòng)能小于勢(shì)壘高度由于微觀粒子具有粒子和波動(dòng)二象性，即使粒子的動(dòng)能小于勢(shì)壘高度V0，仍然有一定的機(jī)會(huì)貫穿勢(shì)壘到達(dá)另一側(cè)。仍然有一定的機(jī)會(huì)貫穿勢(shì)壘到達(dá)另一側(cè)。 2021/8/1440約瑟夫遜約瑟夫遜2. 電子對(duì)的隧道效應(yīng)電子對(duì)的隧道效應(yīng)當(dāng)兩塊超導(dǎo)體夾著當(dāng)兩塊超導(dǎo)體夾著一層很?。ㄒ粚雍鼙。? 3 nm）的絕緣層）的絕緣層時(shí)，超導(dǎo)電子對(duì)可以穿過(guò)時(shí)，超導(dǎo)電子對(duì)可以穿過(guò)中間的絕

31、緣層，出現(xiàn)電子對(duì)隧道效應(yīng)，稱為中間的絕緣層，出現(xiàn)電子對(duì)隧道效應(yīng)，稱為約瑟夫遜效應(yīng)約瑟夫遜效應(yīng)。2021/8/1441超導(dǎo)體超導(dǎo)體超導(dǎo)體超導(dǎo)體絕絕緣緣層層Ic電子對(duì)電子對(duì)約瑟夫遜（約瑟夫遜（SIS）結(jié)）結(jié)II Ic：SIS結(jié)超導(dǎo)態(tài)被破壞，結(jié)上出現(xiàn)有限的電壓。結(jié)超導(dǎo)態(tài)被破壞，結(jié)上出現(xiàn)有限的電壓。2021/8/14424. 約瑟夫遜效應(yīng)的應(yīng)用約瑟夫遜效應(yīng)的應(yīng)用l 最理想的約瑟夫遜結(jié)是最理想的約瑟夫遜結(jié)是SIS結(jié)，由于高溫超導(dǎo)體的結(jié)，由于高溫超導(dǎo)體的相干長(zhǎng)度太短相干長(zhǎng)度太短，要求中，要求中 間間絕緣層的厚度不能超過(guò)絕緣層的厚度不能超過(guò)2 nm，在制備技術(shù)上難以實(shí)現(xiàn)在制備技術(shù)上難以實(shí)現(xiàn)，因此到目前為，因

32、此到目前為 止，世界上還沒(méi)有做出止，世界上還沒(méi)有做出SIS結(jié)；結(jié)；超導(dǎo)體超導(dǎo)體超導(dǎo)體超導(dǎo)體絕絕緣緣層層SIS結(jié)結(jié)l 如果把中間的絕緣層換成金屬（如果把中間的絕緣層換成金屬（N）做成）做成SNS結(jié)結(jié)，電子對(duì)更容易隧穿，電子對(duì)更容易隧穿，金屬金屬 層可以做到幾十到幾百納米層可以做到幾十到幾百納米，現(xiàn)在實(shí)用的是，現(xiàn)在實(shí)用的是SNS結(jié)。結(jié)。SNS結(jié)結(jié)超導(dǎo)體超導(dǎo)體超導(dǎo)體超導(dǎo)體金金屬屬層層2021/8/1443l 弱磁探測(cè)弱磁探測(cè)心臟磁圖的測(cè)量心臟磁圖的測(cè)量超導(dǎo)磁力儀超導(dǎo)磁力儀 約瑟夫遜結(jié)可做成約瑟夫遜結(jié)可做成超導(dǎo)量子干涉器超導(dǎo)量子干涉器（SQUID），用于探測(cè)微弱磁場(chǎng)，靈敏度），用于探測(cè)微弱磁場(chǎng)，靈敏度

33、 達(dá)達(dá)10-11高斯高斯，可測(cè)地球磁場(chǎng)的十億分之一：，可測(cè)地球磁場(chǎng)的十億分之一： 軍事：軍事：可以發(fā)現(xiàn)深水潛艇可以發(fā)現(xiàn)深水潛艇 ；勘探：勘探：可找到有價(jià)值的礦床和弱磁性礦可找到有價(jià)值的礦床和弱磁性礦 ；醫(yī)學(xué)：醫(yī)學(xué)：人體心磁人體心磁(10-5 10-6 G)，腦磁（，腦磁（ 10-8 10-9 G ）等等都可以探測(cè)。）等等都可以探測(cè)。2021/8/1444超導(dǎo)芯片超導(dǎo)芯片l 超導(dǎo)計(jì)算機(jī)超導(dǎo)計(jì)算機(jī) 用一磁場(chǎng)可使約瑟夫遜結(jié)用一磁場(chǎng)可使約瑟夫遜結(jié)從零壓狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛袎籂顟B(tài)從零壓狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛袎籂顟B(tài)，約瑟夫遜結(jié)的這一，約瑟夫遜結(jié)的這一特性便可作成計(jì)算機(jī)的特性便可作成計(jì)算機(jī)的開(kāi)關(guān)元件開(kāi)關(guān)元件，開(kāi)關(guān)速度達(dá)，開(kāi)關(guān)

34、速度達(dá)10-12 秒，比半導(dǎo)體的開(kāi)關(guān)速秒，比半導(dǎo)體的開(kāi)關(guān)速度快度快100倍，而能耗比半導(dǎo)體元件約小倍，而能耗比半導(dǎo)體元件約小1000倍，為制造亞納秒電子計(jì)算機(jī)倍，為制造亞納秒電子計(jì)算機(jī)提供了途徑。提供了途徑。2021/8/1445 3-7 高溫超導(dǎo)材料高溫超導(dǎo)材料 高溫超導(dǎo)體（高溫超導(dǎo)體（High-temperature superconductor- HTS）：）： a superconductor with a Tc higher than the highest value expected from conventional BCS theory based on phonon-med

35、iated paring.2021/8/14461. 高溫超導(dǎo)材料的結(jié)構(gòu)高溫超導(dǎo)材料的結(jié)構(gòu)l 銅氧化物超導(dǎo)體具有相當(dāng)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)：銅氧化物超導(dǎo)體具有相當(dāng)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)：l 晶體缺陷濃度很高。晶體缺陷濃度很高。2021/8/14472. 高溫超導(dǎo)材料的特殊性質(zhì)高溫超導(dǎo)材料的特殊性質(zhì)l 載流子濃度較低載流子濃度較低，約，約1021/cm3；普通超導(dǎo)體約為；普通超導(dǎo)體約為1022/cm3；l 相干長(zhǎng)度特別短相干長(zhǎng)度特別短，約為，約為10-7cm；普通超導(dǎo)體的相干長(zhǎng)度約為；普通超導(dǎo)體的相干長(zhǎng)度約為10-4cm；l 弱同位素效應(yīng)弱同位素效應(yīng)，說(shuō)明電，說(shuō)明電-聲相互作用不再是主要作用。聲相互作用不再是主要作用。高溫超導(dǎo)體除具有零電阻效應(yīng)、邁斯納效應(yīng)、約瑟夫遜效應(yīng)外，還呈現(xiàn)出高溫超導(dǎo)體除具有零電阻效應(yīng)、邁斯納效應(yīng)、約瑟夫遜效應(yīng)外，還呈現(xiàn)出一些特殊性質(zhì)：一些特殊性質(zhì)：2021/8/14483. 高溫超導(dǎo)的機(jī)理研究高溫超導(dǎo)的機(jī)理研究l Anderson：非聲子效應(yīng)的：非聲子效應(yīng)的RVB模型模型l 激子機(jī)制激子機(jī)制l電子負(fù)電子負(fù)中心模型中心模型l 雙極化子模型雙極化子模型l 高溫超導(dǎo)現(xiàn)象仍是凝聚態(tài)物理中的一大未解之謎。高溫超導(dǎo)現(xiàn)象仍是凝聚態(tài)物理中的一大未解之謎。 2021/8/1449 3-8 超導(dǎo)材料的應(yīng)用超導(dǎo)材料的應(yīng)用超導(dǎo)材料的應(yīng)用大致可以分為三類：強(qiáng)電應(yīng)用（大電