第六章磁性和超導(dǎo)電性

1、浙江大學(xué)硅材料國家重點實驗室 黃靖云第六章磁性Magnesium of Solid超導(dǎo)電性Superconductivity浙江大學(xué)硅材料國家重點實驗室 黃靖云指南針 司馬遷史記描述黃帝作戰(zhàn)用1086年 宋朝沈括夢溪筆談指南針的制造方法等1119年 宋朝朱或萍洲可談磁石羅盤用于航海 記載最早著作De Magnete W.Gibert18世紀(jì) 奧斯特電流產(chǎn)生磁場19世紀(jì) 法拉弟效應(yīng)在磁場中運動導(dǎo)體產(chǎn)生電流 安培定律 電磁學(xué)基礎(chǔ) 電動機、發(fā)電機等開創(chuàng)現(xiàn)代電氣工業(yè)磁性材料及磁性的研究歷史浙江大學(xué)硅材料國家重點實驗室 黃靖云1907年 P.Weiss的磁疇和分子場假說1919年 巴克豪森效應(yīng)1928年

2、 海森堡模型，用量子力學(xué)解釋分子場起源1931年 Bitter在顯微鏡下直接觀察到磁疇1933年 加藤與武井發(fā)現(xiàn)含Co的永磁鐵氧體1935年 荷蘭Snoek發(fā)明軟磁鐵氧體1935年 Landau和Lifshitz考慮退磁場, 理論上預(yù)言了磁疇結(jié)構(gòu)1946年 Bioembergen發(fā)現(xiàn)NMR效應(yīng)1948年 Neel建立亞鐵磁理論1957年 RKKY相互作用的建立1958年 Mssbauer效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)1965年 Mader和Nowick制備了CoP鐵磁非晶態(tài)合金1970年 SmCo5稀土永磁材料的發(fā)現(xiàn)1984年 NdFeB稀土永磁材料的發(fā)現(xiàn)Sagawa(佐川)1986年 高溫超導(dǎo)體，Bednort

3、z-muller1988年 巨磁電阻GMR的發(fā)現(xiàn), M.N.Baibich1994年 CMR龐磁電阻的發(fā)現(xiàn)，Jin等LaCaMnO31995年 隧道磁電阻TMR的發(fā)現(xiàn),T.Miyazaki浙江大學(xué)硅材料國家重點實驗室 黃靖云原子的磁性角動量：P磁化強度矢量：M為磁旋比PM在外加磁場H下HMMdtd浙江大學(xué)硅材料國家重點實驗室 黃靖云磁場強度 磁場強度H的單位在國際單位制中為安培/米(A/m)；在CGS制中為奧斯特(Oe)。 1安/米相當(dāng)于410(-3)奧 浙江大學(xué)硅材料國家重點實驗室 黃靖云垂直于磁場方向的1米長的導(dǎo)線，通過1安培的電流，受到磁場的作用力為1牛頓時，通電導(dǎo)線所在處的磁感應(yīng)強度就

4、是1特斯拉。一般永磁鐵附近的磁感應(yīng)強度大約是0.4-0.7特，在電機和變壓器的鐵心中，磁感應(yīng)強度可達0.8-1.4特，通過超導(dǎo)材料的強電流的磁感應(yīng)強度可達1000特，而地面附近地磁場的磁感應(yīng)強度大約只有0.5*10的-4次方特 1 T = 1Wb/m2=1N/(As2)=1Kg/(As2) 磁通量密度或磁感應(yīng)強度 浙江大學(xué)硅材料國家重點實驗室 黃靖云愛迪生和特斯拉為什么做了死對頭？ 1912年共同拒絕分享諾貝爾物理獎 愛迪生說過：天才是有1%的靈感，99%的勤奮組成，（只是前半句） 后半句：然而那1%的靈感遠比勤奮重要，！ 其實特斯拉就是一個靈感的天才， 而愛迪生是一個努力的天才 愛迪生大發(fā)明

5、家，例如發(fā)明電燈 特斯拉，發(fā)明了交流電，解決了長途運輸電大量消耗的問題 （磁感應(yīng)強度單位） 如果交流電成功了，愛迪生直流電燈的市場前景就不好了， 所以他用了很多辦法讓人們對交流電產(chǎn)生恐懼感。 直到芝加哥世博會， 特斯拉的交流電發(fā)揮了巨大的作用，從而戰(zhàn)勝了直流電?。ň窒扌?，交流電一樣用電燈） 浙江大學(xué)硅材料國家重點實驗室 黃靖云浙江大學(xué)硅材料國家重點實驗室 黃靖云浙江大學(xué)硅材料國家重點實驗室 黃靖云浙江大學(xué)硅材料國家重點實驗室 黃靖云浙江大學(xué)硅材料國家重點實驗室 黃靖云 自旋電子學(xué)研究背景自旋電子學(xué)研究背景 巨磁阻效應(yīng)巨磁阻效應(yīng)(GMR) 標(biāo)志自旋電子標(biāo)志自旋電子學(xué)的出現(xiàn)；第一代自旋器件：巨學(xué)的

6、出現(xiàn)；第一代自旋器件：巨磁阻讀頭磁阻讀頭 第二代自旋器件（半導(dǎo)體自旋器第二代自旋器件（半導(dǎo)體自旋器件）：件）：使自旋極化的自旋源；將使自旋極化的自旋源；將自旋注入到傳統(tǒng)半導(dǎo)體中自旋注入到傳統(tǒng)半導(dǎo)體中 稀磁半導(dǎo)體稀磁半導(dǎo)體：磁極子的局域磁矩：磁極子的局域磁矩與電子（空穴）的自旋相互作用；與電子（空穴）的自旋相互作用；與傳統(tǒng)半導(dǎo)體兼容，是良好的自與傳統(tǒng)半導(dǎo)體兼容，是良好的自旋源旋源 處理信息處理信息 信息存儲、處理同時進行信息存儲、處理同時進行 稀磁半導(dǎo)體稀磁半導(dǎo)體 存儲信息存儲信息 磁性材料磁性材料 半導(dǎo)體半導(dǎo)體 電子的電荷電子的電荷現(xiàn)代信息技術(shù)現(xiàn)代信息技術(shù) 電子的自旋電子的自旋第二代自旋器件第

7、二代自旋器件 浙江大學(xué)硅材料國家重點實驗室 黃靖云 上世紀(jì)的60 年代,光學(xué)和電學(xué)特性,居里溫度(TC)在約為2 K InMnAs(PRL, 1992 ) 和GaMnAs (APL, 1996 ) TC75 K GaMnAs 的TC已經(jīng)達到170 K (Nat. Mater., 2005) Zener模型理論預(yù)測2000 Science ;隨后,首次實現(xiàn)室溫磁性室溫磁性(Co: TiO2, Science, 2001; Co:ZnO, APL, 2001) 對過渡金屬對過渡金屬Mn,Co,Fe,Ni, Cr,V等等摻雜摻雜 ZnO, TiO2, SnO2, GaN, GaP等體系等體系展開研究

8、展開研究, ,實現(xiàn)室溫磁性實現(xiàn)室溫磁性 發(fā)現(xiàn)許多奇特低溫磁光性質(zhì)和磁傳輸,如巨Zeeman 效應(yīng),巨Faraday 旋轉(zhuǎn),反常Hall效應(yīng),負GMR 等sp-d 交換相互作交換相互作用模型解釋用模型解釋DMS的磁性的磁性DMS的研究概況的研究概況 浙江大學(xué)硅材料國家重點實驗室 黃靖云2007年諾貝爾物理學(xué)獎 法國科學(xué)家阿爾貝費爾 德國科學(xué)家彼得格林貝格爾 1988年，費爾和格林貝格爾各自獨立發(fā)現(xiàn)：非常弱小磁性變化就能導(dǎo)致磁性材料發(fā)生非常顯著的電阻變化費爾在鐵、鉻相間的多層膜中發(fā)現(xiàn)，他把這種效應(yīng)命名為巨磁阻效應(yīng)（Giant Magneto-Resistive，GMR）格林貝格爾在具有層間反平行磁

9、化的鐵/鉻/鐵三層膜結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)了同樣的現(xiàn)象浙江大學(xué)硅材料國家重點實驗室 黃靖云磁性材料應(yīng)用舉例之一磁記錄浙江大學(xué)硅材料國家重點實驗室 黃靖云磁性材料應(yīng)用舉例之一磁記錄浙江大學(xué)硅材料國家重點實驗室 黃靖云磁性材料應(yīng)用舉例之一磁記錄浙江大學(xué)硅材料國家重點實驗室 黃靖云超導(dǎo)電性的發(fā)現(xiàn)及超導(dǎo)體的基本性質(zhì)浙江大學(xué)硅材料國家重點實驗室 黃靖云 H.K.昂尼斯昂尼斯 在低溫下研在低溫下研究物質(zhì)的性究物質(zhì)的性質(zhì)并制成液質(zhì)并制成液態(tài)氦態(tài)氦 浙江大學(xué)硅材料國家重點實驗室 黃靖云B=M+HB=0M= H浙江大學(xué)硅材料國家重點實驗室 黃靖云0tB浙江大學(xué)硅材料國家重點實驗室 黃靖云浙江大學(xué)硅材料國家重點實驗室 黃靖云

10、J.巴丁巴丁提出所謂提出所謂BCS理論的超導(dǎo)性理論理論的超導(dǎo)性理論L.N.庫珀庫珀J.R.斯萊弗斯萊弗浙江大學(xué)硅材料國家重點實驗室 黃靖云 B.D.約瑟夫森約瑟夫森 發(fā)現(xiàn)固體中隧道現(xiàn)象，理論上預(yù)發(fā)現(xiàn)固體中隧道現(xiàn)象，理論上預(yù)言超導(dǎo)電流能夠通過隧道阻擋層言超導(dǎo)電流能夠通過隧道阻擋層(即約瑟夫森效應(yīng)即約瑟夫森效應(yīng))I.迦埃弗迦埃弗 從實驗上發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)從實驗上發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體中的隧道效應(yīng)體中的隧道效應(yīng)浙江大學(xué)硅材料國家重點實驗室 黃靖云超導(dǎo)電性研究歷史浙江大學(xué)硅材料國家重點實驗室 黃靖云超導(dǎo)體的實驗研究一、超導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)研究 19101950：Bragg方程和Laue方程已經(jīng)廣泛應(yīng)用， XRD晶體結(jié)構(gòu)研究極為

11、普遍， XRD衍射結(jié)果表明超導(dǎo)態(tài)與正常態(tài)的晶體結(jié)構(gòu)完全相同 超導(dǎo)態(tài)是熱力學(xué)上的穩(wěn)定狀態(tài)NS轉(zhuǎn)變不是由晶體結(jié)構(gòu)（原子排列）變化而引起的相變轉(zhuǎn)變浙江大學(xué)硅材料國家重點實驗室 黃靖云高溫超導(dǎo)體簡介高溫氧化物超導(dǎo)體(Tc77K)臨界溫度Tc 達到液氮溫度（77K）以上的超導(dǎo)材料稱為高溫超導(dǎo)材料1986年IBM蘇黎世實驗室La-Ba-Cu-O 30K美、中、日科學(xué)家La-Ba-Cu-OSr-Ba-Cu-O 57K1987年休斯敦大學(xué)，朱經(jīng)武中科院，趙忠賢Y-Ba-Cu-O 98K至今已發(fā)現(xiàn)至今已發(fā)現(xiàn)70余種高溫超導(dǎo)材料浙江大學(xué)硅材料國家重點實驗室 黃靖云 J.G.柏諾茲柏諾茲發(fā)現(xiàn)新的超導(dǎo)材料發(fā)現(xiàn)新的超導(dǎo)

12、材料K.A.穆勒穆勒浙江大學(xué)硅材料國家重點實驗室 黃靖云高溫氧化物超導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)特點： 具有層狀鈣鈦礦型結(jié)構(gòu) 晶格結(jié)構(gòu)中存在Cu-O 層面高溫超導(dǎo)體的導(dǎo)電平面 氧含量和分布對性能有重要影響浙江大學(xué)硅材料國家重點實驗室 黃靖云高溫氧化物超導(dǎo)體的反常特性（1） 電阻率的溫度特性：線性關(guān)系（2） 霍爾系數(shù)的溫度特性：隨溫度上升而單調(diào)下降（3） 光電導(dǎo)的反常特性（4） 超導(dǎo)能隙的各向異性（5） 電子電子關(guān)聯(lián)性（6） 臨界磁場高，相干長度卻很短反常特性無法用低溫超導(dǎo)理論(BCS 理論)來解釋，對超導(dǎo)理論的研究提出了新課題和新研究方向浙江大學(xué)硅材料國家重點實驗室 黃靖云設(shè)備：研缽+ 電爐工藝：混勻原材料 燒

13、結(jié)研磨成形燒結(jié)再研磨成形燒結(jié)優(yōu)點：簡單、實用、易于控制或改變合成條件產(chǎn)品,如優(yōu)質(zhì)大塊樣品， 高質(zhì)量粉料高溫超導(dǎo)材料的制備高溫超導(dǎo)薄膜在基片上鍍膜膜厚100 nm涂布法 機械熱加工法濺射法 分子外延法照射法 蒸汽淀積法混合法 脈沖準(zhǔn)分子激光法蒸發(fā)法 化學(xué)汽相沉積法浙江大學(xué)硅材料國家重點實驗室 黃靖云超導(dǎo)電性的應(yīng)用舉例浙江大學(xué)硅材料國家重點實驗室 黃靖云浙江大學(xué)硅材料國家重點實驗室 黃靖云浙江大學(xué)硅材料國家重點實驗室 黃靖云浙江大學(xué)硅材料國家重點實驗室 黃靖云浙江大學(xué)硅材料國家重點實驗室 黃靖云高溫超導(dǎo)實用化誘人前景電力能源方面：輸電電纜、發(fā)電機、電動機、變壓器 超導(dǎo)化超導(dǎo)儲能系統(tǒng) 大型電機設(shè)備形狀與性能的革命能源工業(yè)： 超導(dǎo)貯能調(diào)節(jié)電網(wǎng)負荷 超導(dǎo)磁體約束的等離子體和可能產(chǎn)生的核聚變電子學(xué)方面： 超導(dǎo)計算機研究： 計算速度高，體積小，功耗低，使用方便 信息儲存量大醫(yī)學(xué)和生物方面：核磁共振計算機斷層診