第三章 超導材料

1、超超 導導 材材 料料第三章第三章3-1 超導現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)超導現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)荷蘭物理學家荷蘭物理學家 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 ）“絕對零度先生絕對零度先生”極低溫下電阻的可能變化極低溫下電阻的可能變化“Mercury has passed into a new state，which on account of its extraordinary electrical properties may

2、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，電阻完全消失！時，電阻完全消失！超導電性超導電性：低溫下失去電阻的性質(zhì)；：低溫下失去電阻的性質(zhì)；超導體超導體：具有超導電性的物質(zhì)。：具有超導電性的物質(zhì)。臨界溫度（臨界溫度（Tc）：電阻消失時的溫度，即從正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢B(tài)時的溫度；：電阻消失時的溫度，即從正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢B(tài)時的溫度；超導態(tài)超導態(tài)：超導體在超低溫下電阻為零的狀態(tài)；：超導體在超低溫下電阻為零的狀態(tài)；正常態(tài)正常態(tài)：當溫度較高，電阻不為零的狀態(tài)。：當溫度較高，電阻不為零的狀態(tài)。幾個概念：幾個概念：1986

3、年：年： LaBaCuO（銅氧化物超導體）；（銅氧化物超導體）； Tc達達35K；3-2 超導材料的發(fā)展歷史超導材料的發(fā)展歷史超導體發(fā)展簡史超導體發(fā)展簡史液氫溫度（液氫溫度（20K）液氮溫度（液氮溫度（77K）1987年：年： YBaCuO； Tc為為92K，進入液氮溫區(qū)；，進入液氮溫區(qū)；1993年：年： HgBaCaCuO； Tc為為135K（高壓下（高壓下163K）；）；l 鐵基超導體鐵基超導體 LaO1-xFxFeAs：26K； SmO1-xFxFeAs：43K； PrO1-xFxFeAs：52K 新型超導體新型超導體1. 電荷轉(zhuǎn)移復合物：最高電荷轉(zhuǎn)移復合物：最高Tc為為12.5K；l

4、有機超導體有機超導體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；3-3 超導體的兩個基本電磁特性超導體的兩個基本電磁特性電流在超導體中一旦形成，便能經(jīng)久不衰的持續(xù)下去，而無需電場的作用。電流在超導體中一旦形成，便能經(jīng)久不衰的持續(xù)下去，而無需電場的作用。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

5、點溫度：中點溫度0T：零電阻溫度：零電阻溫度1. 零電阻效應零電阻效應2. 完全抗磁性（邁斯納效應）完全抗磁性（邁斯納效應）l 當超導體處于超導態(tài)時，若周圍存在著磁場當超導體處于超導態(tài)時，若周圍存在著磁場H，在超導體表面會感生出屏蔽電流，在超導體表面會感生出屏蔽電流， 從而產(chǎn)生一個恰好能抵消外磁場的附加磁場，使外磁場完全不能進入超導體內(nèi)部，從而產(chǎn)生一個恰好能抵消外磁場的附加磁場，使外磁場完全不能進入超導體內(nèi)部， 這種完全抗磁性又稱這種完全抗磁性又稱邁斯納效應邁斯納效應。H Ha asl 邁斯納效應邁斯納效應和和零電阻現(xiàn)象零電阻現(xiàn)象是實驗上判定一個材料是否為超導體的兩大要素。是實驗上判定一個材料

6、是否為超導體的兩大要素。 B=0l 超導體的定義：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。2.1 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 在外磁場中的超導體，從體外到超導體內(nèi)，磁感應強度不會突然降為零，而是在外磁場中的超導體，從體外到超導體內(nèi)，磁感應強度不會突然降為零，而是 逐漸減小為零逐漸減小為零：XOB x-expBxB0l 磁場強度降為磁場強度降為B0/e處距離超導體表面距離，稱為處距離超導體表面距離，稱為穿透深度穿透深度，通常用，通常用 表示；表示；在在

7、X 區(qū)間：認為磁感應強度衰減到零；在區(qū)間：認為磁感應強度衰減到零；在0 X 區(qū)域，磁力線不能穿過，因此電流不能由區(qū)域，磁力線不能穿過，因此電流不能由 超導體內(nèi)通過，超導體內(nèi)通過，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)流動流動；l 對于塊材：對于塊材：穿透深度遠小于樣品的尺寸，穿透深度遠小于樣品的尺寸，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 穿透深度又定義為：超導體中電流流動的表面層厚度。穿透深度又定義為：超導體中電流流動的表面層厚度。l 對于粉末或者薄膜：對于粉末或者薄膜：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

8、變得非常重要，樣品內(nèi)有明顯的磁通密度 分布，需要單獨進行研究。分布，需要單獨進行研究。元素元素InSaHgPbTlCdAl 0 （ cm 10-6 ）6.45.13.8- 4.63.99.213.05.01）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低于溫度遠低于Tc： 幾乎與幾乎與溫度無關，不同材料具有不用溫度無關，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 趨于無窮大。趨于無窮大。

9、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)驗公式：的變化，常用如下的經(jīng)驗公式：2140t -1）（ 0：材料在絕對零度時的穿透深度；：材料在絕對零度時的穿透深度；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外加磁場有關：超導體的非局域理論。有關：超導體的非局域理論。磁懸浮磁懸浮NSfmg2.2 邁斯納效應的應用邁斯納效應的應用省能源、低噪音、高時速；省能源、低噪音、高時速；1999年，日本研制的超導磁懸浮列車年，日本研制的超導磁懸浮列車時速已達時速已達552公里公里，創(chuàng)世界鐵路時速最，創(chuàng)世界

10、鐵路時速最高記錄。高記錄。1. 臨界溫度臨界溫度Tc3-4 超導的三個臨界條件超導的三個臨界條件l 超導轉(zhuǎn)變溫度超導轉(zhuǎn)變溫度Tc，超導體，超導體最重要的參數(shù)之一最重要的參數(shù)之一，提高，提高Tc是超導研究最主要的目標；是超導研究最主要的目標；l 常用的超導體常用的超導體Tc的測量方法：的測量方法： 1）測量電阻（）測量電阻（R）隨溫度（）隨溫度（T）的變化：）的變化：R-T曲線；曲線； 2）測量磁化率（）測量磁化率（x）隨溫度（）隨溫度（T）的變化：）的變化：x-T曲線；曲線；l 加壓可以提高超導體的臨界溫度：加壓可以提高超導體的臨界溫度： HgBaCaCuO的的 Tc為為135K，加壓后變?yōu)椋?/p>

11、加壓后變?yōu)?63K。零電阻效應零電阻效應邁斯納效應邁斯納效應2. 臨界磁場強度臨界磁場強度Hcl 在小于在小于Tc的一定溫度下，外加磁場強度大于某一特定值的一定溫度下，外加磁場強度大于某一特定值Hc時，超導體的時，超導體的 超導態(tài)被破壞，轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)，超導態(tài)被破壞，轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)，Hc被稱為被稱為臨界磁場強度臨界磁場強度。l 臨界磁場是溫度的函數(shù)，記為臨界磁場是溫度的函數(shù)，記為Hc（T） ；不同的超導體，它們的不同的超導體，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

12、而減小。2-10CCCTT）（H（T）HHc(0)：0K時的臨界磁場，超導體任何溫度下的臨界磁場可以由時的臨界磁場，超導體任何溫度下的臨界磁場可以由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奧斯特奧斯特) 元素元素PbInAlZnCdHc(0),(Oe)803293995230l 超導體的相圖超導體的相圖l 臨界溫度臨界溫度Tc和臨界磁場和臨界磁場Hc是超導體的是超導體的本征參數(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。有關。超導態(tài)超導態(tài)正常態(tài)正常態(tài)l 超導體分為兩類：超導體分為兩類：第一類超導體和第二類超導體；

13、第一類超導體和第二類超導體；第一類超導體（軟超導體）：第一類超導體（軟超導體）：只有只有一個臨界磁場一個臨界磁場Hc，除鈮、釩、锝以外的元素超導體，主要用于固體物理和超導理論研究。除鈮、釩、锝以外的元素超導體，主要用于固體物理和超導理論研究。第二類超導體（硬超導體）：第二類超導體（硬超導體）：存在存在兩個臨界磁場兩個臨界磁場，下臨界磁場，下臨界磁場Hc1和上臨界磁場和上臨界磁場Hc2， 鈮、釩、锝及合金、化合物和高溫超導體，具有實用價值。鈮、釩、锝及合金、化合物和高溫超導體，具有實用價值。 H Hc1：第二類超導體也表現(xiàn)出完全抗磁性；第二類超導體也表現(xiàn)出完全抗磁性；Superconductor

14、 Hc1 H Hc2：l 隨著外磁場的增加，圓柱形正常區(qū)的面積并不擴大，只是數(shù)目增加，即貫穿隨著外磁場的增加，圓柱形正常區(qū)的面積并不擴大，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)的第二類超導體處于混合態(tài)的第二類超導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進入超導體的磁力線數(shù)增多到使進入超導體的磁力線數(shù)增多到使圓柱形區(qū)域彼此接觸，超導區(qū)消失圓柱形區(qū)域彼此接觸，超導區(qū)消失，材料轉(zhuǎn)變，材料轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)。為正常態(tài)。THTc超導體超導體正常金屬正常金屬混合態(tài)混合態(tài)Hc2Hc1Hc1 下臨界磁場：超導體內(nèi)出現(xiàn)第一根磁

15、通線時的外加磁場的大??；下臨界磁場：超導體內(nèi)出現(xiàn)第一根磁通線時的外加磁場的大?。籋c2 上臨界磁場：超導體完全變?yōu)檎B(tài)時的外加磁場的大小。上臨界磁場：超導體完全變?yōu)檎B(tài)時的外加磁場的大小。第二類超導體相圖第二類超導體相圖2 , 1-102iTT）（H（T）HCCCii3. 臨界電流密度臨界電流密度Jcl 處于超導態(tài)的超導體，通過其中的電流超過一定值處于超導態(tài)的超導體，通過其中的電流超過一定值Ic時，超導態(tài)將被破壞，時，超導態(tài)將被破壞， 變成具有電阻的正常導體，這一定值變成具有電阻的正常導體，這一定值Ic就稱為超導體的就稱為超導體的臨界電流臨界電流。0HcIcl 西耳西耳斯斯比定則比定則：在

16、無外加磁場時，臨界電流：在無外加磁場時，臨界電流Ic在超導體表面產(chǎn)生的磁場恰好等于在超導體表面產(chǎn)生的磁場恰好等于 臨界磁場臨界磁場Hc ；臨界電流密度臨界電流密度Jc=臨界電流臨界電流Ic/超導體流通截面積。超導體流通截面積。第二類超導體不遵守西耳斯比定則第二類超導體不遵守西耳斯比定則。l 第二類超導體的臨界電流是由于超導體內(nèi)第二類超導體的臨界電流是由于超導體內(nèi)作用在磁通線上的洛倫茲力超過了作用在磁通線上的洛倫茲力超過了 釘扎力釘扎力，磁通線開始運動，使樣品變成有阻的正常態(tài)。，磁通線開始運動，使樣品變成有阻的正常態(tài)。CurrentHIFLH1）第二類超導體中的洛倫茲力）第二類超導體中的洛倫茲力

17、l 第二類超導體的臨界電流是由于超導體內(nèi)第二類超導體的臨界電流是由于超導體內(nèi)作用在磁通線上的洛倫茲力超過了作用在磁通線上的洛倫茲力超過了 釘扎力釘扎力，磁通線開始運動，使樣品變成有阻的正常態(tài)。，磁通線開始運動，使樣品變成有阻的正常態(tài)。CurrentH1）第二類超導體中的洛倫茲力）第二類超導體中的洛倫茲力l 第二類超導體的臨界電流是由于超導體內(nèi)第二類超導體的臨界電流是由于超導體內(nèi)作用在磁通線上的洛倫茲力超過了作用在磁通線上的洛倫茲力超過了 釘扎力釘扎力，磁通線開始運動，使樣品變成有阻的正常態(tài)。，磁通線開始運動，使樣品變成有阻的正常態(tài)。CurrentH1）第二類超導體中的洛倫茲力）第二類超導體中的

18、洛倫茲力 2）第二類超導體中的釘扎作用）第二類超導體中的釘扎作用 l 釘扎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，在第二類超導體中，在第二類超導體中產(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體，稱為內(nèi)部存在缺陷的第二類超導體，稱為非理想的第二類超導體非理想的第二類超導體； 在非理想的第二類超導體中，在非理想的第二類超導體中，晶格缺陷或雜質(zhì)會阻礙磁力線運動的作用晶格缺陷或雜質(zhì)會阻礙磁力線運動的作用， 稱為稱為釘扎作用釘扎作用。 用各種粒子（中子或各種離子）輻照高溫超導體后，其用各種粒子（中子或各種離子）輻照高溫超導體后，其Jc可提高兩

19、個數(shù)量級；可提高兩個數(shù)量級；工業(yè)生產(chǎn)的工業(yè)生產(chǎn)的NbTi線，臨界電流密度線，臨界電流密度210-4 10-5A/cm2，一根沒有缺陷的，一根沒有缺陷的NbTi線，線， 臨界電流密度幾乎為零。臨界電流密度幾乎為零。l 臨界電流常用測量方法：臨界電流常用測量方法：l 臨界電流是溫度和磁場的函數(shù)臨界電流是溫度和磁場的函數(shù)，談到材料的臨界電流時，必須指明磁場和溫度；，談到材料的臨界電流時，必須指明磁場和溫度； 對于第二類超導體，臨界電流對于第二類超導體，臨界電流與材料的顯微結(jié)構(gòu)有著密切關系與材料的顯微結(jié)構(gòu)有著密切關系。 1）增加通過超導體的電流，測量樣品的電阻，增加通過超導體的電流，測量樣品的電阻，電

20、阻從零突變?yōu)橛邢拗禃r的電流電阻從零突變?yōu)橛邢拗禃r的電流 即為臨界電流。即為臨界電流。2）增加通過超導體的電流，測量每厘米樣品長度上的電壓，）增加通過超導體的電流，測量每厘米樣品長度上的電壓，當電壓為當電壓為1 V時的時的 電流電流即為臨界電流。即為臨界電流。超導態(tài)的臨界參數(shù)超導態(tài)的臨界參數(shù)l 臨界溫度臨界溫度、臨界磁場臨界磁場和和臨界電流密度臨界電流密度之間相互關聯(lián)；只有當溫度、磁場和之間相互關聯(lián)；只有當溫度、磁場和 電流都小于臨界值時，才能出現(xiàn)超導現(xiàn)象；電流都小于臨界值時，才能出現(xiàn)超導現(xiàn)象；l 實用超導材料，要求這三個參數(shù)越高越好。實用超導材料，要求這三個參數(shù)越高越好。3-5 超導體的超導體

21、的BCS理論理論巴丁巴丁(Bardeen)庫庫珀珀(Cooper)施瑞弗（施瑞弗（Schrieffer）1957年，美國物理學家巴丁、庫珀和施瑞弗提出了超導的微觀理論：年，美國物理學家巴丁、庫珀和施瑞弗提出了超導的微觀理論：BCS理論理論；三人獲得三人獲得1972年諾貝爾物理學獎。年諾貝爾物理學獎。 1）超導相變前后超導相變前后晶體結(jié)構(gòu)不變晶體結(jié)構(gòu)不變- 超導相變是超導相變是電子態(tài)相變電子態(tài)相變超導相變不影響晶格點陣的結(jié)構(gòu)和晶格振動，超導相變不影響晶格點陣的結(jié)構(gòu)和晶格振動，超導體發(fā)生正常態(tài)超導體發(fā)生正常態(tài) 超導態(tài)相變前后，超導態(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. 建立建立BC

22、S理論的實驗基礎理論的實驗基礎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。但這并不表示超導相變與晶體點陣結(jié)構(gòu)和振動無關但這并不表示超導相變與晶體點陣結(jié)構(gòu)和振動無關!2） 電子比熱躍遷電子比熱躍遷 超導態(tài)存在能隙超導態(tài)存在能隙l 超導電子比熱的指數(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， 揭示揭示超導態(tài)存在能隙超導態(tài)存在能隙，稱為，稱為超導能隙超導能隙，記作，記作。TK2/-EBgCe存在能隙的存在能隙的單電子體系：單電子體系：TCen正常態(tài)電子：正常態(tài)電子：T/T764. 1-

23、escCe超導態(tài)電子：超導態(tài)電子：T=Tc時，電子比熱發(fā)生陡變時，電子比熱發(fā)生陡變l 一個電子從正常態(tài)進入超導態(tài)，能量降低了一個電子從正常態(tài)進入超導態(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)超導態(tài)超導態(tài)e說明電子之間存在說明電子之間存在相互吸引作用相互吸引作用。l Hg等超導體的同位素的臨界溫度等超導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） 同位素效應同位素效應 MTcl 同位素效應表明，晶格振動對超導態(tài)電子的行為有重要影響，同位素效應表明，晶格振動對超導態(tài)電子的行為有重要影響， 電子電子 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

24、屬金屬PbHgSnTiCdZn0.480.010.500.030.470.020.500.100.500.100.450.01M-1/2：同位素效應系數(shù)。：同位素效應系數(shù)。l 同一種超導元素的各種同位素的臨界溫度同一種超導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；與同位素的原子質(zhì)量有關；2. 電子對的形成電子對的形成l 電子電子-聲子相互作用把兩個電子耦合在一起形成聲子相互作用把兩個電子耦合在一起形成電子對電子對，這種耦合就像兩個，這種耦合就像兩個 電子之間相互吸引一樣，電子之間相互吸引一樣，電子電子-聲子相互作用越強聲子相互作用越強，電子對間的吸引力就越大；，電子對間的吸引力就越大

25、；+e1+e2+e1e2通過電子通過電子 聲子相互作用形成電子對聲子相互作用形成電子對l Cooper首先證明首先證明費米面附近的電子費米面附近的電子通過電通過電-聲相互作用結(jié)合成電子對，因此聲相互作用結(jié)合成電子對，因此 超導體中電子對也稱超導體中電子對也稱Cooper對對。l 關于關于Cooper電子對的說明：電子對的說明：1）（）（p ，-p ）電子對：）電子對： 配對的電子配對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，方向相反的動量方向相反的動量。Cooper對對2）相干長度）相干長度 兩個電子不會在相距過遠的地方發(fā)生配對，這個距離的極限稱為兩個電子不會在相距過遠的地方發(fā)生

26、配對，這個距離的極限稱為相干長度相干長度； 純金屬的相干長度為純金屬的相干長度為1 m m的數(shù)量級；如在金屬中摻入雜質(zhì)，相干長度變短。的數(shù)量級；如在金屬中摻入雜質(zhì)，相干長度變短。幾種物質(zhì)在幾種物質(zhì)在0K下的超導相干長度下的超導相干長度 3）超導電子對超導電子對不能互相獨立的運動不能互相獨立的運動，它們通過，它們通過動量彼此關聯(lián)，成為有序的集體動量彼此關聯(lián)，成為有序的集體； 因此超導電子對在運動時，不像正常電子那樣，會被晶體缺陷和聲子散射而因此超導電子對在運動時，不像正常電子那樣，會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）超導電子對的束縛能為超導電

27、子對的束縛能為2 ，這是破壞電子對所需的最小能量；溫度越高，這是破壞電子對所需的最小能量；溫度越高， 被破壞的電子對越多，被破壞的電子對越多，電子對被完全破壞時對應的溫度即超導臨界溫度電子對被完全破壞時對應的溫度即超導臨界溫度。Schrieffer將電子對的物理圖像和當時流行的舞蹈將電子對的物理圖像和當時流行的舞蹈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 。 3. BCS理論理論 超導電性源于固體中超導電性源于固體中電子的配對電子的配對；電子配對的相互作用源于

28、電子配對的相互作用源于電子和晶格振動間的相互作用電子和晶格振動間的相互作用；配對發(fā)生在自選相反，總動量為零的兩個電子之間。配對發(fā)生在自選相反，總動量為零的兩個電子之間。l BCS理論預言，理論預言，超導臨界溫度的極限是超導臨界溫度的極限是30K； BCS理論不適用于高溫理論不適用于高溫 超導體和第二類超導體；超導體和第二類超導體；)(/ 1exp14. 1FDCEUNTl 隨著超導電性研究的深入和超導材料的發(fā)展，隨著超導電性研究的深入和超導材料的發(fā)展，BCS理論表現(xiàn)出越來越理論表現(xiàn)出越來越 多的不足。多的不足。 3-6 約瑟夫遜效應約瑟夫遜效應1. 單電子的量子隧道效應：單電子的量子隧道效應：

29、由于微觀粒子具有粒子和波動二象性，即使粒子的動能小于勢壘高度由于微觀粒子具有粒子和波動二象性，即使粒子的動能小于勢壘高度V0，仍然有一定的機會貫穿勢壘到達另一側(cè)。仍然有一定的機會貫穿勢壘到達另一側(cè)。 約瑟夫遜約瑟夫遜2. 電子對的隧道效應電子對的隧道效應當兩塊超導體夾著當兩塊超導體夾著一層很?。ㄒ粚雍鼙。? 3 nm）的絕緣層）的絕緣層時，超導電子對可以穿過時，超導電子對可以穿過中間的絕緣層，出現(xiàn)電子對隧道效應，稱為中間的絕緣層，出現(xiàn)電子對隧道效應，稱為約瑟夫遜效應約瑟夫遜效應。超導體超導體超導體超導體絕絕緣緣層層Ic電子對電子對約瑟夫遜（約瑟夫遜（SIS）結(jié)）結(jié)II Ic：SIS結(jié)超導態(tài)被破

30、壞，結(jié)上出現(xiàn)有限的電壓。結(jié)超導態(tài)被破壞，結(jié)上出現(xiàn)有限的電壓。4. 約瑟夫遜效應的應用約瑟夫遜效應的應用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)，由于高溫超導體的結(jié)，由于高溫超導體的相干長度太短相干長度太短，要求中，要求中 間間絕緣層的厚度不能超過絕緣層的厚度不能超過2 nm，在制備技術上難以實現(xiàn)在制備技術上難以實現(xiàn)，因此到目前為，因此到目前為 止，世界上還沒有做出止，世界上還沒有做出SIS結(jié)；結(jié)；超導體超導體超導體超導體絕絕緣緣層層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)，電子對更容易隧穿，電子對更容易隧穿，金屬金屬 層可以做到

31、幾十到幾百納米層可以做到幾十到幾百納米，現(xiàn)在實用的是，現(xiàn)在實用的是SNS結(jié)。結(jié)。SNS結(jié)結(jié)超導體超導體超導體超導體金金屬屬層層l 弱磁探測弱磁探測心臟磁圖的測量心臟磁圖的測量超導磁力儀超導磁力儀 約瑟夫遜結(jié)可做成約瑟夫遜結(jié)可做成超導量子干涉器超導量子干涉器（SQUID），用于探測微弱磁場，靈敏度），用于探測微弱磁場，靈敏度 達達10-11高斯高斯，可測地球磁場的十億分之一：，可測地球磁場的十億分之一： 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：可找到有價值的礦床和弱磁性礦可找到有價值的礦床和弱磁性礦 ；醫(yī)學：醫(yī)學：人體心磁人體心磁(10-5 10-6 G)，腦磁（，腦磁（ 1

32、0-8 10-9 G ）等等都可以探測。）等等都可以探測。超導芯片超導芯片l 超導計算機超導計算機 用一磁場可使約瑟夫遜結(jié)用一磁場可使約瑟夫遜結(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算機的特性便可作成計算機的開關元件開關元件，開關速度達，開關速度達10-12 秒，比半導體的開關速秒，比半導體的開關速度快度快100倍，而能耗比半導體元件約小倍，而能耗比半導體元件約小1000倍，為制造亞納秒電子計算機倍，為制造亞納秒電子計算機提供了途徑。提供了途徑。 3-7 高溫超導材料高溫超導材料 高溫超導體（高溫超導體（High-temperatur

33、e superconductor- HTS）：）： a superconductor with a Tc higher than the highest value expected from conventional BCS theory based on phonon-mediated paring.1. 高溫超導材料的結(jié)構(gòu)高溫超導材料的結(jié)構(gòu)l 銅氧化物超導體具有相當復雜的結(jié)構(gòu)：銅氧化物超導體具有相當復雜的結(jié)構(gòu)：l 晶體缺陷濃度很高。晶體缺陷濃度很高。2. 高溫超導材料的特殊性質(zhì)高溫超導材料的特殊性質(zhì)l 載流子濃度較低載流子濃度較低，約，約1021/cm3；普通超導體約為；普通超導體約為1

34、022/cm3；l 相干長度特別短相干長度特別短，約為，約為10-7cm；普通超導體的相干長度約為；普通超導體的相干長度約為10-4cm；l 弱同位素效應弱同位素效應，說明電，說明電-聲相互作用不再是主要作用。聲相互作用不再是主要作用。高溫超導體除具有零電阻效應、邁斯納效應、約瑟夫遜效應外，還呈現(xiàn)出高溫超導體除具有零電阻效應、邁斯納效應、約瑟夫遜效應外，還呈現(xiàn)出一些特殊性質(zhì)：一些特殊性質(zhì)：3. 高溫超導的機理研究高溫超導的機理研究l Anderson：非聲子效應的：非聲子效應的RVB模型模型l 激子機制激子機制l電子負電子負中心模型中心模型l 雙極化子模型雙極化子模型l 高溫超導現(xiàn)象仍是凝聚態(tài)物理中的一大未解之謎。高溫超導現(xiàn)象仍是凝聚態(tài)物理中的一大未解之謎。 3-8 超導材料的應用超導材料