2021-2022學(xué)年高二物理競(jìng)賽課件：超導(dǎo)電現(xiàn)象及理論

1、超導(dǎo)電現(xiàn)象及理論零電阻現(xiàn)象完全抗磁性超導(dǎo)體的臨界參數(shù)BCS理論0.1500.1250.1000.0750.0500.02504.004.104.204.304.40T / KR / 典型超導(dǎo)合金高溫超導(dǎo)氧化物NbTi9.5YBa2Cu3O7-90NbZr11Bi2Sr2CaCu2O885PbIn3.47.3Tl2Ba2Ca2Cu3O10125PbBi8.5HgBa2Ca2Cu3O101361933年邁斯納和奧森菲爾德發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是在磁場(chǎng)中降溫使樣品進(jìn)入零電阻態(tài)，還是將已經(jīng)是零電阻態(tài)的樣品移入磁場(chǎng)中，樣品中的磁感應(yīng)強(qiáng)度均為零，稱為邁斯納效應(yīng)邁斯納效應(yīng)說(shuō)明超導(dǎo)體是完全抗磁體若建立當(dāng)溫度低于某值時(shí)僅僅

2、是電阻為零、電導(dǎo)趨于無(wú)窮大的“理想導(dǎo)體” 模型，則可發(fā)現(xiàn)，在外磁場(chǎng)作用下將理想導(dǎo)體降溫至電阻為零的狀態(tài)再撤去外磁場(chǎng)，則理想導(dǎo)體中仍保留同樣大小的磁通量，這和超導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不符。完全抗磁性是超導(dǎo)體獨(dú)立于電阻為零之外的基本特性！超導(dǎo)態(tài)正常態(tài)BCS理論由巴丁(J. Bardeen)、庫(kù)珀(L. Cooper)、施萊弗(J. Schrieffer)三人共同建立，三人因此共享1972年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。不同于以往從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象出發(fā)作出假定或建立模型的唯象理論，BCS理論從電子 聲子相互作用出發(fā)，給出了描述超導(dǎo)電性的完整理論，回答了超導(dǎo)電性的來(lái)源和起因。BCS理論認(rèn)為，金屬中自旋和動(dòng)量相反的電子可以借聲子為媒介

3、配對(duì)，形成所謂“庫(kù)珀對(duì)” 。在很低的溫度下，這個(gè)庫(kù)珀對(duì)的結(jié)合能可能高于晶格原子振動(dòng)的能量，這樣，電子對(duì)將不會(huì)和晶格發(fā)生能量交換，庫(kù)珀對(duì)在晶格當(dāng)中可以無(wú)損耗的運(yùn)動(dòng)，也就沒有電阻，形成所謂“超導(dǎo)”。常規(guī)的元素、合金和化合物超導(dǎo)體的臨界溫度較低，大多需要液氦冷卻條件，這就限制了其應(yīng)用超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料(Nb3Al)4Nb3Ge20.05NbN16.1Nb3Sn18V3Ga14.6NbN0.72C0.2817.9Mo0.92Hf0.05C0.7514.2Nb3Al17.5Nb9.2V3Si17.1Pb7.2具有層狀鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)氧空位化學(xué)計(jì)量數(shù)變化范圍很大，以至于導(dǎo)致晶格畸變晶格結(jié)構(gòu)中存在二維CuO4層面

4、，作為高溫超導(dǎo)體的導(dǎo)電平面而至關(guān)重要氧含量和分布對(duì)性能有重要影響電阻率的溫度特性：線性關(guān)系霍爾系數(shù)的溫度特性：隨溫度上升而單調(diào)下降光電導(dǎo)的反常特性超導(dǎo)能隙的各向異性電子 電子關(guān)聯(lián)性臨界磁場(chǎng)高，相干長(zhǎng)度卻很短這些反常特性無(wú)法用低溫超導(dǎo)理論（BCS理論）來(lái)解釋，對(duì)超導(dǎo)理論的研究提出了新課題和新的研究方向。超導(dǎo)磁體大尺度、強(qiáng)磁場(chǎng)、低消耗超導(dǎo)電纜電能在零電阻輸送，完全沒有損耗超導(dǎo)儲(chǔ)能超導(dǎo)體圓環(huán)置于磁場(chǎng)中，降溫至材料臨界溫度以下，撤去磁場(chǎng)，由于電磁感應(yīng)，圓環(huán)中有感生電流產(chǎn)生。只要溫度保持在臨界溫度以下，電流便會(huì)持續(xù)。材料磁化狀態(tài)的變化會(huì)導(dǎo)致電阻值改變，稱為磁電阻效應(yīng)。1856年，W. Thomson首先在鐵磁材料中發(fā)現(xiàn)各向異性磁電阻(AMR)效應(yīng)；1979年，IBM利用AMR效應(yīng)制備薄膜磁頭，取代感應(yīng)式磁頭，提高磁盤記錄密度數(shù)十倍；1988年法國(guó)物理學(xué)家費(fèi)爾(A. Fert)和德國(guó)物理學(xué)家格林貝格(P. Grnberg)分別獨(dú)立發(fā)現(xiàn)巨磁阻(GMR)效應(yīng)（非常弱的磁性變化就能導(dǎo)致磁性材料發(fā)生非常顯著的電阻變化），并共同獲得2007年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)；1997年，IBM制作出G