超導(dǎo)材料發(fā)展歷程及現(xiàn)行理論解釋與應(yīng)用

1、超導(dǎo)材料的發(fā)展及理論解釋與應(yīng)用1目錄1.簡(jiǎn)介 2.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 3.超導(dǎo)材料種類 4.理論解釋 5.超導(dǎo)材料應(yīng)用 6.總結(jié)2簡(jiǎn)單介紹定義: 超導(dǎo)材料（superconductor），是指具有在一定的低溫條件下呈現(xiàn)出電阻等于零以及排斥磁力線的性質(zhì)的材料。 兩個(gè)重要特性零電阻：超導(dǎo)材料處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)電阻為0（在實(shí)驗(yàn)中，若導(dǎo)體電阻的測(cè)量值低于10-25，可以認(rèn)為電阻為0），能夠無(wú)損耗地傳輸電能。邁斯納效應(yīng)（完全抗磁性）：超導(dǎo)材料處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)，只要外加磁場(chǎng)不超過(guò)一定值，磁力線不能透入，超導(dǎo)材料內(nèi)的磁場(chǎng)恒為零。34超導(dǎo)體具有三個(gè)臨界參數(shù)：臨界轉(zhuǎn)變溫度Tc、臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度Hc、臨界電流密度Jc。當(dāng)超導(dǎo)體同時(shí)處于三

2、個(gè)臨界條件內(nèi)時(shí)，才顯示出超導(dǎo)性。（1）臨界轉(zhuǎn)變溫度Tc：當(dāng)溫度低于臨界轉(zhuǎn)變溫度Tc時(shí)，材料處于超導(dǎo)態(tài)；超過(guò)臨界轉(zhuǎn)變溫度Tc，超導(dǎo)體由超導(dǎo)態(tài)恢復(fù)為正常狀態(tài)。（2）臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度Hc：當(dāng)外界磁場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度Hc時(shí)，超導(dǎo)體由超導(dǎo)體恢復(fù)為正常狀態(tài)。臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度Hc與溫度有關(guān)，關(guān)系式如下：（3）臨界電流密度Jc：當(dāng)通過(guò)超導(dǎo)體的電流密度超過(guò)臨界電流密度Jc時(shí)，超導(dǎo)體由超導(dǎo)體恢復(fù)為正常狀態(tài)。臨界電流密度Jc與溫度、磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)。5實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)為了證實(shí)（超導(dǎo)體）電阻為零，科學(xué)家將一個(gè)鉛制圓環(huán)，放入溫度低于Tc=7.2K的空間，利用電磁感應(yīng)使環(huán)內(nèi)激發(fā)起感應(yīng)電流。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，環(huán)內(nèi)電流能持續(xù)下去，從1954年3月1

3、6日始，到1956年9月5日止，在兩年半的時(shí)間內(nèi)的電流一直沒(méi)有衰減，這說(shuō)明圓環(huán)內(nèi)的電能沒(méi)有損失，當(dāng)溫度升到高于Tc時(shí)，圓環(huán)由超導(dǎo)狀態(tài)變正常態(tài)，材料的電阻驟然增大，感應(yīng)電流立刻消失，這就是著名的昂尼斯持久電流實(shí)驗(yàn)。67發(fā)展歷程1911年，荷蘭科學(xué)家H. K. Ones 利用低溫技術(shù)研究金屬的電阻特性時(shí)發(fā)現(xiàn)Hg在溫度低至4.2K時(shí)電阻降為零。后人把這種狀態(tài)叫超導(dǎo)態(tài)。并把電阻突然降為零的溫度稱為臨界溫度，記為T(mén)c。但由于早期的超導(dǎo)體存在于液氦極低溫度條件下，極大地限制了超導(dǎo)材料的應(yīng)用。人們一直在探索高溫超導(dǎo)體，從1911年到1986年，75年間從水銀的4.2K提高到鈮三鍺的2322K，才提高了19K

4、,科學(xué)家們用烏龜來(lái)形容這個(gè)程度。8追尋“高溫”超導(dǎo)之路這里說(shuō)的“高溫”，是相對(duì)于絕對(duì)零度而言的“高溫”.事實(shí)上，高溫超導(dǎo)的追尋“高溫”之路是以室溫為終極目標(biāo)的.直到1986年，繆勒(K. Alexander Muller)和柏諾茲(J. Georg Bednorz)發(fā)現(xiàn)了銅氧化物高溫超導(dǎo)體，人類提高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的速度才坐上了火箭，開(kāi)始飛速攀升。這之后，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度也不斷攀升，從最初的幾K到目前一百多K，不斷向室溫靠近。9新世紀(jì)超導(dǎo)的發(fā)展2009年10月10日，美國(guó)科學(xué)家合成物質(zhì)(Tl4Ba)Ba2Ca2Cu7O13+,將超導(dǎo)溫度提高到254K，距離冰點(diǎn)僅19，對(duì)于推廣超導(dǎo)的實(shí)際應(yīng)用具有極大的意

5、義。10國(guó)內(nèi)外最新進(jìn)展德國(guó)馬普所的研究人員借助短波紅外激光脈沖的幫助，成功制成室溫下的陶瓷超導(dǎo)體盡管其維持的時(shí)間僅有百萬(wàn)分之幾微秒。吉林大學(xué)物理學(xué)院、超硬材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的崔田教授組在“傳統(tǒng)高溫超導(dǎo)體”的研究上取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，理論預(yù)測(cè)H2S-H2化合物在高壓下的超導(dǎo)臨界溫度可達(dá)到191K。并且已被德國(guó)馬普所M. I. Eremets教授課題組的高壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果所證實(shí)。11“BCS理論”的名稱來(lái)自于它的創(chuàng)立者：巴丁(J.Bardeen)、庫(kù)珀(L.Cooper)和施里弗(J.Schrieffer) 現(xiàn)行理論1：BCS超導(dǎo)理論12BCS理論的基本觀點(diǎn)認(rèn)為：與晶格（或聲子）的耦合可導(dǎo)致原本互相排斥的

6、電子之間出現(xiàn)有效的吸引力，自旋和動(dòng)量相反的兩個(gè)電子通過(guò)聲子作為媒介形成一個(gè)束縛態(tài)，即所謂 “庫(kù)珀對(duì)”，而“庫(kù)珀對(duì)”能不受散射，順利地通過(guò)晶格。一個(gè)比較形象的理解：當(dāng)一個(gè)電子在晶格中運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于異性電荷相吸而導(dǎo)致局域晶格畸變，當(dāng)另外一個(gè)電子通過(guò)時(shí)，會(huì)感受到第一個(gè)電子通過(guò)時(shí)導(dǎo)致的晶格畸變的影響，從而在兩個(gè)電子之間產(chǎn)生間接吸引相互作用，這就是“庫(kù)珀對(duì)”，其總動(dòng)量和總自旋為零。所有電子對(duì)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中能夠保持“步調(diào)一致”（相位相干，即相位相同），即使受到雜質(zhì)等散射也將保持總動(dòng)量不變，從而在外加電場(chǎng)作用下能夠不損失能量而運(yùn)動(dòng)這種現(xiàn)象就是超導(dǎo)。所以說(shuō)，超導(dǎo)是微觀量子凝聚態(tài)的宏觀表現(xiàn)。13GL理論是在朗道二級(jí)

7、相變理論的基礎(chǔ)上提出的唯象理論。理論的提出者是京茨堡（Ginsburg）、朗道（Landau）?，F(xiàn)行理論2：GL理論14GL理論1950年，VL京茨堡和LD朗道在二級(jí)相變理論的基礎(chǔ)上提出了超導(dǎo)電性的唯象理論，稱為京茨堡朗道理論（簡(jiǎn)稱GL理論）。超導(dǎo)態(tài)與正常態(tài)間的相互轉(zhuǎn)變是二級(jí)相變（相變時(shí)無(wú)體積變化，也無(wú)相變潛熱）。1937年朗道曾提出二級(jí)相變理論，認(rèn)為兩個(gè)相的不同全在于秩序度的不同，并引進(jìn)序參量來(lái)描述不同秩序度的兩個(gè)相，=0時(shí)為完全無(wú)序，=1時(shí)為完全有序。GL理論把二級(jí)相變理論應(yīng)用于正常態(tài)與超導(dǎo)態(tài)的相變過(guò)程，其獨(dú)到之處是引進(jìn)一個(gè)有效波函數(shù)作為復(fù)數(shù)序參量，|2 則代表超導(dǎo)電子的數(shù)密度，應(yīng)用熱力學(xué)理論建立了關(guān)于的京茨堡-朗道方程。根據(jù)GL理論可得到許多與實(shí)驗(yàn)相符的結(jié)論，例如臨界磁場(chǎng)、相干長(zhǎng)度及穿透深度與溫度的關(guān)系等。GL理論還給出了區(qū)分第一類超導(dǎo)體和第二類超導(dǎo)體的判據(jù)。15貢獻(xiàn)GL理論的最大貢獻(xiàn)在于預(yù)見(jiàn)了第二類超導(dǎo)體的存在。從GL理論出發(fā)，可以引出表面能的概念。當(dāng)超導(dǎo)體的表面能 時(shí)，為第一類超導(dǎo)體；當(dāng)超導(dǎo)體的表面能 時(shí)，為第二類超導(dǎo)體。16第一類超導(dǎo)體和第二類超導(dǎo)體的磁場(chǎng)-溫度相圖17超導(dǎo)材料應(yīng)用前景利用超導(dǎo)材料輸電利用超導(dǎo)儲(chǔ)能磁懸浮列車(chē)用于熱核反應(yīng)高精度儀器的