超導材料的約瑟夫森和超導應用

1、超導材料的約瑟夫森和超導應用第1頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三第二節(jié)內容復習：第二節(jié) 傳統(tǒng)超導電體的超導電性理論第2頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三(1) 唯象理論二流體模型倫敦方程金茲堡-朗道理論(2) 傳統(tǒng)超導體的微觀機制 同位素效應超導能隙庫柏電子對 相干長度 BCS理論第3頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三倫敦第一方程式中，m是電子質量，Js為超流電流密度，ns是超導電子密度第4頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三倫敦第二方程：結合麥克斯韋方程，可以說明超導體表面的磁感應強度B以

2、指數(shù)衰減為零 稱為磁場穿透深度。第5頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三微觀機制同位素效應：隨著水銀同位素質量的增高，臨界溫度降低。對實驗數(shù)據(jù)處理后得到原于質量M和臨界溫度Tc的簡單關系： Tc= 1/M其中， =0.500.03 同位素效應把晶格與電子聯(lián)系起來了第6頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三同位素效應表明電子與晶格振動的相互作用可能是主要的相互作用。同位素效應表明晶格振動對超導體，在室溫下是出現(xiàn)電阻的原因，同時在低溫下，又可能是超導體處于超導態(tài)出現(xiàn)零電阻的原因。第7頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三超導能隙第

3、8頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三庫柏電子對庫柏認為，只要兩個電子之間有凈的吸引作用，不管這種作用力多么微弱，它們都能形成束縛態(tài)。這種吸引作用有可能超過電子之間的庫侖排斥作用，而表現(xiàn)為凈的相互吸引作用，這樣的兩個電子被稱為庫柏電子對從能量上看，組成庫柏對的兩個電子由于相互作用將導致勢能降低。庫柏電子對是現(xiàn)代超導理論的基礎。第9頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三一般非超導金屬狀態(tài)電子碰撞造成電阻自由電子正電區(qū)域帶正電原子電子通過造成帶正電晶格偏離在超導狀態(tài)下，由于晶格振動，自由電子通過時造成原子的偏離而產生另一電子的吸引作用晶格偏離區(qū)兩個電子

4、相互吸引形成庫伯電子對第10頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三自由電子經由間接的吸引力結合成庫伯電子對，庫伯電子對相互也隨著晶格振動產生的正負電荷區(qū)間依序移動，彼此不在碰撞，也就沒有電阻的產生第11頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三 相干長度皮帕德(A.B. Pippard)證明，當一個電子從金屬的正常區(qū)移動到超導區(qū)時，其波函數(shù)不能從它的正常態(tài)值突然轉變?yōu)槌瑢B(tài)值，這種轉變只能發(fā)生在一個距離上， 被稱為相干長度。簡單的說庫伯電子對間的距離就是相干長度。第12頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三一般非超導金屬狀態(tài)電子碰撞

5、造成電阻自由電子正電區(qū)域帶正電原子電子通過造成帶正電晶格偏離在超導狀態(tài)下，由于晶格振動，自由電子通過時造成原子的偏離而產生另一電子的吸引作用晶格偏離區(qū)兩個電子形成庫伯電子對第13頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三可見，實際的庫柏對并非局限在非常小的空間里，而是擴展在10-6 m的空間寬度上，這里 就稱為超導態(tài)的相干長度，它描述了配對電子間的距離。 相干長度和穿透深度一樣，也是超導體的特征參量。下表列舉了一些有代表性的超導體的相干長度。第14頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三幾種物質在0K下的超導相干長度 第15頁，共126頁，2022年，5月

6、20日，17點34分，星期三庫伯對的尺寸是相當大的，相干長度實際上就是凝聚成對的電子互相作用距離，也叫BCS相干長度，隨超導體而異，一般在103nm的兩級。第16頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三 BCS理論美國的巴丁(JBardeen)、庫柏(L NCooper)和施瑞弗(JRSchrieffer)在1957年提出了超導電性量子理論，被稱為BCS超導微觀理論。它可以解釋與低溫超導相關的各種實驗事實，從而獲得1972年諾貝爾物理獎。第17頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三BCS超導微觀理論的核心是 (1)電子間的相互吸引作用形成的庫柏電子對會

7、導致能隙的存在。超導體臨界場、熱學性質及大多數(shù)電磁性質都是這種電子配對的結果。第18頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三簡單的說，在低溫（絕對零度）時的正常自由電子，使費米球內的大部分被占據(jù)，球外的態(tài)全是空著的。如果電聲子相互吸引作用，使費米面上一對電子形成庫伯電子對并降低總能量，那么將有更多的費米面一下的電子到費米面上去形成庫伯對，以降低總能量，這個過程直到平衡為止，絕對零度時，費米面附近電子全部凝聚成庫伯對。大量庫伯對電子對出現(xiàn)就是超導態(tài)的形成。超導態(tài)中電子凝聚成庫伯對就使他比正常態(tài)更有序。第19頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三當溫度不是

8、絕對零度時，一部分庫伯對就要被拆散，即出現(xiàn)一部分正常電子。溫度升高后，更多的庫伯對被拆散，凝聚的電子減少，到臨界溫度時不再有庫伯對，全部電子被激發(fā)，樣品變?yōu)檎B(tài)。第20頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三(2)元素或合金的超導轉變溫度與費米面附近電子能態(tài)密度N(EF)和電子-聲子相互作用能U有關，它們可以從電阻率來估計，當UN(EF)1時，BCS理論預測臨界溫度為：式中，D為德拜溫度。有關Tc的理論結果在定性上滿足實驗數(shù)據(jù)。第21頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三另外，從上式中得到這樣一個有趣的結論：一種金屬如果在室溫下具有較高的電阻率(因為

9、室溫電阻率是電子-聲子相互作用的量度)，冷卻時就有更大可能成為超導體。第22頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三BCS理論可以得到磁通量子化的結論，即，磁通量子的電荷有效單位是2e而不是e。由于BCS基態(tài)涉及的是庫柏電子對，所以磁通量子化中的電子對電荷2e是BCS理論的一個推論。 第23頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三BCS理論是第一個成功地解釋了超導現(xiàn)象的微觀理論，也是目前惟一成功的超導微觀理論。后來，雖然又有了一些形式上的發(fā)展和完善，但基本思想和物理圖像則沒有更大的改變。第24頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三第

10、三節(jié)：約瑟夫森效應超導量子隧穿效應1973年諾貝爾物理學獎一半授予美國紐約州的：約克城高地(Yorktown Heights) IBM瓦森研究中心的江崎玲於奈(Leo Esaki)，美國紐約州斯琴奈克塔迪(Schenectady)通用電器公司的賈埃弗(Ivar Giaever)，以表彰他們分別在有關半導體和超導體中的隧道現(xiàn)象的實驗發(fā)現(xiàn)；另一半授予英國劍橋大學的約瑟夫森(Brian Josephson，1940-)，以表彰他對穿過隧道壁壘的超導電流所作的理論預言，特別是關于普遍稱為約瑟夫森效應的那些現(xiàn)象。 第25頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三第26頁，共126頁，2

11、022年，5月20日，17點34分，星期三第三節(jié)：約瑟夫森效應超導量子隧穿效應約瑟夫森效應：在兩片超導體中間夾入一片薄薄的絕緣體，在沒有外加電壓的情況下，仍會有直流電流通過絕緣體，這純然是古典物理所不容許的量子效應。如果在超導體兩端施上一固定電壓，則居然會出現(xiàn)交流電流；我們可以從交流電的頻率得到非常準確的物理常數(shù)。 第27頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三宏觀量子效應在經典力學中，若兩個空間區(qū)域被一個勢壘分隔開，則只有粒子具有足夠的能量越過勢壘時，它才會從一個空間進入另一個空間區(qū)域中去。第28頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三在量子力學中，情

12、況卻并非如此，粒子要具有足夠的能量不再是一個必要條件。一個能量不大的粒子也可能會以一定的幾率“穿過”勢壘（即當微觀粒子的總能量小于勢壘高度時，該粒子仍能穿越這一勢壘），這就是所謂的隧道效應。 第29頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三1、正常電子隧道效應考慮被絕緣體I 隔開的兩個金屬，如下圖所示。絕緣體通常阻擋從一種金屬流向另一種金屬的傳導電子。如果阻擋層足夠薄，則由于隧道效應，電子具有相當大的幾率穿越絕緣層。第30頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三電子的波函數(shù)并不突然下降為零。在勢壘中，波函數(shù)按指數(shù)衰減如果勢壘的厚度d不大，則還沒有等到波函數(shù)

13、衰減到零就碰到了勢壘的右邊緣，這時在勢壘右方，電于波函數(shù)將有一定幅度，因而電子將有一定的幾率通過勢壘利用薛定諤方程，可以算出穿透幾率。第31頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三當兩個金屬都處于正常態(tài)，夾層結構(或隧道結)的電流-電壓曲線在低電壓下是歐姆型的，即電流正比于電壓，如圖所示：第32頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三賈埃弗(I. Giaever)發(fā)現(xiàn)，如果金屬中的一個變?yōu)槌瑢w時，電流-電壓的特性曲線會變化如下：第33頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三 2 、 約瑟夫遜隧道電流效應上面所述的NIS結和SIS結，

14、其隧道電流都是正常電子穿越勢壘。正常電子導電，通過絕緣介質層的隧道電流是有電阻的。這種情況的絕緣介質厚約幾十納米到幾百納米。第34頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三如果SIS隧道結的絕緣層厚度只有1nm左右，那么理論和實驗都證實了將會出現(xiàn)一種新的隧道現(xiàn)象，即庫柏電子對的隧道效應，電子對穿過位壘后仍保持著配對狀態(tài)。第35頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三電子能通過兩塊超導體之間薄絕緣層的量子隧道效應。1962年由約瑟夫森首先在理論上預言，在不到一年的時間內，P.W.安德森和J.M.羅厄耳等人從實驗上證實了約瑟夫森的預言。約瑟夫森 效應的物理內容

15、很快得到充實和完善，應用也快速發(fā)展，逐漸形成一門新興學科超導電子學。第36頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三約瑟夫遜在研究電子對通過超導金屬間的絕緣層時指出，當兩塊超導體之間的絕緣層薄至接近原子尺寸(10-20 )時，超導電子可以穿過絕緣層產生隧道效應，即超導體-絕緣體-超導體這樣的超導結 (約瑟夫遜結或SIS結) 具有超導性。第37頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三兩塊超導體通過一絕緣薄層(厚度為1nm左右)連接起來，絕緣層對電子來說是一勢壘，一塊超導體中的電子可穿過勢壘進入另一超導體中，這是特有的量子力學的隧道效應。當絕緣層太厚時，隧道效

16、應不明顯，太薄時，兩塊超導體實際上連成一塊，這兩種情形都不會發(fā)生約瑟夫森效應。絕緣層不太厚也不太薄時稱為弱連接超導體。兩塊超導體夾一層薄絕緣材料的組合稱S-I-S超導隧道結或約瑟夫森結。第38頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三約瑟夫森結第39頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三直流約瑟夫森效應結兩端的電壓V0時，結中可存在超導電流，它是由超導體中的庫珀對的隧道效應引起的。第40頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三交流約瑟夫森效應：結兩端的直流電壓V0時，通過結的電流是一個交變的振蕩超導電流，振蕩頻率（稱約瑟夫森頻率）f與

17、電壓V成正比，這使超導隧道結具有輻射或吸收電磁波的能力。以微波輻照隧道結時可產生共振現(xiàn)象。連續(xù)改變所加的直流電壓以改變交流振蕩頻率第41頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三交流約瑟夫森效應 第42頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三物理解釋：由BCS理論，庫珀對是長程有序的，因此在一塊超導體中所有的庫珀對具有相同的位相。如果SI-S結的約瑟夫森電流和磁場的關系所示的兩塊超導體中間的絕緣層較厚,則兩塊超導體中電子無關聯(lián), 各自具有獨立的位相1和2。當絕緣層減小到某一厚度后，兩塊超導體中的超導電子就以位相差 1-2聯(lián)系起來。這時的絕緣層就成為一個弱超

18、導體。庫珀對可通過這個弱超導體而出現(xiàn)超流隧道或電子對隧道效應。第43頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三課后思考題：怎樣用超導能隙解釋約瑟夫森效應？第44頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三約瑟夫遜效應的應用第45頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三約瑟夫森元件可以應用于一些精密測量。 表1約瑟夫森元件用于精密測量時的分辨能力第46頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三約瑟夫森元件可以作用電壓標準、磁強計、伏特計、安培計、低溫溫度計、計算機元件,以及毫米波、亞毫米波的發(fā)射源、混頻器和探測器等，且有靈敏

19、度高、噪聲低、功耗小和響應速度快等一系列優(yōu)點?，F(xiàn)今已發(fā)展起以建立極靈敏的電子測量裝置為目標的“超導結電子學”，與超導磁體一起成為超導電性的兩項重大應用。 第47頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三 利用交流約瑟夫森效應來監(jiān)視電壓單位的基準器，已在美國、日本、英國和加拿大立為法定的保持電壓基準器的方法。右圖是國際計量局所設的約瑟夫森基準室正在工作的情況。 第48頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三第四節(jié)超導材料的分類（一）：按使用溫度分：低溫超導高溫超導第49頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三一、低溫超導體具有低臨界轉變溫

20、度（Tc30K），在液氦溫度條件下工作的超導材料。分為金屬、合金和化合物。第50頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三昂納斯 在發(fā)現(xiàn)超導現(xiàn)象后，利用Pb制造超導磁體，但未獲成功。50年代，用冷加工的純鈮線，繞制了磁場強度為0.6T的超導磁體。第51頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三在超導材料的探索過程中，不能不提及的超導材料是NbTi 和Nb3Sn。Nb3Sn化合物超導材料于1954年由馬賽厄斯等人發(fā)現(xiàn)，而NbTi合金具有超導電性則于1961年由孔茨勒發(fā)現(xiàn)。它們是目前應用最為廣泛的兩種超導材料。至今，用NbTi合金線材繞制一個8T的超導磁體，用N

21、b3Sn化合物線材繞制一個15T的超導磁體已經不存在任何的技術問題。 第52頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三目前實用的低溫合金超導材料主要是NbTi材料，NbTi材料繞制的超導磁體用于“核磁共振成像醫(yī)療診斷儀”，這種儀器目前已經廣泛使用。第53頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三二、高溫超導體尋找高性能的超導材料是世界上最富吸引力的課題之一。第54頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三BCS理論一、電子聲子機制二、是否存在新的機制？第55頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三 是德拜溫度 N(EF)

22、 是費米面的電子態(tài)密度 U 是電聲子耦合強度（庫柏對強度）第56頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三1986年高溫超導的發(fā)現(xiàn)為現(xiàn)代物理學數(shù)十年來最令人興奮的里程牌。20多年來人們陸續(xù)地發(fā)現(xiàn)幾百余種非金屬間以銅氧化合物為基礎的高溫超導材料，它們的物理、化學性質大大超出了人們的預料。這些材料的超導轉變溫度都高于1986年發(fā)現(xiàn)的23K。了解高溫超導現(xiàn)象及此類固體的各種性質已成為固體科學領域中重要的一部分。第57頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三高溫超導體（一）高溫超導氧化物的特點1、高Tc1、晶體缺陷濃度很高，高溫超導體是不穩(wěn)定或亞穩(wěn)定的。3、正常態(tài)

23、性質不正常：霍爾系數(shù)隨溫度降低單調降低，電阻率隨溫度的降低而線性降低4、臨界溫度對雜質含量很敏感第58頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三高溫超導的晶體結構214結構：La2CuO4第59頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三第60頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三LaCuOLa2CuO41第61頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三特點：每個晶胞含有兩個CuO2平面，并由兩層金屬氧離子平面分開。形成：CuO2LaOLaO這樣的周期堆積。第62頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期

24、三123結構YBa2Cu3O7Y123是超導轉變溫度最高的。其基本特征是兩個CuO2平面中央有一層Y原子面，居于晶胞中央，兩側是BaO原子面。上下底是含Cu-O鏈的Cu-O平面。第63頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三第64頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三發(fā)現(xiàn)Y123 （YBa2Cu3O7）后，進行了大量的元素取代研究，對B位Cu的替代可以得到正交結構，也可以得到四方結構，但是少量的替代都是超導的，可Tc卻因為少量的替代而迅速下降。各種稀土元素用來代替A位置的Y，并且是完全的替代，仍形成123結構，除Pr外對Tc影響很小。第65頁，共126

25、頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三很少超導體具有銅氧化物這么復雜的結構，這些結構是由各種金屬氧組成的原子面堆積而成的。這類復雜堆積本身很有趣，但更重要的是人們目前對氧化物高Tc的超導性質的理解，在很大程度上依賴與它的結構認識。第66頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三124結構和247結構124結構YBa2Cu4O8如果把123結構看成是由兩個CuO2層夾一層Y和兩個BaO層夾一層CuO構成，則在兩個BaO層中加一層CuO1x就形成了YBa2Cu4O8結構。將123和124兩種基元混合周期性地沿c軸堆積，則形成新的Y2Ba4Cu7O15第67頁，共126頁

26、，2022年，5月20日，17點34分，星期三（二）今后的發(fā)展動向 1、基礎物理方面高溫超導體的不尋常性質顯然不僅僅是它高的Tc值，其它性質及各向異性的結構都可追溯到電子與自旋、電于與電子、電子與品、晶格之間強烈的相互作用。其超導性能與正常態(tài)不尋常的性能息息相關。要了解高溫超導體就必須把這些相互作用以嚴格完善的理論表達出來。第68頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三雖然多年來的研究帶給我們許多系統(tǒng)而精確的實驗數(shù)據(jù)和規(guī)律，并讓我們能相當準確地預測不同體系的銅氧化合物的超導性質，但目前我們尚未有一個完整的高溫超導機理的解釋。為什么會存在這些不尋常的規(guī)律?如何把不同尋常的正常

27、態(tài)和不符合費米液體規(guī)律的性質與高溫超導性質聯(lián)系起來?我們的科學知識還很不完整，要提高高溫超導樹料的Tc值和優(yōu)化輸運性質，或在銅氧化合物之外找到新的超導材料就迫切地需要找出這些問題的答案。第69頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三高溫超導材料和低溫超導材料另個重要區(qū)別是，高溫超導材料的磁通相圖極為復雜，并含有豐富的物理現(xiàn)象。磁通的存在以不同的形態(tài)出現(xiàn)，包括固態(tài)晶格、玻璃態(tài)和液態(tài)。而在強的外電磁力影響下，這些態(tài)又能做出不問的動態(tài)反應，使超導體失去零電阻的特性。這些現(xiàn)象提出了許多新的物理問題，對它們的徹底認識和控制是提高高溫超導材料實用價值的一個重要條件。第70頁，共126頁

28、，2022年，5月20日，17點34分，星期三第71頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三2、 新材料和化學方面新材料研究是高溫超導領域里化學工作的核心。合成新材的目標是：提高Tc值，增加材料的穩(wěn)定性，減少毒性材料的采用和提高各種物理性能，如臨界電流密度、釘扎能量和超導凝聚能等。第72頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三3、材料科學和應用方面高溫超導體與低溫超導還存在三個重要區(qū)別：一、前者的輸運性質完全依賴與晶格或近似晶格形態(tài)的存在。而后者的存在形態(tài)確是合金。二、高溫超導體不容易作成超導銜接，導致不能保持電流的持久性。破壞了超導線圈應有的穩(wěn)定性。第

29、73頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三3、由于高溫超導的極短的相干長度，加上其原子尺度的缺陷特別多，就產生了電流傳導不均勻現(xiàn)象，大大削弱了線材的實際臨界電流。第74頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三（三） 其它類型超導體 堿金屬摻雜的C60超導體 有機超導體非晶超導材料重費米子超導體金屬間化合物(RTB)超導體 復合超導材料第75頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三 堿金屬摻雜的C60超導體C60具有極高的穩(wěn)定性，當C60中摻入堿金屬時，人們發(fā)現(xiàn)在一些特定成分上可以形成富勒烯結構。通過與各種堿金屬原子的結合，AxC60

30、的超導轉變溫度已經提高到30K以上，超導溫度最高RbCs2C60的臨界轉變溫度為33K。第76頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三 有機超導體第一個被發(fā)現(xiàn)的有機超導體是(TMTSF)2PF6，盡管這種有機鹽的超導轉變溫度只有0.9K，但是，它的發(fā)現(xiàn)預示了一個新的超導電性研究領域的出現(xiàn)。第77頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三有機超導體具有低維特性、低電子密度和異常的頻率關系，已引起了眾多科學家的注意。第78頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三非晶超導材料非晶態(tài)超導體的研究主要包括非晶態(tài)簡單金屬及其合金和非晶態(tài)過渡金屬及其

31、合金。它們具有高度均勻性、高強度、耐磨、耐腐蝕等優(yōu)點。第79頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三非晶態(tài)結構的長程無序性對其超導電性的影響很大，能使有些物質的超導轉變溫度Tc提高，這是由于非晶態(tài)超導體與晶態(tài)超導體的不同所引起的。非晶態(tài)過渡金屬及合金的性質比簡單金屬更為復雜。第80頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三重費米子超導體 重費米子超導體是20世紀70年代末期發(fā)現(xiàn)的，它的超導轉變溫度只有0.7K。第81頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三由于這類超導體的低溫電子比熱系數(shù)非常大，是普通金屬的幾百甚至幾千倍。因此，推斷出這

32、類超導體的電子有效質量比自由電子(費米子)的質量重幾百甚至幾千倍，因此稱為重費米子超導體。重費米子超導體的研究對于超導電機制研究有重大意義。第82頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三金屬間化合物(R-T-B-)超導體20世紀70年代，人們發(fā)現(xiàn)稀土-過渡元素-硼組成的金屬間化合物具有超導電性。這類超導體表現(xiàn)出鐵磁性與超導電性共存的復雜現(xiàn)象，因此又稱為磁性超導體。第83頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三在金屬間化合物(RTB)超導體中，以鉛鉬硫(PbMoS8)的超導轉變溫度最高。后來人們又制備出YNi4B超導體和YNi2B2C超導體等等，四元素硼碳

33、金屬間化合物的超導轉變溫度達到23K。第84頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三 復合超導材料許多超導體與良導體可以進行復合，進而形成復合超導材料。復合超導材料可以承載更大的電流、減少退化效應、增加超導的穩(wěn)定性、提高機械強度和超導性能等。第85頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三復合超導體有超導電纜、復合線、復合帶、超導細線復合線等等，其主要由超導材料以及良導體、填充料、絕緣層以及高強度材料包覆層和屏蔽層六部分組成。第86頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三第五節(jié)、超導材料的應用自超導性被發(fā)現(xiàn)以后的幾十年間，超導轉變溫度始

34、終沒有沖出液氦區(qū)，這給工業(yè)上的應用蒙上了一層陰影。高溫超導材料的出現(xiàn)給超導性的應用帶來了新的希望，人們對高溫超導體在工業(yè)和科學上的應用寄予了厚望，并普遍認為不久的將來高溫超導體就會成為新的技術革命的主角，為推動社會經濟生產的發(fā)展作出重大的貢獻。雖然超導材料的應用目前還要克服許多困難，但科學家們仍然相信它在工業(yè)上的大規(guī)模應用已經為期不遠了。持樂觀態(tài)度的人們預計，超導產業(yè)將會創(chuàng)造8000億美元的巨大市場， 第87頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三第五節(jié)、超導材料的應用高溫超導材料的用途，大致可分為以下三類： （1）大電流應用（強電應用）； （2）電子學應用（弱電應用）；

35、（3）磁性應用 電性應用第88頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三其中，大電流應用主要是指超群的超導磁體用于超導發(fā)電、輸電和儲能等三方面。電子學應用包括超導計算機、超導天線、超導微波器件等；磁性主要應用于磁懸浮列車和熱核聚變反應堆等。第89頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三1、超導的大電流（強電）應用超導材料最誘人的應用是發(fā)電、輸送電和儲能。超導材料的應用將會在電力工業(yè)中引起一場革命。 第90頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三1）輸電：常在電力輸送過程中，送電、變電、配電等每一步驟都不可避免地存在著電阻，當電流通過導線

36、時相當一部分電能轉化成了熱量而白白浪費掉了。為了減少能量損失，人們不得不在遠距離電力輸送過程中一再提高電壓。一座座高壓輸電鐵塔威武挺拔地聳立在江河平原、崇山峻嶺，確實也給人間平添了幾分壯麗的景色，但人類卻為此付出了極為昂貴的代價，耗費了難以估計的人力和物力。 第91頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三據(jù)統(tǒng)計，目前的銅或鋁導線輸電，約有15%的電能損耗在輸電線路上，光是在中國，每年的電力損失即達1000多億度。若改為超導輸電，節(jié)省的電能相當于新建數(shù)十個大型發(fā)電廠。 第92頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三于是大功率無電阻送電就成為人們神話般的夢想

37、，而超導體的出現(xiàn)無疑使這種夢想有可能變?yōu)楝F(xiàn)實。可以利用超導材料制成很細的導線，在無需變電所和變壓器等配電設備的情況下，將電直接送到千家萬戶，真是既安全又省錢，還大大提高了能量的利用率。 第93頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三三個臨界參數(shù)限制了超導體的應用，直到非理想第二類超導體的發(fā)現(xiàn)。但是超導體運行非常不穩(wěn)定，容易發(fā)生“失超”現(xiàn)象：1、外因2、內因第94頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三2) 發(fā)電由于超導材料在超導狀態(tài)下具有零電阻和完全的抗磁性，因此只需消耗極少的電能，就可以獲得10萬高斯以上的穩(wěn)態(tài)強磁場。而用常規(guī)導體做磁體，要產生這么大的

38、磁場，需要消耗3.5兆瓦的電能及大量的冷卻水，投資巨大。第95頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三超導磁體可用于制作交流超導發(fā)電機、磁流體發(fā)電機等。第96頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三超導發(fā)電機在電力領域，利用超導線圈磁體可以將發(fā)電機的磁場強度提高到5萬6萬高斯，并且?guī)缀鯖]有能量損失，這種發(fā)電機便是交流超導發(fā)電機。第97頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三超導發(fā)電機的單機發(fā)電容量比常規(guī)發(fā)電機提高510倍，達1萬兆瓦，而體積卻減少1/2，整機重量減輕1/3，發(fā)電效率提高50。 第98頁，共126頁，2022年，5月20

39、日，17點34分，星期三磁流體發(fā)電機磁流體發(fā)電機同樣離不開超導強磁體的幫助。磁流體發(fā)電發(fā)電，是利用高溫導電性氣體（等離子體）作導體，并高速通過磁場強度為5萬6萬高斯的強磁場而發(fā)電。第99頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三磁流體發(fā)電機的結構非常簡單，用于磁流體發(fā)電的高溫導電性氣體還可重復利用。 第100頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三超導磁體的優(yōu)點：1、電流密度比常規(guī)磁體高。2、沒有焦耳熱損耗、3、可以在更大的空間上獲得更高的磁場第101頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三3) 超導貯能超導材料在輸送電流時，不會損耗電

40、力，故用它可把作發(fā)電機可以做得很小。第102頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三例如一臺普通大型發(fā)電機需用1520噸銅絲繞成線圈，如果用超導材料作線圈，只要幾百克就夠了，而發(fā)出的電力卻一樣。因此，超導材料是一種極好的節(jié)能材料和儲能材料。第103頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三1987年，美國國防部為適應“星球大戰(zhàn)”的需要，決定建立一個用超導材料儲能的蓄電裝置。在和平時期可向居民供電，在有導彈襲來時，可為激光武器供電，用激光摧毀導彈。 第104頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三因為超導材料沒有電阻，它的蓄能效率高，可以

41、回收98的多余電力，而且反應速度快。一旦需要電力，在0.3秒內就可從超導儲能線圈中把電流引出來送到任何電網(wǎng)。這對星球大戰(zhàn)時所需電力是非常重要的。第105頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三美國已設計并著手建造一個可以儲存500萬千瓦小時的巨型圈。它的直徑有1568米，儲存的電力足以供幾十萬人口的城市照明用電。第106頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三超導材料之所以能儲存電能是因為它沒有電阻，只要把電“注入”超導線圈，電流就可以無休止地在線圈中流動也不會有損耗。第107頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三二 電子學方面的應

42、用超導體在電子學領域里更是大有用武之地。高溫超導體的出現(xiàn)使早已擱淺的超導計算機的研究重新起動；強超導磁體在核磁共振計算機斷層診斷裝置上的應用，可以使它的分辨率大大提高，能診斷出更早期的癌細胞，以造福于子孫萬代；第108頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三超導量子器件不但能探測出埋在地下的礦物，也能探查人腦的高級神經活動，揭開人類大腦思維活動的奧秘；利用超導原理制造的新型紅外探測器、超導磁強計、超導重力儀、超導濾波器及各種微波器件，將廣泛應用于航空航天事業(yè)、地震預報、地質勘探及天文學領域；利用超導體的完全抗磁性可制造新型回旋加速器，把人們的視覺和感觀延伸到微觀世界深處，揭

43、開物質起源、生命世界的奧秘。 第109頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三1)超導計算機高速計算機要求集成電路芯片上的元件和連接線密集排列，但密集排列的電路在工作時會發(fā)生大量的熱，而散熱是超大規(guī)模集成電路面臨的難題。第110頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三超導計算機中的超大規(guī)模集成電路，其元件間的互連線用接近零電阻和超微發(fā)熱的超導器件來制作，不存在散熱問題，同時計算機的運算速度大大提高。第111頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三2)醫(yī)學：超導材料在醫(yī)學方面，可以用來制造一種能測量極微小的電壓和電流的電子元件，叫做超導

44、量子干涉器件。它可以測量小到100億億分之一伏特的電壓差和100億億分之一安培的電流(每秒僅通過幾個電于)，也可以測量小于100萬億分之一特斯拉的磁場(僅相自于地磁場的100億分之一)。第112頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三由于腦體和心臟細胞有病變時會改變腦電流和心電流信號，因此可用超導量子干涉器件診斷心臟和腦部的疾病。磁腦照相術就是利用超導量子器件的這一性能，它可以檢測出稍大于10萬億分之一特拉斯的腦電信號，并能確定幾毫米范圍內的神經信號源。因此，超導材料在醫(yī)學上被稱作診斷疾病的“神醫(yī)”。第113頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三三 超導磁體的應用1) 超導磁懸浮列車在交通運輸業(yè)中，如何提高列車運行的速度一直是世界各國密切關注的重要問題。特別是隨著社會的發(fā)展和交往的日益頻繁，如何解決交通堵塞的問題就變得更迫切和重要。由于車輪和鐵軌之間不可避免的摩擦力，騎在鐵軌上的火車的運行速度很難大幅度提高。第114頁，共126頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三利用超導材料的抗磁