超導(dǎo)物理學(xué)：第1章 超導(dǎo)研究的歷程

超導(dǎo)研究的歷程

---------------紀(jì)念超導(dǎo)誕辰100周年超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)1908年荷蘭物理學(xué)家H.開默林－昂內(nèi)斯液化氦成功，從而達到一個新的低溫區(qū)（4.2K以下）。1911年，他發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度降到4.2K附近時，汞樣品的電阻突然降到0。他把這種性質(zhì)稱為超導(dǎo)電性。零電阻性1913年獲得諾貝爾物理學(xué)獎超導(dǎo)體的基本特性零電阻性超導(dǎo)體的基本特性超導(dǎo)態(tài)零電阻的實驗觀測超導(dǎo)體的基本特性完全抗磁性1933年W.Hans.Meissner

和RobertOchsenfeld

發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體的完全抗磁性，磁化率＝－1，即完全抗磁性，又稱為邁斯納效應(yīng)。超導(dǎo)體的基本特性超導(dǎo)態(tài)抗磁性的實驗觀測超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度與時間的關(guān)系10

人5次在超導(dǎo)方面獲得諾貝爾物理學(xué)獎里程碑“forhisinvestigationsonthepropertiesofmatteratlowtemperatureswhichled,interalia,totheproductionofliquidhelium”.HeikeKamerlinghOnnes

theNetherlandsLeidenUniversity

Leiden,theNetherlands.TheNobelPrizeinPhysics191310

人5次在超導(dǎo)方面獲得諾貝爾物理學(xué)獎里程碑TheNobelPrizeinPhysics1972"fortheirjointlydevelopedtheoryofsuperconductivity,usuallycalledtheBCS-theory“JohnBardeenLeonNeilCooperJohnRobertSchrieffer1/3oftheprize1/3oftheprize1/3oftheprizeUSAUSAUSAUniversityofIllinois

Urbana,IL,USABrownUniversity

Providence,RI,USAUniversityofPennsylvania

Philadelphia,PA,USA10

人5次在超導(dǎo)方面獲得諾貝爾物理學(xué)獎里程碑TheNobelPrizeinPhysics1973LeoEsakiIvarGiaeverBrianDavidJosephson1/4oftheprize1/4oftheprize1/2oftheprizeJapanUSAUnitedKingdomIBMThomasJ.WatsonResearchCenter

YorktownHeights,NY,USAGeneralElectricCompany

Schenectady,NY,USAUniversityofCambridge

Cambridge,UnitedKingdom"fortheirexperimentaldiscoveriesregardingtunnelingphenomenainsemiconductorsandsuperconductors,respectively"."forhistheoreticalpredictionsofthepropertiesofasupercurrentthroughatunnelbarrier,inparticularthosephenomenawhicharegenerallyknownastheJosephsoneffects"10

人5次在超導(dǎo)方面獲得諾貝爾物理學(xué)獎里程碑"fortheirimportantbreak-throughinthediscoveryofsuperconductivityinceramicmaterials"J.GeorgBednorzK.AlexanderMüller1/2oftheprize1/2oftheprizeFederalRepublicofGermanySwitzerlandIBMZurichResearchLaboratory

Rüschlikon,SwitzerlandIBMZurichResearchLaboratory

Rüschlikon,SwitzerlandTheNobelPrizeinPhysics198710

人5次在超導(dǎo)方面獲得諾貝爾物理學(xué)獎里程碑TheNobelPrizeinPhysics2003“forpioneeringcontributionstothetheoryofsuperconductorsandsuperfluids”.AlexeiA.AbrikosovVitalyL.GinzburgAnthonyJ.Leggett1/3oftheprize1/3oftheprize1/3oftheprizeUSAandRussiaRussiaUnitedKingdomandUSAArgonneNationalLaboratory

Argonne,IL,USAP.N.LebedevPhysicalInstitute

Moscow,RussiaUniversityofIllinois

Urbana,IL,USAApplication

ofNb3Snin1950s

里程碑AlloySb3SnWiresMagnetThestartoftheapplicationofsuperconductor!Thediscoveryofhigh-Tcsuperconductorsin1986里程碑1986年繆勒和柏諾茲發(fā)現(xiàn)了陶瓷性金屬氧化物L(fēng)aBaCuO4，其臨界溫度約為35K1987年在超導(dǎo)材料的探索中又有新的突破，美國休斯頓大學(xué)物理學(xué)家朱經(jīng)武小組與中國科學(xué)院物理研究所趙忠賢等人先后宣布制成臨界溫度約為90K的超導(dǎo)材料YBCO。Thediscoveryofhigh-Tcsuperconductorsin1986里程碑Thediscoveryofhigh-Tcsuperconductorsin1986里程碑高溫超導(dǎo)研究的理論價值Tc

?

40KBCS理論預(yù)言極限配對機理？RVB模型？自旋漲落？極化子模型等？贗能隙BCSBEC關(guān)系？Thediscoveryofhigh-Tcsuperconductorsin1986里程碑二維層狀超導(dǎo)電性本征弱連接！巨磁通蠕動！！高溫超導(dǎo)研究的應(yīng)用價值Thediscoveryofhigh-Tcsuperconductorsin1986里程碑高溫超導(dǎo)研究的應(yīng)用價值本征Josephson結(jié)構(gòu)成陣列共振頻率在太赫茲波段！兩上種在液氮下工作ThediscoveryofsuperconductivityofMgB2in2000里程碑2000年，日本超導(dǎo)物理學(xué)家秋光純發(fā)現(xiàn)MgB2超導(dǎo)體Tc～40KThediscoveryofsuperconductivityofMgB2in2000里程碑發(fā)現(xiàn)了Tc最高的BCS超導(dǎo)體互相垂直的雙能隙超導(dǎo)體MgB2發(fā)現(xiàn)的理論價值ThediscoveryofsuperconductivityofMgB2in2000里程碑MgB2發(fā)現(xiàn)的應(yīng)用價值兩上種無弱連接，易于加工成型在液氫下工作ThediscoveryofFe-basedsuperconductorsin2008里程碑2008,March

Y.Kamihara

et.al

JACSLaOFeAs，參雜F0.05～0.12，Tc=26KThediscoveryofFe-basedsuperconductorsin2008里程碑LiFeAs111相Tc=18KBa(Li)FeAs111相Tc=26KSmO(F)

FeAs1111相Tc=54K“11”“111”“1111”“122”FeSeLiFeAsNaFeAsLaFeAsOBaFe2As2La3Ni4P4O2BaNi2As2“42622”“21311”(Sr4V2O6)Fe2As2(Sr4Sc2O6)Fe2P2CaFeAsFKnownFe-andNi-basedsuperconductors“32522”M.K.WuY.Takano……PaulChuC.Q.Jin……H.Hosono……H.HosonoD.JohrendtH.H.Wen……FeAs:D.Johrendt……NiAs:J.D.ThompsonF.Ronning……H.H.Wen……FeP:ShimoyamaFeAs:H.H.Wen……R.J.Cava……(Sr3Sc2O5)Fe2P2鐵砷化物超導(dǎo)體——高溫超導(dǎo)研究的新契機和新挑戰(zhàn)H.–H.Wen,Adv.Mater.20,3764(2008);方磊，聞?；?，科學(xué)通報53,2265(2008).ThediscoveryofFe-basedsuperconductorsin2008里程碑鐵基超導(dǎo)研究的理論價值Tc

≥

40KBCS理論預(yù)言極限機理？實現(xiàn)了超導(dǎo)序與磁的共存！ThediscoveryofFe-basedsuperconductorsin2008里程碑鐵基超導(dǎo)研究的應(yīng)用價值MgB2和鐵基超導(dǎo)MgB2和鐵基超導(dǎo)體上臨界磁場異常的高??！液氫溫度工作Whereisthenextmilestone?里程碑眾里尋他千百度，驀然回首，那人卻在燈火闌珊處。第一個研究超導(dǎo)的中國人：李國鼎先生里程碑1934,考取中英庚款留英公費，赴英入劍橋大學(xué)物理研究所，作貝他及迦瑪放射線研究。1936,從事極低溫超導(dǎo)研究。杰出校友李國鼎生平記事:劉楣教授的小組東南大學(xué)的超導(dǎo)研究新超導(dǎo)體的能帶計算及超導(dǎo)機理；超導(dǎo)磁通物質(zhì)的特性、相變；磁通釘扎及運動。施智祥教授的小組東南大學(xué)的超導(dǎo)研究新超導(dǎo)體的探索及超導(dǎo)機理；超導(dǎo)電磁特性及磁通釘扎；超導(dǎo)材料制備及應(yīng)用。里程碑1911年H.KamerlinghOnnes發(fā)現(xiàn)汞(Hg)在絕對溫度4.2度附近呈現(xiàn)超導(dǎo)性(獲1913年諾貝爾物理獎)

1913年發(fā)現(xiàn)Pb於溫度7.2K時具超導(dǎo)性。1914年Onnes以鉛(Pb)超導(dǎo)體製作線圈證明永久電流之存在1930年發(fā)現(xiàn)Nb，Tc=9.2K為所有純金屬最高者1932年W.Meissner及R.Oschenfeld發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體具有完全抗磁性，證明超導(dǎo)性之相轉(zhuǎn)變是熱力學(xué)相變1933年Meissner&Ochsenfeld提出超導(dǎo)狀態(tài)下之完全反磁性(PerfectDiamagnetic)，又稱梅氏效應(yīng)1934年C.J.Gorter及H.B.Casimir提出二流體模型解釋超導(dǎo)現(xiàn)象，說明超導(dǎo)體內(nèi)的電子分超導(dǎo)電子和常超導(dǎo)電子兩種。1934年F.London及H.London由二流體模式提出所謂Londonmodel，解釋梅氏效應(yīng)，定義穿透深度

(penetrationdepth)為超導(dǎo)體的特性長度，即靜磁場下磁力線穿透超導(dǎo)體表面深度，在此深度範(fàn)圍內(nèi)，磁力線密度呈現(xiàn)指數(shù)衰減。里程碑1937年L.D.Landau提出外磁場下的超導(dǎo)中間態(tài)的結(jié)構(gòu)模型1950年E.Maxwell和C.A.Reynolds發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體的同位素效應(yīng)Tc~M-β

1950年VitalyGinzburg&LevLandau首先提出超導(dǎo)體內(nèi)的超導(dǎo)電子並非局部化觀念，即超導(dǎo)電子並非完全單獨的存在，彼此間可能些關(guān)聯(lián)。電子間可能有關(guān)聯(lián)的最長距離稱為相干長度(CoherentLength)。(Landau1962年與Ginzburg2003年獲諾貝爾物理獎)

1956年L.N.Cooper提出一對電子間如存在吸引力，即可形成一束縛態(tài)的概念(s-wave電子對)1957年AlexeiAbrkosov研究超導(dǎo)體在外加磁場下的行為發(fā)現(xiàn)兩種不同性質(zhì)，將其分類為第一類和第二類超導(dǎo)體(Type-IandTypeIISuperconductor)。

預(yù)測第二類超導(dǎo)體於高磁場下其磁通束以三角晶格排列的點陣排列(Abrkosov2003年獲諾貝爾物理獎)

里程碑1957年J.Bardeen,L.N.Cooper及R.J.Schrieffer提出解釋超導(dǎo)現(xiàn)象的微觀理論：BCS理論，當(dāng)超導(dǎo)體變成超導(dǎo)狀態(tài)時，超導(dǎo)體內(nèi)的的超導(dǎo)電子是以成對存在的，稱古柏對(CooperPair)。超導(dǎo)電子在晶格間運動時沒有能量損失因為成對的超導(dǎo)電子之一在運動時和晶格互撞把能量傳給晶格，隨後晶格又將能量交給第二個電子，因此沒有能量損失。(三人獲1972年諾貝爾物理獎)1958年J.Hulm及B.T.Matthias發(fā)現(xiàn)A15結(jié)構(gòu)超導(dǎo)體，得到Tc＞20K之超導(dǎo)材料。1959年J.G.Giaever發(fā)現(xiàn)導(dǎo)體的單電子隧道效應(yīng)1962年B.D.