昂納斯發(fā)現(xiàn)將汞冷卻到K時(shí)(共19張PPT)

高溫超導(dǎo)簡(jiǎn)介韓志龍

0810209第1頁(yè)，共19頁(yè)。一、超導(dǎo)百年（實(shí)驗(yàn)篇）1911年，昂納斯發(fā)現(xiàn)將汞冷卻到4.2K時(shí)，電阻突然消失。1933年，邁斯納發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體的完全抗磁性。1962年，約瑟夫遜發(fā)現(xiàn)在超導(dǎo)結(jié)中，電子對(duì)可以通過(guò)氧化層形成無(wú)阻的超導(dǎo)電流。1986年。柏諾茲和繆勒，首先發(fā)現(xiàn)銅基高溫超導(dǎo)體，將超導(dǎo)溫度提高到30K。2008年，Hosono發(fā)現(xiàn)鐵基高溫超導(dǎo)體。2009年10月10日,美國(guó)合成(Tl4Ba)Ba2Ca2Cu7O13+,將超導(dǎo)溫度提高到254K,距離冰點(diǎn)僅19℃。第2頁(yè)，共19頁(yè)。二、超導(dǎo)百年（理論篇）1934年，格特和卡西米爾提出二流體模型。1935年，倫敦兄弟提出兩個(gè)描述超導(dǎo)電流和電磁場(chǎng)關(guān)系的方程，即倫敦方程。1950年，京茲堡和朗道采用二級(jí)相變中的自由能展開(kāi)法，建立超導(dǎo)電性的唯像理論。1952年，阿布里柯索夫理論指出第二類(lèi)超導(dǎo)體的存在。1957年，巴丁、庫(kù)柏、侍里弗提出基于電聲相互作用超導(dǎo)電子結(jié)成庫(kù)柏對(duì)的理論，建立弱耦合超導(dǎo)理論。1968年，麥克米蘭建立強(qiáng)耦合超導(dǎo)理論。1986年至今，高溫超導(dǎo)理論百家爭(zhēng)鳴。第3頁(yè)，共19頁(yè)。二、什么是高溫超導(dǎo)超導(dǎo)材料的基本臨界參量：1、臨界溫度：外磁場(chǎng)為零時(shí)超導(dǎo)材料由正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)(或相反)的溫度，以Tc表示。2、臨界磁場(chǎng)：使超導(dǎo)材料的超導(dǎo)態(tài)破壞而轉(zhuǎn)變到正常態(tài)所需的磁場(chǎng)強(qiáng)度，以Hc表示。Hc與溫度T的關(guān)系為Hc=H0[1-(T/Tc)2]，式中H0為0K時(shí)的臨界磁場(chǎng)。3、臨界電流：通過(guò)超導(dǎo)材料的電流達(dá)到一定數(shù)值時(shí)也會(huì)使超導(dǎo)態(tài)破態(tài)而轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)，以Ic表示。Ic一般隨溫度和外磁場(chǎng)的增加而減少。單位截面積所承載的Ic稱(chēng)為臨界電流密度，以Jc表示。第4頁(yè)，共19頁(yè)。二、什么是高溫超導(dǎo)傳統(tǒng)超導(dǎo)材料是指超導(dǎo)元素、合金材料及超導(dǎo)化合物，這些超導(dǎo)材料的臨界溫度都很低，最低的如鎢只有0.012K，最高的Nb3Ge也不超過(guò)23K。高溫超導(dǎo)材料，簡(jiǎn)單講就是具有高臨界轉(zhuǎn)變溫度的超導(dǎo)材料。一般是指能在液氮溫區(qū)工作，即臨界溫度高于77K。它們是某些氧化物陶瓷材料，如鑭－鋇－銅－氧化物。傳統(tǒng)超導(dǎo)材料是可以用BCS理論很好的解釋?zhuān)珜?duì)于高溫超導(dǎo)的物理機(jī)制BCS理論對(duì)于這么高的溫度無(wú)法給出滿(mǎn)意解釋?zhuān)瑫r(shí)由于缺乏關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)，其機(jī)制仍在探索中。第5頁(yè)，共19頁(yè)。三、高溫超導(dǎo)的特性超導(dǎo)體的主要普遍特性：1、零電阻性：超導(dǎo)材料處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)電阻為零，能夠無(wú)損耗地傳輸電能。如果用磁場(chǎng)在超導(dǎo)環(huán)中引發(fā)感生電流，這一電流可以毫不衰減地維持下去。2、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(xiàn)不能透入，超導(dǎo)材料內(nèi)的磁場(chǎng)恒為零。3、約瑟夫森效應(yīng)：兩超導(dǎo)材料之間有一薄絕緣層（厚度約1nm）而形成低電阻連接時(shí)，會(huì)有電子對(duì)穿過(guò)絕緣層形成電流，而絕緣層兩側(cè)沒(méi)有電壓，即絕緣層也成了超導(dǎo)體。第6頁(yè)，共19頁(yè)。存在一個(gè)高能機(jī)制，使高溫超導(dǎo)體中的電子結(jié)合成單重態(tài)配對(duì)。3、PbFCl晶型18K1950年，京茲堡和朗道采用二級(jí)相變中的自由能展開(kāi)法，建立超導(dǎo)電性的唯像理論。3、摻雜的莫特絕緣體和低維度結(jié)合，產(chǎn)生奇異的重要特性。Ic一般隨溫度和外磁場(chǎng)的增加而減少。2月24日，趙忠賢發(fā)現(xiàn)臨界溫度在100K左右的超導(dǎo)材料。一、超導(dǎo)百年（實(shí)驗(yàn)篇）超導(dǎo)體的主要普遍特性：鉍超導(dǎo)家族85、110KⅤ、SO（5）對(duì)稱(chēng)群理論插曲一：銅基高溫超導(dǎo)爭(zhēng)霸賽如果用磁場(chǎng)在超導(dǎo)環(huán)中引發(fā)感生電流，這一電流可以毫不衰減地維持下去。存在一個(gè)高能機(jī)制，使高溫超導(dǎo)體中的電子結(jié)合成單重態(tài)配對(duì)。1、臨界溫度：外磁場(chǎng)為零時(shí)超導(dǎo)材料由正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)(或相反)的溫度，以Tc表示。如果用磁場(chǎng)在超導(dǎo)環(huán)中引發(fā)感生電流，這一電流可以毫不衰減地維持下去。1987年2月16日，朱經(jīng)武的試驗(yàn)小組在92K處觀(guān)察到了超導(dǎo)轉(zhuǎn)變。1986年至今，高溫超導(dǎo)理論百家爭(zhēng)鳴。3月20日,聞?；⑿〗M在LaFeAsO空穴摻雜中取得重要進(jìn)展,第一個(gè)鐵基空穴型超導(dǎo)體La1-xSrxFeAsO被發(fā)現(xiàn)。3月3日，日本宣布發(fā)現(xiàn)123K超導(dǎo)體……1、ZrCuSiAs晶型25、50K1986年10月，柏諾茲等人提出在Ba-La-Cu-O系統(tǒng)中獲得了臨界溫度為30K左右的報(bào)道。同年12月15日，休斯頓大學(xué)報(bào)告了在處于壓力下的La-Ba-Cu-O化合物體系中獲得40.Ⅴ、SO（5）對(duì)稱(chēng)群理論鉍超導(dǎo)家族85、110K四、高溫超導(dǎo)材料的種類(lèi)2008年2月，Hosono首次發(fā)現(xiàn)報(bào)道在鐵基層狀化合物L(fēng)aFeAsO中通過(guò)F摻雜發(fā)現(xiàn)了高達(dá)26K的超導(dǎo)電性。自旋袋元激發(fā)即是在自旋密度波序減小的環(huán)境中自陷的空穴，這個(gè)減小了的自旋波序區(qū)域與空穴同行，叫做“袋”；1957年，巴丁、庫(kù)柏、侍里弗提出基于電聲相互作用超導(dǎo)電子結(jié)成庫(kù)柏對(duì)的理論，建立弱耦合超導(dǎo)理論。三、高溫超導(dǎo)的特性高溫超導(dǎo)體的特性：電子間的相互作用很強(qiáng)，高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度、低的相干長(zhǎng)度、強(qiáng)烈的各項(xiàng)異性、正常態(tài)的奇異性安德森在1987年提出這些材料的3個(gè)重要特征：1、準(zhǔn)二系統(tǒng)，面與面之間是弱耦合。2、高溫超導(dǎo)體的基態(tài)是莫特絕緣體，摻雜導(dǎo)致超導(dǎo)。3、摻雜的莫特絕緣體和低維度結(jié)合，產(chǎn)生奇異的重要特性。第7頁(yè)，共19頁(yè)。四、高溫超導(dǎo)材料的種類(lèi)Ⅰ、銅基高溫超導(dǎo)材料自1986年發(fā)現(xiàn)以來(lái)，經(jīng)過(guò)中美日等國(guó)科研人員努力已經(jīng)發(fā)展成五大家族：1.稀土214家族36K

2.稀土123家族90K

3.鉍超導(dǎo)家族85、110K4.鉈超導(dǎo)家族45、90、110、120K5.汞超導(dǎo)家族85、120、130K第8頁(yè)，共19頁(yè)。四、高溫超導(dǎo)材料的種類(lèi)插曲一：銅基高溫超導(dǎo)爭(zhēng)霸賽1986年10月，柏諾茲等人提出在Ba-La-Cu-O系統(tǒng)中獲得了臨界溫度為30K左右的報(bào)道。同年12月15日，休斯頓大學(xué)報(bào)告了在處于壓力下的La-Ba-Cu-O化合物體系中獲得40.2K的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變。同年12月26日，中科院物理所宣布，獲得臨界溫度48.6K的超導(dǎo)材料。1987年2月16日，朱經(jīng)武的試驗(yàn)小組在92K處觀(guān)察到了超導(dǎo)轉(zhuǎn)變。2月24日，趙忠賢發(fā)現(xiàn)臨界溫度在100K左右的超導(dǎo)材料。3月3日，日本宣布發(fā)現(xiàn)123K超導(dǎo)體……第9頁(yè)，共19頁(yè)。四、高溫超導(dǎo)材料的種類(lèi)第10頁(yè)，共19頁(yè)。四、高溫超導(dǎo)材料的種類(lèi)Ⅱ、鐵基高溫超導(dǎo)材料自2008年發(fā)現(xiàn)以來(lái)，該系列材料飛速發(fā)展，新的鐵基材料不斷被發(fā)現(xiàn)，目前沒(méi)有明確分類(lèi)，主要有1、ZrCuSiAs晶型25、50K2、ThCr2Si2晶型30K3、PbFCl晶型18K第11頁(yè)，共19頁(yè)。四、高溫超導(dǎo)材料的種類(lèi)插曲二：鐵基高溫超導(dǎo)爭(zhēng)霸賽2008年2月，Hosono首次發(fā)現(xiàn)報(bào)道在鐵基層狀化合物L(fēng)aFeAsO中通過(guò)F摻雜發(fā)現(xiàn)了高達(dá)26K的超導(dǎo)電性。3月20日,聞海虎小組在LaFeAsO空穴摻雜中取得重要進(jìn)展,第一個(gè)鐵基空穴型超導(dǎo)體La1-xSrxFeAsO被發(fā)現(xiàn)。隨后中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)陳仙輝小組報(bào)道了43K超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的SmFeAsO0.85F0.15超導(dǎo)體。幾乎同時(shí),中國(guó)科學(xué)院物理研究所的王楠林小組發(fā)現(xiàn)了41K超導(dǎo)體CeFeAsO1-xFx。趙忠賢領(lǐng)導(dǎo)的小組利用高壓技術(shù)迅速在REFeAsO1-xFx(RE=Pr,Nd,Sm,Gd)中發(fā)現(xiàn)了高達(dá)50K以上的超導(dǎo)電性。第12頁(yè)，共19頁(yè)。四、高溫超導(dǎo)材料的種類(lèi)第13頁(yè)，共19頁(yè)。五、高溫超導(dǎo)理論Ⅰ、Anderson非費(fèi)米液體理論高溫銅氧化物超導(dǎo)體的母體絕緣相是共振價(jià)鍵態(tài)或稱(chēng)量子自旋體這一理論是基于高溫銅氧化物與反鐵磁的臨近性，臨近金屬-絕緣體相變，絕緣磁相為低自旋，具二維性和載流子密度低等特點(diǎn)提出。該理論的基本突出點(diǎn)是：認(rèn)為電荷和自旋自由度明確的分開(kāi)，且由層間約瑟夫森隧穿退約束推動(dòng)高溫超導(dǎo)的高Tc。第14頁(yè)，共19頁(yè)。五、高溫超導(dǎo)理論Ⅱ、Schrieffer自旋袋理論該機(jī)制著重從超導(dǎo)電性在高溫超導(dǎo)氧化物中與其反鐵磁性的相互作用角度探討，其元激發(fā)為自旋袋，它具有空穴的傳統(tǒng)量子數(shù)，但存在很強(qiáng)的裝飾效應(yīng)。自旋袋元激發(fā)即是在自旋密度波序減小的環(huán)境中自陷的空穴，這個(gè)減小了的自旋波序區(qū)域與空穴同行，叫做“袋”；與雙極化子有些類(lèi)似，這些袋元之間彼此有相互吸引。在金屬相中，這些袋形成簡(jiǎn)并費(fèi)米液體。第15頁(yè)，共19頁(yè)。五、高溫超導(dǎo)理論

第16頁(yè)，共19頁(yè)。五、高溫超導(dǎo)理論

第17頁(yè)，共19頁(yè)。五、高溫超導(dǎo)理論Ⅴ、SO（