低溫物理與技術-教學內容和緒論

Contents低溫物理與實驗技術王智河Tel:83686402(O)-mail:zhwang@南京大學物理學院物理系210093金銀街15號唐仲英樓A210室（LowTemperaturePhysicsandExperimental

Techniques)低溫樓南京大學超導物理與材料研究中心

"南京大學超導物理和材料研究中心"于2011年6月3日在南京大學成立本中心的研究方向：

1.

非常規(guī)超導物理和材料研究

2.

超導理論研究

3.

基于Jesephson結的的量子計算研究

4.

超導體混合態(tài)物理和磁通物質態(tài)性質研究

5.

譜學研究手段研究超導機理問題：

角分辨光電子譜（ARPES），核磁共振（NMR），中子散射（neutron

scattering）,

光電導譜（optical）,

時間分辨超快譜，界面超導電性等等。負責人:聞?；⒔淌诳萍疾?73超導項目首席成員:王強華教授長江學者李建新教授長江學者于揚教授長江學者王智河教授

楊歡教授祝熙宇副教授……儀器設備物性測量系統(tǒng)PPMS-16\9T磁性測量系統(tǒng)SQUID-VSM-7T光學浮熔區(qū)法單晶生長爐不同充電電壓下的磁場波形

脈沖磁體系統(tǒng)脈沖磁體電源系統(tǒng)熱烈歡迎新同學加入第1章溫度測量與低溫溫度計（4學時）1.1溫度和溫標1.2溫度測量1.3溫度計1.4常用的低溫溫度計1.4.1電阻溫度計1.4.2半導體溫度計（RuO2薄膜等）1.4.3熱電偶溫度計1.4.4PN結溫度計1.4.5其它溫度計1.5溫度計的選擇、安裝和使用第2章低溫液體（4學時）2.1液氮2.2液氫2.3正常液體4He的性質2.4液體4He的超流相和噴泉現(xiàn)象2.5正常液體3He的性質2.6Landau費米液體理論第3章材料的低溫物理性質（4學時）3.1力學性質3.2電磁性質內容提要3.3熱傳導3.4輻射傳熱3.5界面?zhèn)鳠岷涂ㄆげ闊嶙?.6傳熱的計算第4章低溫容器（4學時）4.1液氮容器4.2液氦容器4.3真空的獲得和測量4.4真空系統(tǒng)的檢漏第5章低溫恒溫器（4學時）5.1高真空絕熱恒溫器5.2減壓降溫恒溫器5.3電加熱恒溫器5.4連續(xù)流恒溫器5.5其它恒溫器第6章超低溫技術（4學時）6.1He減壓蒸發(fā)制冷6.23He-4He稀釋制冷6.3波麥蘭丘克制冷6.4順磁鹽絕熱去磁制冷6.5核去磁制冷低溫物理與實驗技術第7章低溫物性測量（4學時）7.1低溫下導體的電阻及其測量7.2

Kondo效應7.3

CDW和SDW7.4固體的比熱及其測量7.5固體的熱導率及其測量7.6高壓下物性測量第8章超導電性（2學時）8.1超導材料8.2超導基本性質8.3超導應用第9章重電子金屬（4學時）9.1重電子金屬及其組態(tài)9.2重費米子超導體9.3磁有序基態(tài)重費米子系統(tǒng)9.4非費米液體重費米子系統(tǒng)9.5其它類型重費米子系統(tǒng)第10章超導量子干涉器件（6學時）10.1正常電子隧道效應的應用10.2超導電子隧道Josephson方程10.3

d.c.Josephson效應10.4小結中超導宏觀量子衍射現(xiàn)象10.5自場效應10.6

a．c．Josephson效應10.7微波幅照下超導結的I—V曲線10.8

Josephson效應的等效電路10.9

RSJ模型10.10超導量子干涉雙結超導量子干涉10.11超導隧道效應的應用第11章量子霍耳效應（4學時）11.1霍耳效應11.2整數(shù)量子霍耳效應11.3分數(shù)量子霍耳效應11.4反常量子霍耳效應第12章強磁場下的物理現(xiàn)象（4學時）10.1金屬中的局域磁矩10.2自旋玻璃的物理特性10.3費米面的檢測10.4德哈斯-范阿爾芬效應第13章低溫演示實驗（2學時）（選）參觀低溫制冷車間、觀看課堂相關內容的低溫演示實驗。教材：王智河編《低溫物理與實驗技術》多媒體課件

參考書：1.《低溫物理實驗的原理與方法》閻守勝陸果編著科學出版社19852.《ExperimentalTechniquesforLow-TemperaturePhysics》G.K.White：ClarendonPressOxford(2006)

3.《Low-TemperaturePhysics》

ChristianEnssandSiegfriedHunklinger:Springer(2005)4.《低溫物理學》曹烈兆等編著，中國科大出版社1999年1月第1版授課方式：課堂多媒體講解+互動（20分鐘）成績考核方式：平時成績與命題考試相結合（平時成績占20％，課程論文40%,期末考試成績占40％）平時成績(出勤等)20％課程論文(兩篇)40%期末考試(筆試閉卷)40%課程論文:設計一個低溫試驗或裝置低溫物理研究的最新狀況凝聚態(tài)物理學（condensedmatterphysics）是從微觀角度出發(fā)，研究由大量粒子（原子、分子、離子、電子）組成的凝聚態(tài)的結構、動力學過程及其與宏觀物理性質之間的聯(lián)系的一門學科。凝聚態(tài)物理是以固體物理為基礎的外向延拓.凝聚態(tài)物理的研究對象除晶體、非晶體與準晶體等固相物質外還包括從稠密氣體、液體以及介于液態(tài)和固態(tài)之間的各類居間凝聚相，例如液氦、液晶、熔鹽、液態(tài)金屬、電解液、玻璃、凝膠等。研究領域包括固體物理、晶體物理、金屬物理、半導體物理、電介質物理、磁學、固體光學性質、低溫物理與超導電性、高壓物理、稀土物理、液晶物理、非晶物理、低維物理（包括薄膜物理、表面與界面物理和高分子物理）、液體物理、微結構物理（包括介觀物理與原子簇）、缺陷與相變物理、納米材料和準晶等。

低溫物理學，又稱低溫學，是物理學的分支，研究物質在低溫下的物理現(xiàn)象的學科，有時也包括低溫的獲得和它的測量技術。而低溫物理學的低溫定義為?150°C,?238°F，123K或以下的溫度。凝聚態(tài)物質（固體、液體）在低溫下的物理性質，物理現(xiàn)象，物理規(guī)律，量子效應等低溫物理研究的問題主要內容：

低溫下新的有序相

非常規(guī)超導體

重費米子超導體、磁性超導體、

有機超導體、氧化物超導體

Mn氧化物巨磁電阻

重費米子

電荷密度波介觀效應

磁場振蕩效應

自旋玻璃低溫物理學史簡介

超導和超流構成了低溫物理的兩大支柱，這兩種奇異現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)都要歸功于荷蘭的科學家，H.K.Onnes。超導和超流都是在絕對零度（0K=-273.15°C）附近幾十K范圍內的物理現(xiàn)象（近年來發(fā)現(xiàn)的高溫超導將這個范圍提升到100K左右）。超導主要指某些材料在低溫下能讓電子完全自由地流動，從而形成無電阻的電流。而超流是指液氦在低溫下會作完全無粘滯的流動。如果把液氦放在一個敞口的容器中，液氦會順著器璧自動爬升並溢出容器外。

上世紀初，以相對論和量子論為標志的近代物理還在孕育之中，一些科學家根據物質有氣、液、固三種狀態(tài)的存在，努力將各種氣體通過降低溫度來液化乃至固化。1908年，Onnes以其獨有的低溫技術將氦氣液化成功，氦的液化溫度是4K。天然的氦氣其原子核含有兩個質子，兩個中子，核外有兩個電子，記為4He。氦的同位素，3He，比4He要少一個中子。4He的超流性質要在2.2K溫度處才顯示出來，而3He則要到2.7mK溫度處才呈現(xiàn)超流性質。Leggett理論要解釋的就是3He的超流性質。

超導，超流的發(fā)現(xiàn)均依賴于液氦的獲得，Onnes可稱得上低溫物理之父。

Onnes液化氦氣成功后，將各種金屬浸在液氦里測量其電阻，他的助手在測量浸在液氦中的水銀時，發(fā)現(xiàn)水銀完全無電阻。這個發(fā)現(xiàn)宣告了超導的誕生（1911年），Onnes為此獲得1913年的諾貝爾獎。

Onnes或許還有一項“成就”值得一提，那就是在1901年，他沒有雇用來信求職的愛因斯坦做實驗室助手，否則，愛因斯坦可能成為一個低溫物理學家，而人類可能到現(xiàn)在都還沒有相對論。

與超導從發(fā)現(xiàn)，確認到頒獎的迅速過程相比，超流現(xiàn)象從初露端倪到確認如同一個極度難產的嬰兒，要歷經長長的近三十年。1910年，Onnes他們在2.2K溫度處發(fā)現(xiàn)了液氦密度有異常，但他們放過了這個異常，隨后就全力投入到新發(fā)現(xiàn)的超導現(xiàn)象的研究中。直到1922年，昂尼斯他們才從超導的研究中轉回來重新研究這個異常。在這段時期里，由于超導現(xiàn)象可能帶來的巨大經濟利益，氦的液化技術是Onnes獨家掌握，秘不外傳的。1923年，加拿大多倫多大學的SirJ.McLennan得以復制昂尼斯的氦液化器，從此加拿大亦進入低溫物理研究領域。1934年，在英國主持蒙德實驗室的蘇聯(lián)科學家P.Kapitsa，自行設計並制造了獨特的氦液化器，長達二十多年的氦液化技術的壟斷逐得以打破。

Kapitsa于1935年回蘇聯(lián)探訪時為斯大林所扣留，要他參加蘇聯(lián)的建設，此后Kapitsa一直在蘇聯(lián)工作。在確信Kapitsa不能再回到英國后，劍橋大學同意讓蘇聯(lián)購買蒙德實驗室的全套設備回蘇聯(lián)，除了那臺Kapitsa設計制造的氦液化器。Kapitsa很快就在莫斯科建立了低溫實驗室並重新造了一臺氦液化器，開始了他的研究工作。1938年自然雜志的一月刊，登載了Kapitsa確認4He超流性質的文章，同期雜志亦登載了多倫多大學J.Allen與D.Misener的超流文章。至此，4He在2.2K溫度以下的超流狀態(tài)得以確認，Kapitsa于1978年獲諾貝爾獎。

3He的超流性質要在2.7mK處才顯示出來，這對低溫技術要求極高。1972年，美國康乃爾大學的三位物理學家從實驗上確認了3He的超流性質。1996年，他們三人，R.Richardson，D.Lee和D.Osheroff獲諾貝爾獎。

3He雖然是4He的同位素，但3He原子作集體運動時的統(tǒng)計性質全然不同于4He，解釋4He超流性質的理論不能用于解釋3He。Leggett于1975年建立了成功地描述3He超流性質的理論，這個工作使Leggett獲得今年的諾貝爾獎。

自1935年起回蘇聯(lián)工作的Kapitza是個優(yōu)秀的實驗物理學家，在蘇聯(lián)有著很大的影響力。Kapitza又聘到了極其優(yōu)秀的理論物理學家，朗道（L.D.Landau），來負責理論部的科研，他倆的合作有力地推動著蘇聯(lián)的物理學發(fā)展。當朗道于1938年由于嚴重的政治問題被捕時，Kapitza冒著極大的風險上書，請求史達林留下朗道為國效力。朗道于1940年被釋放后，一直在Kapitza的監(jiān)護下工作，Kapitza是朗道政治行為的擔保人。這種監(jiān)護雖不公開，但朗道從此再也不能出國與同行交流。

朗道是一個全面的，傑出的理論物理學家，與他名字有關的物理學理論和概念在近代物理中隨處可見。然而，朗道也有失誤的時候。2003年的兩位因超導而得諾貝爾獎的科學家，都與朗道有歷史的淵源和糾葛。

Ginzburg一生只與朗道合作過一篇文章（1950），這篇文章建立了Ginzburg-Landau理論（GLequation），也就是今年Ginzburg得諾貝爾獎的工作。在這個理論中有兩個參數(shù)，由這兩個參數(shù)引出了朗道與Ginzburg及朗道與他的學生，Abrikosov，的故事。

在GL理論中有一個電荷參數(shù)，在GL理論提出的當時並不能確切知道這個參數(shù)值是多少。Ginzburg要把這個參數(shù)稱為“有效電荷”，亦即講得含糊一點，要留有餘地，但朗道不同意，朗道在文章中寫道“沒有理由來相信這個參數(shù)值會不同于電子電荷”。Ginzburg在其后來的研究工作中覺得這個電荷參數(shù)應該是2到3倍的電子電荷，于是Ginzburg單獨寫了一篇文章，將此看法于1956年發(fā)表。在這篇文章中，Ginzburg也寫了朗道對這個觀點的不同看法。1957年，由美國的Bardeen，Cooper和Schrieffer的BCS提出的超導微觀理論表明，超導中的電荷是配對運動的，所以這個參數(shù)值的確應該是兩倍的電子電荷，而這種電子配對的圖像，也有實驗證據的支援。Ginzburg本人在多年以后都一直為自己沒有能想到電子配對的圖像而懊惱不已。

GL理論中另一個參數(shù)叫Ginzburg-Landau參數(shù)，用希臘字母κ表示。根據這個κ取值的不同，GL方程的解可以分為兩類，以κ大于或小于根號二分之一標志。Ginzburg和朗道捨棄了κ大于根號二分之一的那個解，認為它所描繪的超導狀態(tài)在物理上是不穩(wěn)定的，只考慮κ小于根號二分之一的那個解。朗道的學生，Abrikosov在與其后（52-53年間）新得到的實驗資料核對后發(fā)現(xiàn)，對有些超導體，以小κ為依據的理論結果與實驗不符合，而用被京茨伯和朗道捨棄了的解則能與實驗結果吻合。Abrikosov的進一步分析表明，如果結合磁通量子化，那麼κ大于根號二分之一的那個解的物理不穩(wěn)定性實際上不存在。Abrikosov的結論是，對應κ大于根號二分之一的情況，超導體內會出現(xiàn)一個磁渦旋點陣，使超導區(qū)域和磁區(qū)域在一塊超導體內共存。這種會出現(xiàn)磁渦旋點陣的超導體被稱為第II類超導體。

Abrikosov把這個想法告訴了朗道，但朗道的反應很冷淡，結果Abrikosov把這個研究工作放進了抽屜。朗道是當時世界上站在巔峰的幾個物理學家之一，做朗道的學生，固然能有更多機會進入前沿研究領域，但是當學生與朗道在學術上有不同見解時，通常很難有勇氣和信心堅持自己的意見。Abrikosov這個關于第二類超導體的傑出工作，直到1957年才有勇氣單獨發(fā)表。

1962年，朗道得了諾貝爾獎，得獎的原因記為“為了他在凝聚態(tài)中所做的開創(chuàng)性工作，特別是關于超流”。這個介紹含蓄地記下了朗道在超導理論上的失誤。其實朗道在超導上的貢獻也是巨大的，而這些失誤原本不是不可以避免的，如果朗道能平等地聽取Ginzburg和Abrikosov的意見。

Abrikosov的文章也有一點麻煩，整個工作的思路和解決的辦法都是對的，但在數(shù)字的計算上有一點小錯誤。Abrikosov根據他的計算，預言了一種可以觀察到的四方磁渦旋點陣，而實際上應該是三角磁渦旋點陣。這個錯誤對Abrikosov的聲譽很有影響，在很多的超導專著中，凡介紹到Abrikosov的重要工作時，也必定明確指出這個計算錯誤。Abrikosov在他的研究工作中所預言的磁渦旋點陣一直到1966年才由實驗物理學家拍出照片證實。文章千古事，得失寸心知。這三位蘇聯(lián)科學家在超導文章上的故事給后人不少啟迪。

由朗道、Ginzberg和Abrikosov建立的超導理論框架代表著一種風格，這種風格與美國科學家建立的BCS超導微觀理論（1972年得諾貝爾獎）風格迥然相異。BCS理論注重的是解釋為什麼材料會有超導性質；而蘇聯(lián)科學家的理論注重的是描述有超導狀態(tài)的材料其性質會怎樣表現(xiàn)。通常一種有實際用途的材料，它的應用性不但取訣于材料本身的物理性質，也會取訣于材料的形狀和幾何結構。BCS理論對幾何形狀帶來的影響無法處理，而GL理論則能兼顧，因此GL理論更接近實用。

造成這兩種理論在風格上差異的原因也許可以回溯到美蘇冷戰(zhàn)時期的國際環(huán)境。五十年代初，正是美國麥卡錫主義猖獗的時期，美國不允許蘇聯(lián)的科學工作在美國發(fā)表，並且把已有的蘇聯(lián)英文期刊JETP丟進了水里（港口），Ginzberg-Landau理論（發(fā)表在1950年的JETP）也是其中之一。科學交流的中斷阻止了科學知識的融合，鐵幕兩邊的科學家各自獨立發(fā)展著理論。1959年，蘇聯(lián)科學家L.P.Gor'kov證明，如果作適當?shù)臄?shù)學處理，可以從BCS理論推導出Ginzberg-Landau理論。這個工作為Ginzberg-Landau理論奠定了微觀基礎。今天，我們通常把由這四位蘇聯(lián)科學家創(chuàng)立的這套程式，叫做GLAG理論。GLAG理論的應用范圍相當廣，在后來的科學家們努力之下GLAG理論又有了長足的進展。

2003年的諾貝爾物理獎頒給了三個理論物理學家。A.J.Leggett獲獎是因為他于1975年建立了解釋3He超流現(xiàn)象的理論。V.L.Ginzburg和A.A.Abrikosov的獲獎則是因為半個世紀前，他倆先后在形成描述超導現(xiàn)象的理論過程中做出了里程碑式的貢獻。

歲月在流逝。朗道于1962年出車禍，1968年去世。Ginzberg92歲了，現(xiàn)在仍然在俄國。Abrikosov80歲，自原蘇聯(lián)解體后移民美國，現(xiàn)在美國阿崗國家實驗室做研究。Gor'kov也在美國的佛羅里達大學做教授。相信這次的諾貝爾獎會給Ginzberg和Abrikosov兩位老人帶來晚年心境的平和安寧。

百年超導之路，半個世紀的理論探索，走進圖書館，翻開一本本講述超導的專著，GLAG理論和由此理論得出的結果一如往常出現(xiàn)在讀者的眼前，靜靜地傳達著自然的美妙和奧秘。低溫物理有關的諾貝爾獎1913年荷蘭KamerlinghOnnes于1908年成功實現(xiàn)了氦氣的液化,使地球上最后一種永久氣體--氦氣得到液化;并于1911年發(fā)現(xiàn)超導現(xiàn)象,導致了超導物理學的誕生。1962年俄國Landau因1941年提出氦Ⅱ超流動性的量子理論,他個人因在超流動性方面的理論研究1972年美國Bardeen,Cooper,Schrieffer因1957年提出超導體中存在著電子對,這些電子對可以不受任何散射地通過由失去部分電子的原子所組成的通道,不會引起原子振動,即為超導現(xiàn)象的理論（BCS超導電性理論）。1973年英國BrainJosephson于1963年英國劍橋大學讀研究生時從理論上預言超導隧道效應1978年俄國Kapitsa于1937年發(fā)現(xiàn)氦的超流現(xiàn)象1985年德國K.vonKlitzing因1980年發(fā)現(xiàn)量子霍爾效應1987年Bednor