光電：第7章 超導(dǎo)材料

第7章超導(dǎo)材料主要內(nèi)容零電阻現(xiàn)象2完全抗磁性－邁斯納效應(yīng)3產(chǎn)生超導(dǎo)電性的原因－BCS理論4超導(dǎo)臨界條件5第一類和第二類超導(dǎo)體6超導(dǎo)材料的發(fā)展歷史1超導(dǎo)材料的應(yīng)用77.1

超導(dǎo)材料的發(fā)展歷史某些物質(zhì)在一定溫度條件下電阻降為零的性質(zhì)稱為超導(dǎo)電性。低于某一溫度出現(xiàn)超導(dǎo)電性的物質(zhì)稱為超導(dǎo)體。從電阻不為零的正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)的溫度稱為超導(dǎo)臨界溫度Tc。超導(dǎo)體的電阻率小于目前所能檢測(cè)的最小電阻率10-26

Ω·cm，可以認(rèn)為電阻為零。0K:Allmotionceases100oC=373K0oC=273K-135oC=138KCurrentHighTemperatureSuperconductors77KNitrogenliquifies4KHeliumliquifies7.1

超導(dǎo)材料的發(fā)展歷史7.1

超導(dǎo)材料的發(fā)展歷史1911年荷蘭物理學(xué)家卡麥林·昂尼斯(K.H.Onnes)意外地發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象：將水銀冷卻到接近絕對(duì)零度時(shí)，其電阻突然消失。后來他又發(fā)現(xiàn)許多金屬(例如鋁、錫)和合金都具有與水銀相類似的特性：在低溫下電阻為零，由于它的特殊導(dǎo)電性能，昂尼斯稱之為超導(dǎo)態(tài)。水銀的電阻隨溫度改變7.1

超導(dǎo)材料的發(fā)展歷史1911-1932：以研究元素超導(dǎo)體為主，除Hg外，又發(fā)現(xiàn)了Pd、Sn、In、Ta、Nb、Ti等眾多的元素超導(dǎo)體?，F(xiàn)在已知，在元素周期表中有50多種元素具有超導(dǎo)電性。1932-1953：發(fā)現(xiàn)了許多具有超導(dǎo)電性的合金以及過渡金屬碳化物和氮化物，臨界轉(zhuǎn)變溫度（Tc）得到了進(jìn)一步的提高。隨后，在1953～1973年間，發(fā)現(xiàn)了一系列金屬間化合物（如Nb3Sn，V3Ga，Nb3Ge）超導(dǎo)體，使Tc值上升到23.2K。1986年，IBM研究實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家柏諾茲和繆勒發(fā)現(xiàn)了臨界溫度為35K的鑭鋇銅氧超導(dǎo)體。這一突破性發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致了一系列銅氧化物高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)。柏諾茲和繆勒也因此榮獲1987年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。自那以后，銅基高溫超導(dǎo)電性及其機(jī)理成為凝聚態(tài)物理的研究熱點(diǎn)，但其超導(dǎo)機(jī)制至今仍未解決?？茖W(xué)家們都希望在銅基超導(dǎo)材料以外再找到新的高溫超導(dǎo)材料，從而能夠從不同的角度去研究高溫超導(dǎo)機(jī)制。7.1

超導(dǎo)材料的發(fā)展歷史超導(dǎo)材料的發(fā)展及其臨界溫度7.1

超導(dǎo)材料的發(fā)展歷史在常壓下具有超導(dǎo)電性的元素金屬有32種（如圖元素周期表中青色方框所示）,而在高壓下或制成薄膜狀時(shí)具有超導(dǎo)電性的元素金屬有14種（如圖元素周期表中綠色方框所示）

超導(dǎo)研究獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)情況1913年：Leiden大學(xué)教授K.H.Onnes(荷蘭)因液化氦的成功和對(duì)物質(zhì)在低溫下性質(zhì)的研究做出貢獻(xiàn)，獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)；1972年：J.Bardeen(美)、L.V.Cooper(美)、J.R.Schrieffer(美)因提出超導(dǎo)電性的BCS理論而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)；

1973年：B.D.Josephson關(guān)于固體中隧道現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn),從理論上預(yù)言了超導(dǎo)電流能夠通過隧道阻擋層(即約瑟夫森效應(yīng))；1987年：J.G.貝德諾爾茲(美)和K.A.穆勒(美)報(bào)道了一種在35K呈現(xiàn)超導(dǎo)電性的化合物——La-Ba-Cu-O高溫超導(dǎo)材料，在文章發(fā)表后不到一年時(shí)間便獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，這也是自諾貝爾獎(jiǎng)授獎(jiǎng)以來，發(fā)表成果到獲獎(jiǎng)最快的一次。7.2零電阻現(xiàn)象常規(guī)導(dǎo)體電阻的成因：

常規(guī)導(dǎo)體在傳輸電流時(shí)，電子會(huì)與導(dǎo)體原子組成的晶體點(diǎn)陣發(fā)生相互作用，將能量傳遞給晶格原子，晶格原子振動(dòng)產(chǎn)生熱量，造成電能的損失。常規(guī)導(dǎo)體電阻的負(fù)面作用：電力傳輸中電阻發(fā)熱，浪費(fèi)資源，增加用電成本；超導(dǎo)零電阻現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)7.2

零電阻現(xiàn)象1911年荷蘭的卡麥林·昂尼斯教授用液氦將水銀冷凝成固態(tài)導(dǎo)線（-40℃），并將溫度降低到－269℃左右時(shí)，水銀導(dǎo)線的電阻突然完全消失，首次發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)體的零電阻現(xiàn)象。由于超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變溫度還與外部環(huán)境條件有關(guān)，定義在外部環(huán)境條件（電流、磁場(chǎng)和應(yīng)力等）維持在足夠低的數(shù)值時(shí)，測(cè)得的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為超導(dǎo)臨界溫度，用Tc表示。邁斯納效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)：

1933年德國物理學(xué)家邁斯納（W.Meissner）發(fā)現(xiàn)：置于磁場(chǎng)中的導(dǎo)體，通過冷卻過渡到超導(dǎo)態(tài)時(shí)，原來進(jìn)入此導(dǎo)體中的磁力線被完全排斥到超導(dǎo)體之外，超導(dǎo)體內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度H變?yōu)榱?，即具有完全抗磁性，這種現(xiàn)象就稱為邁斯納效應(yīng)。7.3邁斯納效應(yīng)在低于Tc的任一溫度下，當(dāng)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度H小于某一臨界值Hc時(shí)，超導(dǎo)態(tài)可以保持；當(dāng)H大于Hc時(shí)，超導(dǎo)態(tài)會(huì)被突然破壞而轉(zhuǎn)變成正常態(tài)。該臨界值Hc稱為臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度。超導(dǎo)材料的性能由臨界溫度Tc和臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度Hc兩個(gè)參數(shù)決定，高于臨界值是一般導(dǎo)體，低于此數(shù)值時(shí)成為超導(dǎo)體。完全抗磁性的原因10.2.邁斯納效應(yīng)常規(guī)導(dǎo)體NorthSouth超導(dǎo)體NorthSouth

外加磁場(chǎng)使超導(dǎo)體表面產(chǎn)生感應(yīng)電流，該電流在超導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的磁場(chǎng)和外磁場(chǎng)抵消，使超導(dǎo)體內(nèi)部磁場(chǎng)為零。7.3邁斯納效應(yīng)

邁斯納效應(yīng)又叫完全抗磁性，1933年邁斯納發(fā)現(xiàn)，超導(dǎo)體一旦進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)，體內(nèi)的磁通量將全部被排出體外，磁感應(yīng)強(qiáng)度恒為零，且不論對(duì)導(dǎo)體是先降溫后加磁場(chǎng)，還是先加磁場(chǎng)后降溫，只要進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)，超導(dǎo)體就把全部磁通量排出體外.NNS降溫降溫加場(chǎng)加場(chǎng)S注：S表示超導(dǎo)態(tài)N表示正常態(tài)

在錫盤上放一條永久磁鐵，當(dāng)溫度低于錫的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，小磁鐵會(huì)離開錫盤飄然升起，升至一定距離后，便懸空不動(dòng)了，這是由于磁鐵的磁力線不能穿過超導(dǎo)體，在錫盤感應(yīng)出持續(xù)電流的磁場(chǎng)，與磁鐵之間產(chǎn)生了排斥力，磁體越遠(yuǎn)離錫盤，斥力越小，當(dāng)斥力減弱到與磁鐵的重力相平衡時(shí)，就懸浮不動(dòng)了。觀察邁納斯效應(yīng)的磁懸浮試驗(yàn)零電阻現(xiàn)象是超導(dǎo)現(xiàn)象的必要條件，但是電阻為零叫理想導(dǎo)體≠超導(dǎo)體。零電阻現(xiàn)象和完全抗磁性是超導(dǎo)體兩個(gè)最基本，而且互相獨(dú)立的屬性。只有同時(shí)具有零電阻和完全抗磁性才能稱為超導(dǎo)體。7.3邁斯納效應(yīng)7.4

超導(dǎo)隧道效應(yīng)量子隧道效應(yīng)：

電子具有穿過比其自身能量還要高的勢(shì)壘的本領(lǐng)。當(dāng)然，穿透幾率隨勢(shì)壘的高度和寬度的增加而迅速減小。例如：在兩塊常規(guī)導(dǎo)體Al中間夾入一層很薄的勢(shì)壘（10-10m的絕緣層），在兩塊Al之間加上電勢(shì)差，就有電流流過絕緣層，該電流是有電阻的，這是正常導(dǎo)體的量子隧道效應(yīng)。約瑟夫森預(yù)言

1962年，劍橋大學(xué)的博士后在極薄絕緣層（厚度約為1nm）隔開的兩個(gè)超導(dǎo)體斷面處，電流可以穿過絕緣層。只要電流不超過某一臨界值，則電流穿過絕緣層時(shí)將不產(chǎn)生電壓，該電流是沒有電阻的，稱為超導(dǎo)隧道電流。超導(dǎo)隧道電流與庫柏電子對(duì)相關(guān)，且電子對(duì)穿越勢(shì)壘后仍保持為配對(duì)形式，這種不同于單電子隧道效應(yīng)的新現(xiàn)象稱為約瑟夫森效應(yīng)。7.4

超導(dǎo)隧道效應(yīng)7.5

產(chǎn)生超導(dǎo)電性的原因當(dāng)在超導(dǎo)臨界溫度以下時(shí)，通過晶格振動(dòng)（聲子）為媒介的間接作用使電子之間產(chǎn)生某種吸引力，克服庫倫排斥從而導(dǎo)致自由電子將不再無序地“單獨(dú)行動(dòng)”，并形成“電子對(duì)”。BCS理論：BCS理論不能解釋30K以上的超導(dǎo)現(xiàn)象，特別是高溫超導(dǎo)。7.5

產(chǎn)生超導(dǎo)電性的原因聲子的交互作用使得庫倫排斥的兩個(gè)電子產(chǎn)生吸引形成電子對(duì)。兩個(gè)電子組成電子對(duì)后，其中一個(gè)即使受到晶格振動(dòng)或雜質(zhì)的阻礙，另一個(gè)電子也會(huì)起調(diào)節(jié)作用，使電子通路不受影響，從而產(chǎn)生超導(dǎo)現(xiàn)象。溫度對(duì)超導(dǎo)電性的影響：溫度愈低，結(jié)成的電子對(duì)愈多，電子對(duì)的結(jié)合愈牢固，超導(dǎo)電性越顯著。溫度越高，電子對(duì)因受熱運(yùn)動(dòng)的影響而遭到破壞，就失去了超導(dǎo)性。

7.5

產(chǎn)生超導(dǎo)電性的原因BCSTheory(1957)解釋了超導(dǎo)電性現(xiàn)象的本質(zhì)Bardeen,Cooper,Schrieffer分享了1972年Nobel物理學(xué)獎(jiǎng)7.5

產(chǎn)生超導(dǎo)電性的原因7.6

超導(dǎo)體的臨界條件溫度T<臨界溫度Tc磁場(chǎng)強(qiáng)度H<臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度Hc

在溫度低于Tc，外加磁場(chǎng)強(qiáng)度H>Hc的磁場(chǎng)作用于超導(dǎo)體時(shí)，磁力線將穿入超導(dǎo)體，超導(dǎo)態(tài)被破壞而轉(zhuǎn)入正常態(tài)。電流密度J<臨界電流密度Jc同時(shí),電流密度產(chǎn)生的磁場(chǎng)與外加磁場(chǎng)的矢量和應(yīng)小于臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度Hc。電流強(qiáng)度I－單位時(shí)間通過某截面電荷的量；電流密度J－單位面積上通過的電流強(qiáng)度；注意區(qū)分：7.6

超導(dǎo)體的臨界條件超導(dǎo)臨界參數(shù)之間的關(guān)系三個(gè)性能指標(biāo)，相互制約；一般來說，指標(biāo)越高越好。Jc7.6

超導(dǎo)體的臨界條件超導(dǎo)臨界溫度Tc超導(dǎo)體從常導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)的溫度；即電阻突然變?yōu)榱銜r(shí)的溫度。由于組織結(jié)構(gòu)不同，超導(dǎo)臨界溫度不是一個(gè)特定的數(shù)值，而是跨越一個(gè)溫度區(qū)域；因此實(shí)際超導(dǎo)材料的臨界溫度用四個(gè)參數(shù)表征。7.6

超導(dǎo)體的臨界條件實(shí)際超導(dǎo)材料的臨界溫度參數(shù)超導(dǎo)材料的臨界溫度起始轉(zhuǎn)變溫度Tc(onset)零電阻溫度Tc(R=0)轉(zhuǎn)變溫度寬度ΔTc中間臨界溫度Tc(mid)7.6

超導(dǎo)體的臨界條件超導(dǎo)臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度Hc對(duì)于超導(dǎo)體，當(dāng)外加磁場(chǎng)足夠強(qiáng)時(shí)，會(huì)破壞其超導(dǎo)性；破壞超導(dǎo)態(tài)所需的最小的磁場(chǎng)強(qiáng)度稱為

超導(dǎo)臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度。7.6

超導(dǎo)體的臨界條件超導(dǎo)臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度Hc臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度為溫度的函數(shù)，表達(dá)式為：Hc0為絕對(duì)零度時(shí)的臨界磁場(chǎng)；THcHc0Tc07.6

超導(dǎo)體的臨界條件超導(dǎo)臨界電流密度Jc破壞超導(dǎo)態(tài)所需的最小電流密度;

J=I/A,單位A/m2超導(dǎo)臨界電流與臨界溫度的關(guān)系：7.7

第I類和第II類超導(dǎo)體第I類超導(dǎo)體只有一個(gè)臨界磁場(chǎng)Hc；當(dāng)H<Hc時(shí)，超導(dǎo)態(tài)；當(dāng)H>Hc時(shí)，正常態(tài)。常溫下具有良好導(dǎo)電性的純金屬，如鋁、鋅、錫等;熔點(diǎn)較低、質(zhì)地較軟，亦被稱作“軟超導(dǎo)體”；臨界電流密度和臨界磁場(chǎng)較低，沒有很好的實(shí)用價(jià)值。第II類超導(dǎo)體有兩個(gè)臨界磁場(chǎng)當(dāng)H<Hc1時(shí)，零電阻且完全禁止磁場(chǎng)線進(jìn)入,邁斯納態(tài)。當(dāng)

Hc1<

H<Hc2時(shí)，混合態(tài)。零電阻，磁場(chǎng)線部分穿過。當(dāng)H>Hc2時(shí)，正常態(tài)。釩、鈮、鉭和大多數(shù)超導(dǎo)合金及超導(dǎo)化合物。第II類超導(dǎo)體比第I類超導(dǎo)體有更高的臨界參數(shù)。7.7

第I類和第II類超導(dǎo)體7.8金屬超導(dǎo)材料的類型金屬元素超導(dǎo)體：合金超導(dǎo)體：金屬化合物超導(dǎo)體：除釩、鈮、鉭大多數(shù)金屬元素都是第I類超導(dǎo)體；釩、鈮、鉭為第II類超導(dǎo)體。絕大多數(shù)為第II類超導(dǎo)體；絕大多數(shù)為第II類超導(dǎo)體；7.8

金屬超導(dǎo)材料的類型金屬元素超導(dǎo)體

常壓下有28種超導(dǎo)金屬元素，超導(dǎo)臨界溫度Tc排行為：鈮——9.24K；锝——7.8K鉛——7.197K

鑭——6.06K

釩——5.4K

鉭——4.47K

常壓下不表現(xiàn)超導(dǎo)性的金屬元素，高壓下可能呈現(xiàn)超導(dǎo)性。7.8

金屬超導(dǎo)材料的類型合金超導(dǎo)體－成本低、便于大量生產(chǎn)

Ni-Ti合金

目前使用最廣泛的合金超導(dǎo)材料；制造技術(shù)成熟，性能穩(wěn)定，成本低；用于磁流體發(fā)電機(jī)大型磁體的理想材料；

Ni-Zr合金

最早使用的合金超導(dǎo)材料；具有低磁場(chǎng)，高電流的優(yōu)點(diǎn)；高磁場(chǎng)下能夠承受很大的臨界電流；制造成本較高，逐漸被Ni－Ti合金取代。兩類常見的超導(dǎo)合金為：7.8

金屬超導(dǎo)材料的類型金屬化合物超導(dǎo)體三個(gè)臨界參量(Tc,Hc,Jc)均較高，是性能良好的強(qiáng)磁場(chǎng)材料。具有代表性的為Nb3Sn超導(dǎo)化合物，是制造8.0~15.0T超導(dǎo)磁體的主要材料。7.9

超導(dǎo)材料的應(yīng)用零電阻效應(yīng)完全抗磁性超導(dǎo)隧道效應(yīng)7.9

超導(dǎo)材料的應(yīng)用超導(dǎo)電力傳輸(零電阻的應(yīng)用）超導(dǎo)輸電電纜：

將超導(dǎo)電纜放于液氦冷卻介質(zhì)管道內(nèi)，保證整條輸電線路在超導(dǎo)狀態(tài)下運(yùn)行。超導(dǎo)電力傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)：超導(dǎo)輸電電纜比普通的地下電纜容量大25倍,電能消耗僅為所輸送電能的萬分之幾。傳統(tǒng)輸電需要高壓，因而有升壓，降壓設(shè)備。用超導(dǎo)線就不需要升壓降壓設(shè)備。重量輕、體積小，輸送大功率的超導(dǎo)傳輸線可鋪設(shè)在地下管道內(nèi)，從而省去了許多傳輸線的架設(shè)鐵塔。

從內(nèi)到外，依次為：

管狀支撐物（內(nèi)通液氮）；

超導(dǎo)導(dǎo)體層（為電纜載流導(dǎo)體）；

電氣絕緣層（工作在液氮低溫環(huán)境下）；

超導(dǎo)屏蔽層（為超導(dǎo)帶材繞制）；

液氮回流層（與管狀支撐物內(nèi)的液氮構(gòu)成液氮回流循環(huán)）；

熱絕緣層（為真空隔熱套件）；

常規(guī)電纜屏蔽層和護(hù)層（與常規(guī)電力電纜類似）。7.9

超導(dǎo)材料的應(yīng)用2004年4月19日在昆明普吉變電站投入運(yùn)行，7月10日正式并網(wǎng)，是我國第一組、世界上第三組并網(wǎng)試運(yùn)行的超導(dǎo)電纜。7.9

超導(dǎo)材料的應(yīng)用7.9

超導(dǎo)材料的應(yīng)用超導(dǎo)發(fā)電機(jī)（強(qiáng)磁場(chǎng)的應(yīng)用）在超導(dǎo)體截面較小的線圈通以大電流，形成強(qiáng)磁場(chǎng)，這就是超導(dǎo)磁體。超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：磁場(chǎng)強(qiáng)度大：磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)20萬高斯，常規(guī)磁體最高10萬高斯。耗電少：不產(chǎn)生熱量，除維持低溫外不消耗電能，通入一次電流就可以一勞永逸。重量輕：5萬高斯的常規(guī)電磁體重達(dá)20噸，而用超導(dǎo)磁體重量還不到1千克。7.9

超導(dǎo)材料的應(yīng)用超導(dǎo)儲(chǔ)能（零電阻效應(yīng)的應(yīng)用）用電需求在時(shí)間上是不平衡的，白天晚上不一樣。最佳的解決辦法就是有一種儲(chǔ)存和調(diào)節(jié)手段。然而，電力的儲(chǔ)藏非常困難。充電：合上開關(guān)S1，打開S2和S3時(shí)，超導(dǎo)線圈Ls充電；儲(chǔ)能：合上S2，打開S1，在電路2中就有一個(gè)持續(xù)電流；放電：合上S3，打開S2，儲(chǔ)存的電能就傳輸?shù)酵獠控?fù)載。7.9

超導(dǎo)材料的應(yīng)用超導(dǎo)儲(chǔ)能基本原理示意圖RS1S2S3負(fù)載電源Ls超導(dǎo)溫度7.9

超導(dǎo)材料的應(yīng)用

超導(dǎo)磁懸浮列車是運(yùn)用超導(dǎo)體的完全抗磁性，使列車完全脫離軌道而懸浮行駛，成為“無輪”列車。

超導(dǎo)磁懸浮列車

兩種磁懸浮列車系統(tǒng)(a)常導(dǎo)磁吸型；(b)超導(dǎo)磁斥型

日本開發(fā)的磁懸浮列車MAGLEV于1997年12月在山梨縣的試驗(yàn)線上創(chuàng)造出每小時(shí)550公里的世界最高紀(jì)錄。

日本超導(dǎo)磁斥型，懸浮氣隙較大，一般為100mm上海常導(dǎo)磁吸型，懸浮氣隙較小，一般為10mm上海磁懸浮列車時(shí)速430公里,從浦東龍陽路站到浦東國際機(jī)場(chǎng)，三十多公里只需6分鐘。

7.9

超導(dǎo)材料的應(yīng)用7.9

超導(dǎo)材料的應(yīng)用

核聚變反應(yīng)時(shí)，內(nèi)部溫度高達(dá)100~200M℃，沒有任何常規(guī)材料可以包容這些物質(zhì)。而超導(dǎo)體產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)可以作為“磁封閉體”，將熱核反應(yīng)堆中的超高溫等離子體包圍、約束起來，然后慢慢釋放，使受控核聚變能源成為入類取之不盡的新能源。

受控?zé)岷司圩儯嗽焯栁覈兄频摹巴锌R克”裝置（等離子體溫度高達(dá)5000萬度），能夠提供清潔無限的能源。7.9

超導(dǎo)材料的應(yīng)用7.9

超導(dǎo)材料的應(yīng)用超導(dǎo)量子干涉儀（SQUID)——約瑟夫森效應(yīng)作為靈敏度極高的磁傳感器,超導(dǎo)量子干涉儀(即SQUID)在生物磁測(cè)量,大