第十章超导.

第十章：超导超导研究获诺贝尔物理学奖情况1913年H.K.昂尼斯(荷兰)在低温下研究物质的性质并制成液态氦1972年J.巴丁(美)L.N.库柏(美)J.R.斯莱弗(美)提出所谓BCS理论的超导性理论1973年B.D.约瑟夫森(英)关于固体中隧道现象的发现,从理论上预言了超导电流能够通过隧道阻挡层(即约瑟夫森效应)1987年J.G.柏诺兹(美)K.A.穆勒(美)发现新的超导材料2003年阿布里柯夫（Abrkosov）预测第二类超导体于高磁场下其磁通束以三角晶格排列的点阵排列。金茨堡（Ginzburg)超导的理论解释。一超导现象的发现1908年，荷兰物理学家卡末林·昂内斯(Hei-keKamerlinghOnnes，1853－1926)首次液化了氦气。人们第一次达到了当时地球上的最低温度，大约4.2K左右。之前，人们已经知道，随着温度的降低，金属的电阻也会越来越小。那么，随着温度降到热力学温度零度附近时金属的电阻会怎样变化呢？1911年，卡末林·昂内斯和他的学生一起，选择了当时最容易提纯的水银作为实验材料，在液氦的温度下进行了认真的研究。实验的结果使他们大吃一惊。当温度降到4.2K左右时，水银的电阻竟然突然地消失了！经过反复检查后，卡末林·昂内斯终于证实了这是真实的情况。昂内斯因对物质低温性质的研究和液氦的制备而获得1913年度的诺贝尔物理学奖。1911年H.KamerlinghOnnes发现汞(Hg)在绝对温度4.2度附近呈现超导性(获1913年诺贝尔物理学奖)1913年发现Pb于温度7.2K时具超导性。1914年Onnes以铅(Pb)超导体制作线圈证明永久电流之存在1930年发现Nb，Tc=9.2K为所有金属最高者1932年W.Meissner及R.Oschenfeld发现超导体具有完全抗磁性，证明超导性之相转变是热力学相变1933年Meissner&Ochsenfeld提出超导状态下之完全反磁性(PerfectDiamagnetic)，又称迈氏效应1934年C.J.Gorter及H.B.Casimir提出二流体模型解释超导现象，说明超导体内的电子分超导电子和正常电子两种。1934年F.London及H.London由二流体模式提出所谓Londonmodel，解释迈氏效应，定义穿透深度(penetrationdepth)为超导体的特性长度，即静磁场下磁力线穿透超导体表面深度，在此深度范围内，磁力线密度呈现指数衰减。1937年L.D.Landau提出外磁场下的超导中间态的结构模型1950年E.Maxwell和C.A.Reynolds发现现超导体的同位素效应Tc~M-β1950年VitalyGinzburg&LevLandau首先提出超导体内的超导电子并非局部化观念，即超导电子并非完全单独的存在，彼此间可能些关联。电子间可能有关联的最长距离称为相干长度(CoherentLength)。(Landau1962年与Ginzburg2003年获诺贝尔物理学奖)1956年L.N.Cooper提出一对电子间如存在吸引力，即可形成一束缚态的概念(s-wave电子对)1957年AlexeiAbrkosov研究超导体在外加磁场下的行为发现两种不同性质，将其分类为第一类和第二类超导体(Type-IandTypeIISuperconductor)。预测第二类超导体于高磁场下其磁通束以三角晶格排列的点阵排列(Abrkosov2003年获诺贝尔物理学奖)1957年J.Bardeen,L.N.Cooper及R.J.Schrieffer提出解释超导现象的微观理论：BCS理论。(三人获诺贝尔物理学奖）1958年J.Hulm及B.T.Matthias发现A15结构超导性，得到Tc＞20K之超导材料。1959年J.G.Giaever发现导体的单子隧道效应1962年B.D.Josephson提出超导电子对的穿隧效应(获1973年诺贝尔物理学奖)1975年首先发现金属氧化物BaPb1-xBixO具超导性，Tc=13K。1979年F.Steglich发现重费米子超导体1980年D.Jerome发现第一个有机超导体1986年K.A.Müller及G.Bednorz发现第一个高温超导体LaBaCuOTc30K(两人获1987年诺贝尔物理学奖)1987年朱经武和吴茂昆发现第一个高于液态氮的超体YBa2Cu3O7-δTc~92K1988年H.Maeda，发现Bi系(Bi2Sr2Ca2Cu3O10)铜氧化物Tc~110K1988年Sheng&Herman，发现Tl系(Tl2Ba2Ca2Cu3O10)铜氧化合物Tc~125K1993年A.Schillinget.al.，发现Hg系(HgBa2Ca2Cu3O8)铜氧化合物Tc~134K(Hg系铜氧化合物为目前常压下Tc最高之化合物)，在高压下为164K2001年J.Nagamatsuet.al.，发现MgB2介金属化合物Tc~40K(为目前Tc最高之金属化合物)一、超导体的发现、研究历程二、超导体的特征，两类超导体三、传统超导体的唯象理论和微观机制四、约瑟夫孙效应五、高温超导体研究六、铁基超导研究七、超导研究的主要方向内容提要一、超导的发现和研究历程1911年，荷兰物理学家昂纳斯(K.Onnes)首次发现汞在4.2K的低温时出现电阻为零的现象，物理学上称其超导现象。电阻突然消失是物质进入了一种完全新的状态，这种状态称之为超导态。具有超导电性的物质称作为超导体。超导电性的普遍性：至少三十余种金属（常压下）元素在极低温度下能够成为超导体。甚至某些半导体、多元金属氧化物、一系列合金（共计5000余种）在适当条件下，也可处于超导态。超导材料的分类：常规超导体(如Nb-Ti合金)高温超导体(如YBa2Cu3O7-x)非晶超导材料复合超导材料(如超导线带材料)重费米子超导体(如CeCu2Si2)有机超导材料(如富勒烯等修饰的化合物)超导材料升攀慢缓度温变转导超近几年研究的几种重要的超导体---RobertF.Serverce.Science,295,786(2002).2001年1月日本东京青山学院的教授Junkimitsu宣布了这一发现。MgB2的临界超导温度Tc=40k.（1）二硼化镁MgB2是临界温度最高的金属化合物超导体，晶体结构为A1B2型六方结构,即由石墨蜂窝型结构的B层间插入六角密集排列的Mg原子构成。MgB2超导体在应用上的契机更让人激动。首先，这个超导体在20K左右的温度，在8万倍于地球磁场的情况下可以承载很大的超导电流而且能耗极低。（2）MgCNi32001年，HeT.等发现三元金属间化合物超导体MgCNi3(超导转变温度Tc~7K)，它具有三维简单立方钙钛矿结构，其Ni元素含量高，因而颇引人关注。Mg、C和Ni分别对应钙钛矿CaTiO3中的Ca、Ti和O。有可能成为联结两大超导材料(金属化合物和钙钛矿结构氧化物)的纽带。（3）富勒烯和碳纳米管富勒烯是一系列纯碳组成的原子簇的总称(主要有C60和C70)。C60分子本身是不导电的绝缘体，但当碱金属嵌人C60分子之间的空隙后，C60与碱金属的系列化合物将转变为超导体，如K3C60即为超导体，且具有很高的超导临界温度。与氧化物超导体比较，C60系列超导体具有完美的三维超导性，电流密度大，稳定性高，易于展成线材等优点，是一类极具价值的新型超导材料。1.临界温度(Tc)：出现超导电性的温度称为超导转变温度。2.起始转变温度：电阻由正常值开始陡然下降时的温度。3.超导转变的可逆性：即当降低温度至Tc时，样品电阻突然降为零；当加热样品使温度达到Tc时，电阻又会突然恢复正常值，这个过程可以反复进行.几个重要概念：4.超导转变宽度：电阻由正常值开始陡然下降到完全消失的温区。对于非常纯的样品，转变宽度可小至10-5K。而较差的样品转变宽度可扩大到几K甚至十几K．新发现的高温氧化物超导体的超导转变宽度就相对于传统超导体更宽．超导转变宽度窄好还是宽好？5.零电阻的实验验证：美国麻省理工学院J.Collins2年半法奥（J．File）和迈奥斯（R．G．Mills）利用精确核磁共振方法测量超导电流产生的磁场来研究螺线管内超导电流的衰变，他们的结论是超导电流的衰减时间不低于十万年．2.临界磁场与临界电流])(1)[0()(2cccTTHTH当TTc时，当施加磁场强度达到某一值Hc(T)时，超导态就会变为正常态，恢复正常电阻值。HHc(T)为超导态，HHc(T)为正常态，转变同样具有可逆性。把Hc(T)称为临界磁场，它是温度的函数。二、超导的主要特征，两类超导体1.零电阻临界电流：实验还表明，如果在不加磁场的情况下，在超导体中通过足够强的电流也将会破坏超导电性，为破坏超导电性所需要的电流称作临界电流IC(T)．解释：当通过样品的电流在样品表面产生的磁场达到HC时，超导电性就被破坏，这个电流的大小就是样品的临界电流．这一点对其应用不利！3.迈斯纳(Meissner)效应（完全抭磁性）(1)理想导体情形tBECBE,0超导体具有完全逆磁性，即在导体内保持B=0。1HM(2)超导体情形超导体一般导体磁悬浮4.超导体的其它性质：(2)比热容（1）晶体结构实验发现当金属冷却到临界温度以下时，无论是点阵对称性还是点阵参数都没有发生变化。而且发现，与晶格振动相关的一些特性(如德拜温度ΘD和晶格振动对热容量的贡献)在正常相和超导相都相同。3/bTaeTkB3bTT（3）超导能隙（4）同位素效应常数cTM（5）两类超导体AlexeiA.Abrikosov美国国家阿岗实验室2003年获得诺贝尔物理学奖])(1)[0()(2cciciTTHTH即为超导体的磁通量子化现象。实验观测发现，当外磁场增强时，圆柱形正常区的磁通量并不发生变化，而只是增多这种圆柱形正常区的数目；当H=HC2时，这些圆柱形正常区彼此接触，超导区消失，整个样品成为正常态。每个圆柱体正常区的磁通量恰好为一个磁通量子.eh2/0（6）磁通量子化用磁光法在NbSe2样品上得到的磁通线分布图像理想的第二类超导体虽具有高的上临界磁场HC2(0)，却不能承受较大的超导电流。如果第二类超导体内含有大量缺陷(非理想第二类超导体)，这些缺陷将阻碍磁力线的移动，称为对磁力线的钉扎作用，其结果是穿过超导体的磁力线排列不再均匀，磁化时有滞后作用，而超导体则可承受大的超导电流。（7）缺陷的钉扎作用提高临界电流25A/cm102缺陷的钉扎作用越强，磁化的磁滞效应越大，则临界电流也越高。用来制造高强磁场的超导线圈都是用非理想第二类超导体制成的。例如经特殊处理的NbTi合金线临界电流可高达，可用以产生4特斯拉的强磁场。（1）伦敦方程任务：介质方程失效，寻找替代方程。EjEedtvdm**vnejss*Emendtjdss*2*tBE0)(*2*mBenjtss在电场E的作用下，超导电子的运动方程是电流密度应为将上式代入麦克斯韦方程得到电流密度与磁场的关系为二流体模型:超导电子ns,正常电子snn（1934戈特(Gorter)和卡西米尔(Casimir)提出）三、传统超导体的唯象理论和微观机制*2*mBenjss0*2*mBenjss为了使上式成立，只需与时间无关就行了，为了解释迈斯纳效应，伦敦进一步限制这个与时间无关的量为零，即这就是伦敦方程。ABAmenjss2磁矢势A考虑稳恒磁场的情况:js将保持不变.考虑到麦克斯韦方程00BjBsBBL2212/120)/(enmsL0)()(222LyyxBdxxBd)/exp()(0LyxBxB伦敦方程可以概括零电阻和迈斯纳效应．伦敦方程预言了超导体表面的磁感应强度B非常迅速地以指数形式衰减.可见，迈斯纳效应指出的超导体内磁感应强度B=0并不意味着超导体表面也是如此．伦敦方程的这一结果完全为实验所证