固体物理基础6磁性和超导电性.

浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云第六章固体的磁性MagnesiumofSolid超导电性Superconductivity浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云指南针司马迁《史记》描述黄帝作战用1086年宋朝沈括《梦溪笔谈》指南针的制造方法等1119年宋朝朱或《萍洲可谈》磁石罗盘用于航海记载最早著作《DeMagnete》W.Gibert18世纪奥斯特电流产生磁场19世纪法拉弟效应在磁场中运动导体产生电流安培定律电磁学基础电动机、发电机等开创现代电气工业磁性材料及磁性的研究历史浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云1907年P.Weiss的磁畴和分子场假说1919年巴克豪森效应1928年海森堡模型，用量子力学解释分子场起源1931年Bitter在显微镜下直接观察到磁畴1933年加藤与武井发现含Co的永磁铁氧体1935年荷兰Snoek发明软磁铁氧体1935年Landau和Lifshitz考虑退磁场,理论上预言了磁畴结构1946年Bioembergen发现NMR效应1948年Neel建立亚铁磁理论1957年RKKY相互作用的建立1958年Mössbauer效应的发现1965年Mader和Nowick制备了CoP铁磁非晶态合金1970年SmCo5稀土永磁材料的发现1984年NdFeB稀土永磁材料的发现Sagawa(佐川)1986年高温超导体，Bednortz-muller1988年巨磁电阻GMR的发现,M.N.Baibich1994年CMR庞磁电阻的发现，Jin等LaCaMnO31995年隧道磁电阻TMR的发现,T.Miyazaki浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云原子的磁性角动量：P磁化强度矢量：M为磁旋比PM在外加磁场H下HMMdtd浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云自旋电子学研究背景•巨磁阻效应(GMR)标志自旋电子学的出现；第一代自旋器件：巨磁阻读头•第二代自旋器件（半导体自旋器件）：使自旋极化的自旋源；将自旋注入到传统半导体中稀磁半导体：磁极子的局域磁矩与电子（空穴）的自旋相互作用；与传统半导体兼容，是良好的自旋源处理信息信息存储、处理同时进行稀磁半导体存储信息磁性材料半导体电子的电荷现代信息技术电子的自旋第二代自旋器件浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云•上世纪的60年代,光学和电学特性,居里温度(TC)在约为2K•InMnAs(PRL,1992)和GaMnAs(APL,1996)TC~75K•GaMnAs的TC已经达到170K(Nat.Mater.,2005)•Zener模型理论预测2000Science;随后,首次实现室温磁性(Co:TiO2,Science,2001;Co:ZnO,APL,2001)•对过渡金属Mn,Co,Fe,Ni,Cr,V等掺杂ZnO,TiO2,SnO2,GaN,GaP等体系展开研究,实现室温磁性•发现许多奇特低温磁光性质和磁传输,如巨Zeeman效应,巨Faraday旋转,反常Hall效应,负GMR等sp-d交换相互作用模型解释DMS的磁性DMS的研究概况浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云磁性材料应用举例之一－磁记录浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云磁性材料应用举例之一－磁记录浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云磁性材料应用举例之一－磁记录浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云超导电性的发现及超导体的基本性质浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云B=M+HB=0M=－H浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云0tB浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云＝＝－－浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云超导电性研究历史浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云超导体的实验研究一、超导体晶体结构研究•1910’－1950’：Bragg方程和Laue方程已经广泛应用，•XRD晶体结构研究极为普遍，XRD衍射结果表明超导态与正常态的晶体结构完全相同•超导态是热力学上的稳定状态N—S转变不是由晶体结构（原子排列）变化而引起的相变转变浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云高温超导体简介高温氧化物超导体(Tc77K)临界温度Tc达到液氮温度（77K）以上的超导材料称为高温超导材料1986年IBM苏黎世实验室La-Ba-Cu-O30K美、中、日科学家La-Ba-Cu-OSr-Ba-Cu-O57K1987年休斯敦大学，朱经武中科院，赵忠贤Y-Ba-Cu-O98K至今已发现至今已发现70余种高温超导材料浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云高温氧化物超导体的结构特点：•具有层状钙钛矿型结构•晶格结构中存在Cu-O•层面——高温超导体的导电平面•氧含量和分布对性能有重要影响浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云高温氧化物超导体的反常特性（1）电阻率的温度特性：线性关系（2）霍尔系数的温度特性：随温度上升而单调下降（3）光电导的反常特性（4）超导能隙的各向异性（5）电子——电子关联性（6）临界磁场高，相干长度却很短反常特性无法用低温超导理论(BCS理论)来解释，对超导理论的研究提出了新课题和新研究方向浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云设备：研钵+电炉工艺：混匀原材料——烧结——研磨——成形——烧结——再研磨——成形——烧结……优点：简单、实用、易于控制或改变合成条件产品,如优质大块样品，高质量粉料高温超导材料的制备高温超导薄膜在基片上镀膜——膜厚100nm涂布法机械热加工法溅射法分子外延法照射法蒸汽淀积法混合法脉冲准分子激光法蒸发法化学汽相沉积法浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云超导电性的应用举例浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云高温超导实用化——诱人前景电力能源方面：输电电缆、发电机、电动机、变压器超导化超导储能系统大型电机设备形状与性能的革命能源工业：超导贮能调节电网负荷超导磁体约束的等离子体和可能产生的核聚变电子学方面：超导计算机研究：计算速度高，体积小，功耗低，使用方便信息储存量大医学和生物方面：核磁共振计算机断层诊断装置(NMR-CT)超导量子干涉仪(SQUID)浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云就对社会冲击而言，高温（最终将达到室温）超导可能是，除了受控核聚变外，物理学中最重要的问题！—Nobel奖获得者Ginzburg