超导电性Superconductivity

第九章超导电性Superconductivity本节主要内容：􀀀固体超导现象的发现及超导体的基本性质􀀀超导电性的研究历史􀀀超导现象的试验研究􀀀超导电性的热力学及唯象理论􀀀超导电性的微观（量子）理论框架􀀀超导电性的应用9.1超导电性的发现及超导体的基本性质一、零电阻现象的发现1908年荷兰物理学家昂内斯（K.Onnes）实现了氦的液化。1911年昂内斯在研究Hg的低温电阻特性时，意外发现零电阻现象File等利用核磁共振方法测量超导螺线管内的电流衰变，得出其衰变时间不小于10万年—超导零电阻现象被确认二、迈斯纳（Meissner）效应1933年Meissner和Ochsenfeld发现，无论是在磁场中降温使样品进入零电阻态，还是已经是零电阻态的样品移入磁场中，样品中的磁感应强度均为零，即B＝0.----称为迈斯纳效应迈斯纳效应说明超导体是完全抗磁体B-磁感应强度，M-磁化强度，H-磁场强度迈斯纳效应是超导体独立于零电阻效应的物理现象对于零电阻导体而言：E＝0理想导体内B的变化超导体内B的变化三、超导体的临界参数9.2超导电性研究历史9.3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二、超导体比热三、超导体能隙的红外吸收光谱研究超导能隙如果存在，即可用红外吸收光谱表征四、超导体熵Sn超导态和正常态熵的比较五、超导体的同位素效应9.4超导转变的热力学分析一、超导体自由能如果将超导体看成是T,H为强度量的热力学体系，则超导体的摩尔自由能及其微分形式如下：温度为T时：在H＝Hc（T）相变线上：二、超导转变的潜热和比热变化9.5超导电性的唯象理论一、二流体模型2.正常电子浓度和超导电子浓度皆是温度的函数,温度大于TC时，所有电子都是正常电子3.超导电子是电子的一种有序状态，其有序度可用下式表示：二、伦敦理论1935年London兄弟依据二流体模型提出的一种描述超导现象的唯象理论1.零电阻特性如单位体积内有nS个电子以速度vS运动，则超导电流密度JS为：二、伦敦理论2.迈斯纳效应=0三、金兹堡－朗道理论虽然伦敦理论取得了伟大成功，但是在与实验对比时，还存在差距。其基本原因是在伦敦理论中假定了超导电流的电子数nS只依赖于温度。我们知道磁场可以对超导电性有很大影响。因而可以预期磁场能改变超导电子的数目，因而，nS一般来说不仅是温度T的函数，而且也是磁场B和空间位置r的函数。1950年，Gingzburg-Landau从超导态是比正常态更为有序的观点出发，结合Landau的相变理论提出超导体的有序度可用超导电子的有效波函数ψ来描述。1.无磁场时，超导体的G-L自由能Ψ(r)为有序度参量，正常相Ψ(r)=0；有序相的超导相Ψ(r)≠0，且|Ψ(r)|2标志了有序的程度。1.无磁场时，超导体的G-L自由能9.6超导电性的微观理论图象一、电子－声子如何相互作用？----库柏（Cooper）对的形成何种电子可以形成库柏对？泡利不相容原理通过交换声子形成库柏对的电子只能位于费米球以外声子的能量决定k的大小何种电子最易形成库柏对？二、超导能隙是如何形成的？尽管电子之间的相互作用是排斥的，但是由于库柏对借助声子交换形成，具有净的的相互吸引，所以能量是负的；库柏对一旦形成，体系能量就下降，而且固体中的库柏对越多，体系的能量愈低；拆散一个库柏对需要一个最低能量，所以超导态和正常态存在能隙；由于温度越高库柏对越易拆散，能隙是温度的函数，温度越高，能隙越小，当T＝TC时，能隙为零。三、如何基于库柏对的概念描述超导电性？当超导体为非载流状态时，无论是库柏对还是正常态电子在动量空间分布是均匀的，没有择优方向，所以无电流存在；在载流情况下，库柏对的质心动量不为零，所有库柏对都获得了一个大小相等的质心动量；声子对库柏对中电子的散射只是将一个库柏对变成了另一个库柏对，并改变库柏对的整体动量，所以载流库柏对所产生的电流是无电阻的；拆散一个库柏对需要一个最低能量，所以较小的电流密度的能量不足以拆散库柏对。9.7高温超导体简介高温氧化物超导体(Tc77K)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，相干长度却很短高温超导材料的制备9.8超导电性的应用举例超导体圆环置于磁场中，降温至材料临界温度以下，撤去磁场，由于电磁感应，圆环中有感生电流产生。只要温度保持在临界温度以下，电流便会持续。大尺度、强磁场、低消耗1、超导磁体2、超导电缆3、超导储能电能在零电阻输送，完全没有损耗3.超导磁悬浮列车利用超导磁体产生的强磁场，列车运行时与布置在地面上的线圈相互作用，产生电动斥力的原理将列车悬起，悬浮的气隙较大，一般为100mm左右。时速可达每小时500公里以上。常导型：超导型：利用普通直流电磁铁电磁吸力的原理将列车悬起，悬浮的气力的原理将列车悬起，悬浮的气隙小，一般为10mm左右。时速可达每小时400-500公里。日本研制的磁悬浮列车1972年，日本，第一辆超导磁悬浮原理车1979年,日本,时速504公里1999年4月，日本，时速552公里中国研制的高温超导磁悬浮实验车上海磁浮列车高温超导实用化——诱人前景Ifwintercomes,canspringbefarbehind?(P.B.Shelley,Britishpoet)冬天来了，春天还会远吗？(英国诗人,雪莱.P.B.)MerryChristmas！2012-12-25完