超导简介

主讲：罗贤清1.超导是怎样发现的？2.超导体有哪几个临界参量？3.什么是迈斯纳效应？4.传统超导体必须同时具有什么特性？5.BCS理论是什么？6.何为第一类超导体？何为第二类超导体？7.什么是高温超导？8.什么是约瑟夫森效应？9.超导有何应用？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。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。二超导体的三个临界参量1.超导体的临界温度Tc在一定值的温度下，电阻突然变到零，或者说电阻完全消失，这种状态称为超导态(super-超导体在刚刚进入超导态的温度叫作超导临界温度(superconductingcriticaltemperature)，一些元素的超导临界温度超导体(superconductor)。conductingstate)，而具有这种特性的物质就称为用Tc表示。一些超导材料的临界温度超导临界温度提高的情况超导体的电阻值比它在0℃的电阻值至少要小10-10倍。电阻率也远小于10-23Ω·cm。而0℃时，良导体铜的电阻率为1.6×10-6Ω·cm，超导体的电阻实际上可看作零。2.超导体的临界磁场Hc当通到线圈的电流产生的磁场超过一定强度时，超导体会突然就变成正常导体，出现了电阻。这种大到一定强度就破坏超导态的磁场值，实验表明对一定的超导体临界磁场是温度的叫做临界磁场，用Hc表示。函数。T=Tc时，Hc=0Hc不仅与超导体本身性质有关，还与温度T有关，Hc(T)=Hc(0)Hc(0)为T→0时的临界磁场。[1－(T／Tc)2]T→0时，Hc达到最大值。高于临界值是一般导体，低于此数值时成为超导体。3.超导体的临界电流Ic实验表明，如果在不加磁场的情况下，当通过超导体的电流大到一定程度时，也将会破坏超Ic的大小随温度T的高低而变化，三迈斯纳效应1933年，德国物理学家迈斯纳(W.F.Meissner，1882－1974)和奥克森菲尔德(R.Ochsenfeld)对锡单晶体超导体做磁场分布测量时，在小磁场中把金属冷却进入超导态时，超导导态，这个电流值叫做临界电流，用Ic表示。Ic为零。在Tc下，体内的磁感应线似乎一下子被“排斥”出去，保持体内磁感应强度B=0。实验表明，不论在进入超导态之前金属体内有没有磁感应线，当它进入超导态后，只要外磁场B0＜Bc，超导内B总是等于零，即B=0。由此可求得金属在超导态的相对磁导率μr=－1(μr＜0，抗磁质，物质具有抗磁性)，超导体具有完全抗磁性(perfectdiamagnetism)。也称为迈斯纳效应(Meissnereffect)。超导体的迈斯纳效应的意义在于否定了超导体是理想导体的概念。电阻为零和完全抗磁性是超导体最基本的两个性质，衡量一种材料是否具根据超导体完全抗磁性的性质，人们曾设计了一个有趣的实验，如果把一块磁铁放在一个超有超导性必须看是否同时有零电阻和迈斯纳效应。迈斯纳效应表明，处于超导态的超导体是一个具有完全抗磁性的抗磁体。实际上磁场强度B有一穿透深度xeBB0:穿透深度导体做成的盘子中，由于磁铁的磁力线无法穿透超导体，两者之间将产生一个斥力，磁铁就会悬浮起来。这种情况就象是在超导盘下方，有一块相同的镜象磁铁存在一样。根据这种原理，可以利用超导体做成无摩擦轴承、高精度的导航用超导陀螺仪以及磁悬浮列车等。四传统超导体的微观机制1.二流体模型荷兰物理学家戈特和卡西米尔两个人在热力学理论的基础上提出了一个模型。在超导体中存在有两种电子，它们彼此独立地流动。一种是正常的电子，另一种是超导电子。这两种电子就象两种流体一样在超导体中流动。在正常态时，只有正常电子，所以它的行为就和正常导体一样，存在电阻。当T降到Tc以下时，进入超导态，这时超导体就出现了超导电子，它们可以不受任何阻碍地在超导体中流动，T越低，超导电子就越多。当T无限地接近热力学温度零度时，超导体中就只有超导电子存在了。这样一个模型，称为“二流体模型”。2.同位素效应1950年，一位叫弗勒利希的英国物理学家提出，产生超导的相互作用是电子和点阵之间的相互作用。弗勒利希的理论也提出了一个预言，超导体的Tc将反比于构成该超导体的同位素质量的平方根。Tc∝21M同位素质量越大，Tc就越低。这一效应叫做同位素效应。如水银M从199.5变化到203.4原子质量单位时，Tc从4.185K变到4.146K。同位素：具有相同数目质子和不同数目中子的元素，在化学性质上是相同的，它们叫做同位素。几乎就在同时，美国有两个实验物理学家组成的小组分别在实验室中发现，超导体的Tc确实反比于超导体的同位素质量的平方根。电子和点阵的相互作用一定是产生超导的原因所在。3.库珀对1956年的时候，有一位叫利昂·库珀(LeonNorthCooper,1930－)的美国物理学家又提出一个重要的观点：当满足一定条件，在电子和电子之间存在有吸引力时，这两个电子就会形成一个“电子对”，它们被束缚在一起。这样的“电子对”称为“库珀对”。电子对图象的提出，终于使人们初步看到了超导体内部的微观机制的真相。4.超导电性的BCS理论1957年，约翰·巴丁(JohnBardeen,1908－1991，美国)、利昂·库珀和约翰·施里弗(JohnRobertSchrieffer,1931－，美国)三人共同创立了近代超导微观理论，被称为超导BCS理论。(巴库施理论)金属中的原子离解为带负电的自由电子和带正电的离子，离子排列成周期性的点阵。在金属的T＞Tc的情况下，自由电子在金属导体中运动时，它与金属晶格点阵上的离子发生碰撞而散射，这就是金属导体具有电阻的原因。金属导体的电阻当金属的T＜Tc时，导体具有超导电性。BCS理论认为，自由电子在点阵中运动时，由于异号电荷间的吸引力作用，影响了晶体点阵的振动，从而使晶体内局部区域发生畸变，晶体内部的畸变可以像波动一样从一处传至另一处。从量子观点看，光子是光波传播过程中的能量子；仿此，晶体中由点阵的振动产生畸变而传播的点阵波的能量子，称为“声子”，声子可被晶体中的自由电子所吸收，于是两个自由电子通过交换声子而耦合起来。这就像一个电子发射的声子，被另一个电子所吸收。于是两电子之间彼此吸引，成为束缚在一起的电子对，这就是常称的“库珀对”。研究表明，组成库珀对的两个电子之间的距离约为10-6m，而晶体的晶格常数约为10-10m，即在晶体中库珀对要伸展到数千个原子的范围内。进一步的研究还表明，库珀对中的两个电子的自旋和动量均等值相反，所以每一库珀对的动量之和为零。库珀对的结合是松散的。5.伦敦方程德国物理学家F·伦敦和H·伦敦兄弟俩经过一年的努力，在1935年发表文章提出了适用于超导电子的两个新的方程。这两个方程被人们称为“伦敦方程”。第一伦敦方程Emqntjss2ns：库珀对的数密度m=2me库珀对的质量js持续电流密度q=－2e库珀对携带的电量第一伦敦方程是确定电流密度与电场强度的第二伦敦方程mqns2js=伦敦方程和麦克斯韦方程组结合起来，就说明了超导体的各种电磁性质，也解释了不久前发现的迈斯纳效应。方程。取代正常金属欧姆定律jn=σE。B伦敦方程是唯象理论(唯象理论：预先作一些工作假定，在这些假定的基础上再结合其他基本理论来说明某些物理现象。)伦敦方程表明：静电时超导体内电场为零，E=0即完全抗电体。第二伦敦方程表明：超导电流是有旋的，可以在一环形回路中形成持续的超导环流。伦敦方程可以证明js和B都只存在于超导体20qnms称为伦敦穿透深度，实验测出约50nm。表面厚度约为的一层内，亦即有迈斯纳效应。五第二类超导体早在20世纪30年代时，物理学家就已经发现，在某些合金材料的超导体中，临界磁场可以有很高的值。而且当外磁场增加到一定的程度后，超导体内也开始有磁场渗入，而超导态却依然存在，直到外磁场达到更高的临界值时，超导体才进入正常态。这种类型的超导体有两个临界磁场：Hc1和Hc2。1.第一类超导体只有一个临界磁场Hc和正常态、超导态两种2.第二类超导体具有两个临界磁场Hc1、Hc2，并且可以经历超导态、混合态和正常态这三种状态的超状态的超导体叫第一类超导体。导体，叫第二类超导体。第二类超导体又有理想第二类超导体和非理想第二类超导体的区别。(1)理想第二类超导体在混合态中，超导体内的磁通线非常整齐的按一定的几何图形排列，后来称为“磁通格子”。在第一类超导体中，由于体内磁场为零，所以电流只能在其表面很薄的一层中流过，超导体内很大的空间中却没有电流，这样就限制了超导体的临界电流。在第二类超导体的混合态中，超导体内有磁通线存在，而在磁通线周围有涡旋电流流动。当磁通线均匀排列时，这些涡旋电流彼此抵消，所以体内无电流通过。这就是理想第二类超导体。(2)非理想第二类超导体磁通量子（fluxon）F.伦敦在1950年时就预言说，超导体中磁通量的变化是不连续的,有一个最小的单位φ0=hc／e。在20世纪60年代初，人们从实验上也观察到了磁通量的量子化，它与F.伦敦的预言只差两倍。超导体中是电子对起作用，而电子对的电荷非理想第二类超导体数为2e，所以φ0=hc／2e。但如果磁通线在超导体内分布不均匀时，体内各处的涡旋电流不能完全抵消，就会出现体内的电流。人们设想在材料的加工过程中，有意的在超导体内形成一些缺陷，这些缺陷将阻碍磁通线的运动，把它们固定下来。这样就提高了超导体承载宏观电流的能力，从而提高了临界电流值。这样的超导体就是非理想第二类超导体。利用这样的方法，人们终于在1961年使用非理想第二类超导体铌三锡(Nb3Sn)首次制成了第一个强磁场超导磁体(superconductingmagnet)。随着第二类超导体认识的深入，超导应用的序幕终于拉开了。六约瑟夫森效应1.能隙在超导体的电子能谱中，有一小块空白的区域，不允许电子具有这块区域中的能量。这个不能有电子存在的能量间隔就叫超导能隙。2.隧道效应量子力学中，在原子电子的微观世界中，一个能量不高的电子可以通过“开凿”一条看不见的隧道，而越过能量很高的势能。当然，并不是每个电子都能够这样，量子力学指出，电子对势能的这种穿透是有一定概率的，这种概率随势能的厚度和高度增加而迅速减小。在微观世界中，粒子的这种奇特本领，就叫隧道效应。1959年，美国的物理学家伊瓦尔·贾埃弗(IvarGiae-ver，1929－)做了这样一个实验，把一块超导体和一块正常金属连接起来，在它们之间夹了一层很薄的绝缘介质层。对于在超导体和正常金属中的电子来说，这个绝缘介质层就相当于一个势垒，当它很薄很薄时，电子穿过的概率就很大了。在超导体和正常金属两端加上电压后，贾埃弗成功地观察到了电子的隧道效应。并利用这种方法很准地测量了超导能隙。1960年时，他又把绝缘层两边都换成超导体，实验也同样成功。在贾埃弗的实验中，是超导体中的正常电子通过隧道效应而越过绝缘层。1962年，年轻的英国物理学家布赖恩·约瑟夫森(BrainDavidJosephson，1940－)大显身手，从理论上对于超导体－势垒－超导体的情况进行了认真的计算。得出了一系列难以想象的结果：不仅电子对也能够以隧道效应穿过绝缘层，在势垒两边电压为零的情况下，产生直流超导电流，构成电子对的两个电子能够作为一个整体而越过绝缘层吗？3.约瑟夫森效应(Josephsoneffect)此现象叫直流约瑟夫森效应(d.c.Josephsoneffect)。在势垒两边有一定电压V0时，还会