1-3 超导材料

LOGO电子功能材料及元器件电子科学与工程学院梁喜双LOGO1.超导现象的发现2.超导体的主要特征3.超导电性机制4.约瑟夫逊效应5.超导材料的发展6.超导体的应用1-3超导材料LOGO1-3超导材料1.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。1911年，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！1913年，昂内斯因对物质低温性质的研究和液氦的制备而获得诺贝尔物理学奖。LOGO1-3超导材料2.超导体的主要特征1.完全导电性（零电阻效应）某些物质在一定值的温度下，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-conductingstate)，而具有这种特性的物质就称为超导体(superconductor)。超导体在刚刚进入超导态的温度叫作超导临界温度(superconductingcriticaltemperature)，用Tc表示。即TTc时，电阻为零，TTc时，超导体出于正常态。LOGO1.常导体的“零”电阻比超导体的“零”电阻的值要大很多。2.常导体的电阻随温度渐变至“零”，而超导体的电阻随温度下降几乎是跃变至“零”的。3.超导体的“零”电阻是指直流电阻。1-3超导材料如何理解超导体的”零电阻”超导体的”零”电阻和常导体的”零”电阻的含义是有根本区别的.常导体的电阻率随温度的变化曲线水银电阻率随温度的变化LOGO1-3超导材料2.临界磁场效应（Hc）当超导体处于超导态时，当外磁场强度超过某一数值Hc时，超导电性被破坏，超导体会突然就变成正常导体，出现了电阻。Hc被称为临界磁场强度。实验表明对一定的超导体临界磁场是温度的函数。Hc(T)=Hc(0)[1－(T／Tc)2]Hc(0)为T→0时的临界磁场。T=Tc时，Hc=0，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。Hc(T)=Hc(0)[1－(T／Tc)2]LOGO1-3超导材料1.第一类超导体：只有一个临界磁场Hc和正常态、超导态两种状态的超导体叫第一类超导体。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导体，叫第二类超导体。超导体的分类LOGO1-3超导材料3.临界电流效应（Ic）当通过超导体的电流超过一定的数值Ic后，超导电性也可被破坏，称Ic为临界电流。4.完全抗磁性（迈斯纳效应）处在超导状态时，超导体内部磁感应强度为零。如果把超导样品放置到磁场中，然后冷却到临界温度Tc以下，原来在样品内的磁通就要从样品内被排出，这种现象称为迈斯纳效应（Meissnereffect）。LOGO1-3超导材料1933年，德国物理学家迈斯纳(W.F.Meissner)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)。人们把这一效应称为迈斯纳效应(Meissnereffect)。迈斯纳效应的发现完全导电性（零电阻效应）和完全抗磁性是超导体最基本的两个性质，其数学表达式为：E=0B=0衡量一种材料是否具有超导性必须看是否同时有零电阻效应和迈斯纳效应。LOGO1-3超导材料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。完全抗磁性的应用LOGO1-3超导材料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。LOGO1-3超导材料3.超导电性机制在常导体中，传导电流的是准电子，在外力作用下，电子在做定向运动的过程中遇到晶格原子或杂质和缺陷的碰撞，以至阻碍了电子的定向运动，这种阻力称之为电阻。晶格振动散射杂质和缺陷散射LOGO1-3超导材料巴丁（左）、库珀、施里弗（右）在超导现象被发现50年之后，1957年BCS（Bardeen-Cooper-Schrieffer）超导理论。他们于1972年获得了诺贝尔物理学奖。BCS理论LOGO1-3超导材料BCS理论:1)运动速度相同、方向相反的电子可形成电子对--库伯对;2)电子形成费米球分布，球内常导电子，球面超导电子，可无阻的运动形成超导态;3)常导电子与超导电子依温度相互转化，TTc全部为常导电子，TTc开始结对，随着温度下降，结对电子增多，到达0K时全部为超导电子.LOGO1-3超导材料T=0K时，f=1，x=0;TTc时，f=0，x=1.LOGO1-3超导材料电子的有序态：snnBCS理论的补充：超导体中的常导电子超导态是晶格结构没有变化超导电流对常导电流的短路作用形成电子对的媒介总结：依据超导的BCS理论，在超导体中，由于电子和晶格振动（声子）作用所提供的吸引胜过电子之间库伦斥力，因此使具有大小相同、方向相反的动量和自旋的两个电子形成了束缚的电子对，凝聚到同一个最低能态上，出现了高度有序、长程相干的量子状态。这种状态中电子对与晶格之间实际上无能量交换，因此电子对不被晶格散射，而无阻地流动着，即出现了超导电性。LOGO4.约瑟夫逊效应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1-3超导材料LOGO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1-3超导材料LOGO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。1-3超导材料LOGO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.约瑟夫逊效应(Josephsoneffect)此现象叫直流约瑟夫逊效应(d.c.Josephsoneffect)。1-3超导材料LOGO如果在超导结的结区两端加上一直流电压V（当然，这时电流大于临界电流）,在结区就出现高频的超导正弦波电流，其频率与所施加的直流电压成正比，有如下关系式hω/2π=2e/V或ν＝(2e/h)V比例常数2e/h=483.6×106Hz/μV。这时，结区以同样的频率（若所加电压是几微伏，则在微波区域；若为几毫伏，则在远红外波段）向外辐射电磁波。超导隧道结这种能在直流电压作用下，产生超导交流电流，从而能辐射电磁波的特性，称为交流约瑟夫森效应。随后，大量的实验证实了约瑟夫森的所有预言。1963年安德森(P.W.Anderson)和罗威尔便发现了零电压超导电流(直流约瑟夫逊效应)，夏皮罗(S.Shapiro)也观察到了振荡超导电流(交流约瑟夫森效应)。人们把它们统称为约瑟夫逊效应。1-3超导材料LOGO由BCS理论知道,库珀对是长程有序的，因此在一块超导体中所有的库珀对具有相同的位相。如果两块超导体中间的绝缘层较厚,则两块超导体中电子无关联,各自具有独立的位相φ1和φ2。当绝缘层减小到某一厚度后，两块超导体中的超导电子就以位相差φ＝φ1－φ2联系起来。这时的绝缘层就成为一个“弱”超导体。库珀对可通过这个“弱”超导体而出现超流隧道或电子对Js=Jcsinφ式中Jc与两块超导体的性质和绝缘层的厚度以及所处的温度有关。如果只在结两端加恒电压V，则这就是交流约瑟夫森效应。交流约瑟夫逊效应物理解释1-3超导材料02Vhef)2sin(200tVhejjcsLOGO约瑟夫森、贾埃弗和江崎玲于奈(LeoEsaki，1925－，日本，发现半导体的隧道效应)由于他们的重大贡献而获得了1973年的诺贝尔物理学奖。人们后来认识到，并不仅仅是在超导体－绝缘体－超导体这样的结构中才有约瑟夫逊效应，只要将两块超导体以某种“弱连接”[结区具有超导电性(库珀对可以穿过)，而这超导电性又是微弱的(临界电流只有微安到毫安数量级)，换句话说，形成了超导电性的薄弱环节。]的方式耦合起来，就可能会出现这些效应。因此，对约瑟夫逊效应应有更广义地理解。1-3超导材料LOGO1-3超导材料约瑟夫森结的几种形式国际计量局（BIPM）的约瑟夫森基准室LOGO1-3超导材料5.超导材料的发展LOGO1986年4月，乔治·柏诺兹(J.GeorgBednorz，1950－，瑞士)和卡尔·缪勒(KarlA.Muller，1927－，德国)向德国《物理杂志》提交了题为“Ba－La－Cu－O系统中可能的高Tc超导电性”的论文。后来，日本东京大学的几位学者根据他们的配方复制了类似的样品，证实钡镧铜氧化物具有完全抗磁性。Tc提高到了33K。柏诺兹和缪勒因发现钡镧铜氧系统中的高Tc超导电性，共同分享了1987年度诺贝尔物理学奖。柏诺兹和缪勒的发现使人类从基本探索和认识超导电性跨越到超导技术开发时代。高温超导1-3超导材料LOGO1987年2月24日中国科学院宣布，赵忠贤领导的科研组已将钇钡铜氧(Y－Ba－Cu－O)材料的Tc提高到了92.8K以上，从而实现了转变温度在液氮温区的突破。液氮的沸点为77.3K，价格比液氦便宜100倍，冷却效率高63倍，且氮又是十分安全的气体，故大大扩展了超导的应用前景。把1986年4月以后发现的较高温度下的超导体称为高温超导。高温超导材料都是陶瓷一类氧化物，其超导机理与低温下的金属或合金超导有很大不同。1-3超导材料LOGO由铋、锶、钙、铜和氧构成的高温超导材料已制成超导导线，比常规铜线运载电流大100倍。1998年7月，北京有色金属研究总院与兄弟单位共同研制成我国第一根1米长的铋系高温超导直流输电模型电缆，运载电流达到1200安，使我国顺利成为世界上少数几个掌握这一技术的国家。2000年11月26日北京有色金属研究总院宣布，设在该院的超导材料研究中心研究成功我国第一根百米长的铋系高温超导带材，表明我国超导材料研究从实验室迈向应用阶段，达到国际先进水平。1-3超导材料LOGO此次研制成功的高温超导带材长116米，宽3.6毫米，厚为0.28毫米，以螺旋管方式缠绕，用四引线法全长度测量，77K液态温度自场下临临界电流达12.7安培。高温超导带材达到100米以上就可进入生产领域。主要用作输电电缆、变压器、核磁共振成象等。现在一般输电电缆在长距离输送时，电力损耗达20％，而高温超导长带材做成的输电电缆，输电