4第四章-超导材料3

1第四章超导材料2目录一、超导现象的发现及历史二、三个重要的物理参数三、超导体的物理特性四、超导的微观机制(BCS理论)五、超导技术的应用六、高温超导体的发现七、超导材料八、结束语31908年，荷兰物理学家昂纳斯首次成功地把称为“永久气体”的氦液化，因而获得4.2K的低温源，为超导发现准备了条件。三年后即1911年，在测试纯金属电阻率的低温特性时，昂纳斯又发现，汞的直流电阻在4.2K时突然消失，多次精密测量表明，汞柱两端压降为零，他认为这时汞进入了一种以零阻值为特征的新物态，并称为“超导态”。昂纳斯在1911年12月28日宣布了这一发现。但此时他还没有看出这一现象的普遍意义，仅仅当成是有关水银的特殊现象。一、超导的发现4荷兰物理学家昂纳斯(HeikeKamerlinghOnnes)•卡末林·昂纳斯(KamerlinghOnnes)低温物理学家•1853年9月21日生于荷兰的格罗宁根，1926年2月21日卒于荷兰的莱顿．因制成液氦和发现超导现象象1913年获诺贝尔物理学奖．5金属Hg电阻随温度变化规律横坐标表示温度，纵坐标表示在该温度下汞的电阻与0℃时汞的电阻之比：R/R0R0：T=273K的电阻6超导体的分类根据超导体界面能的正负，我们可以将超导体分为第一类超导体和第二类超导体:1.大多数纯超导金属元素的界面能为正，称为第一类超导体。2.对于许多超导合金和少数几种纯超导金属元素来说，其界面能为负，称为第二类超导体。现在主要研究的是第二类超导体。在第二类超导体中，又可以根据由于磁通流动而产生电阻（流阻）将其进行分类。7超导体的分类在常压下具有超导电性的金属有32种（如图元素周期表中蓝色方框所示）,而在高压下或制成薄膜状时具有超导电性的元素金属有14种（如图元素周期表中绿色方框所示）8第I类超导体•第I类超导体主要包括一些在常温下具有良好导电性的纯金属，如铝、锌、镓、镉、锡、铟等，该类超导体的熔点较低、质地较软，亦被称作“软超导体”。其特征是由正常态过渡到超导态时没有中间态，并且具有完全抗磁性。第I类超导体由于其临界电流密度和临界磁场较低，因而没有很好的实用价值。9第II类超导体①第II类超导体由正常态转变为超导态时有一个中间态②第II类超导体的混合态中有磁通线存在，而第I类超导体没有③第II类超导体比第I类超导体有更高的临界磁场、更大的临界电流密度和更高的临界温度10第II类超导体分类第II类超导体根据其是否具有磁通钉扎中心而分为理想第II类超导体（体内组分均匀分布，不存在各种晶体缺陷，其磁化行为呈现完全可逆）非理想第II类超导体（非理想第二类超导体具有较大的实用价值）11二、三个重要的物理参数实现超导必须具备一定的条件，如温度、磁场、电流都必须足够的低。超导态的三大临界条件：临界温度临界电流临界磁场三者密切相关，相互制约12超导临界温度发展历程临界温度(Tc)超导体电阻突然变为零的温度。13逐渐增大磁场到达一定值后，超导体会从超导态变为正常态，把破坏超导电性所需的最小磁场称为临界磁场，记为Hc。正常态HHc(0)TcT超导态临界磁场有经验公式：Hc(T)=Hc(0)(1-T2/Tc2)14超导体无阻载流的能力是有限的，当通过超导体中的电流达到某一特定值时，又会重新出现电阻，使其产生这一相变的电流称为临界电流（Ic）。目前，常用电场描述Ic(V)，即当每厘米样品长度上出现电压为1V时所输送的电流。Ic(V)IV失超临界电流15•影响Ic的几个主要因素(1)磁通蠕动超导材料的磁化强度明显地随时间变化(弛豫)，称为磁通蠕动。(2)磁通钉扎通常，第二类超导体的磁通线(阵)与晶体缺陷的相互作用(钉扎效应)导致一定的体临界电流密度。所以体分布的临界电流的存在被当作第二类超导电性存在的一种判据。(3)晶内缺陷位错密度越高，膜的Ic越高，Ic随磁场增加而衰减的速度也越慢。从而位错对Ic的影响是显著的。提高单晶体Ic的另一种途径是用各种粒子对高Tc样品进行辐照。最常用的粒子是中子和各种离子。(4)晶间弱连接多晶样品的输运(晶粒间)临界电流密度很低，尤其在77K是如此。它还表现出Josephson（约瑟夫森效应，即超导电子对的超导隧道效应)电流的性质，即随很小的外场变化而迅速变化。所以，研究高温超导体的晶界性质对Ic物理机制和技术应用都很重要。通常把晶界的这种性质叫做弱连接。16三、超导体的物理特性(1)零电阻现象(ZeroResistance)(a)TTc在超导环上加磁场(b)TTc圆环转变为超导态(c)突然撤去外电场，超导环中产生持续电流17迈斯纳效应又叫完全抗磁性，1933年迈斯纳发现，超导体一旦进入超导状态，体内的磁通量将全部被排出体外，磁感应强度恒为零，且不论对导体是先降温后加磁场，还是先加磁场后降温，只要进入超导状态，超导体就把全部磁通量排出体外。NNSS注：S表示超导态N表示正常态(2)迈斯纳效应18在锡盘上放一条永久磁铁，当温度低于锡的转变温度时，小磁铁会离开锡盘飘然升起，升至一定距离后，便悬空不动了，这是由于磁铁的磁力线不能穿过超导体，在锡盘感应出持续电流的磁场，与磁铁之间产生了排斥力，磁体越远离锡盘，斥力越小，当斥力减弱到与磁铁的重力相平衡时，就悬浮不动了。观察迈纳斯效应的磁悬浮试验19德国物理学家迈纳斯20(3)二级相变效应1932年，荷兰学者Keesom和Kok发现，在超导转变的临界温度TC处，比热出现了突变。Keesom-Kok实验表明，在超导态，电子对比热的贡献约为正常态的3倍。如果发生相变时，体积不变化，也无相变潜热，而热容、膨胀系数和等温压缩系数等物理量发生变化，则称这种相变为二级相变。正常导体向超导体的转变是一个二级相变。还有顺磁体与铁磁体之间的转变，合金的有序态与无序态之间的转变等。212223穿透深度•超导体不允许它内部存在净的磁通这一事实，对于通过它的电流有重要影响。电流不能由超导体内通过，而只能在它的表面上流动。这种电流分布，既包括外部电源流过超导体的电流，也适用于抗磁性的屏蔽电流。•另一方面，电流也不能完全被局限于几何表面。因为电流层如果真的没有厚度，电流密度就会是无限大，从物理上看显然是不可能的。•事实上，电流是在一极薄的表面层内流动，其厚度约为10-6~10-5cm数量级。尽管这一厚度如此之小，但它在决定超导体的特性方面，却起着极其重要的作用。24•当一超导样品处于一外加磁场中时，既然抵消内部磁通量的屏蔽电流只能在表面层内流动，那么，在样品的边界上，磁通密度就不会突然下降为零，而是在屏蔽电流流动的区域内，逐渐减小为零。这屏蔽电流流动的表面层厚度称为穿透深度，因为它也是外加磁场的磁通能穿入的深度。穿透深度通常用表示。25穿透深度不具有恒定的量值，它紧密依赖于温度的变化。1.在远低于Tc时，它几乎与温度无关，并具有因不同材料而异的0值；2.当温度高于0.8Tc时，穿透深度迅速增加；3.当温度T接近Tc时，穿透深度趋于无穷大(见图4.2.9)•穿透深度随温度T的变化的经验公式：26同位素效应指出超导体的临界温度随同位素质量而变化。同位素效应揭示出超导电性与电子和晶格的振动有关。MTc12/1(4)同位素效应27(5)单电子隧道效应当一个电子在势垒中运动时，电子可以借助真空，从真空吸收一个虚光子，使自己的能量增大而越过势垒，电子一旦越过势垒，便将虚光子送还给真空。同时，电子的能量也返回到原来的值，量子理论称它为隧道效应。28(6)约瑟夫森效应（双电子隧道效应）1962年，约瑟夫森（Josephson）提出，应有电子对通过超导-绝缘层-超导隧道元件，即一对对电子成伴地从势垒中贯穿过去。电子对穿过势垒可以在零电压下进行，所以约瑟夫森效应与单电子隧道效应不同，可用实验对它们加以鉴别。零电压下的约瑟夫森效应又称直流约瑟夫森效应。此外还有交流约瑟夫森效应。它们具有共同的特点，都是双电子隧道效应。29四、超导的微观机制3031当电子(费米面附近的电子)行经可以极化的晶格点阵，引起点阵形变，也就是与声子耦合了，声子追随电子运动(如果电子的运动频率不是太高)，同时声子又影响随后的费米面附近的电子，致使电子之间产生了有效的吸引力。弗劳里希(Frohlich)证明了电子和声子的耦合能使费米面附近的电子间产生一种有效的吸引力。简单地说来323.BCS理论1957年在伊利诺大学的B.D.Bardeen(巴丁)、L.N.Cooper(库柏)及J.R.Schrieffer(施里弗)为了正确解释超导现象，发表了著名且完整的超导微观理论（量子理论），称为BCS理论。BCS理论是由美国物理学家巴丁、库珀和施里弗于1957年首先提出的，并以三位科学家姓名第一个大写字母命名这一理论。33巴丁、库柏、施里弗获1972年诺贝尔物理奖34BCS理论的三个观点1.在一定温度下，金属中参与导电的电子结成库珀对，这是一个相变过程；2.库珀对电子凝聚在费密面附近；3.费密面以上将出现一个宽度为Δ的能隙。要点：电子在晶格中移动时会吸引邻近格点上的正电荷，导致格点的局部畸变，形成一个局域的高正电荷区。这个局域的高正电荷区会吸引自旋相反的电子，和原来的电子以一定的结合能相结合配对。在很低的温度下，这个结合能可能高于晶格原子振动的能量，这样，电子对将不会和晶格发生能量交换，也就没有电阻，形成所谓“超导”。缺点：BCS理论并无法成功的解释所谓第二类超导，或高温超导的现象35五、超导技术的应用36（1）在电力工程方面的应用超导导线(含2120根微米直径之铌钛合金纤维)超导输电在原则上可以做到没有焦耳热的损耗，因而可节省大量能源；用超导线圈储存能量在军事上有重大应用，超导线圈用于发电机和电动机可以大大提高工作效率、降低损耗，从而导致电工领域的重大变革。37超导储能装置超导储能装置是利用超导线圈将电磁能直接储存起来，需要时再将电磁能返回电网或其它负载的一种电力设施。一般由超导线圈、低温容器、制冷装置、变流装置和测控系统几个部件组成。其中超导线圈是超导储能装置的核心部件，它可以是一个螺旋管线圈或是环形线圈。38超导发电机在电力领域，利用超导线圈磁体可以将发电机的磁场强度提高到5～6万高斯，并且几乎没有能量损失，这种发电机便是交流超导发电机。超导发电机的单机发电容量比常规发电机提高5～10倍，达1万兆瓦，而体积却减少1/2，整机重量减轻1/3，发电效率提高50％。39超导限流器超导限流器是利用超导体的超导/正常态转变特性，有效限制电力系统故障短路电流，能够快速和有效地达到限流作用的一种电力设备。超导限流器集检测、触发和限流于一体，反应速度快，正常运行时的损耗很低，能自动复位，克服了常规熔断器只能使用一次的缺点。40日本超导磁悬浮列车MAGLEV高温超导磁悬浮实验车“世纪号”（2）超导技术在交通运输方面的应用41列车的最高时速为350公里，飞机的为1500公里。所以人们就想寻求一种时速介于两者之间的交通工具。磁悬浮列车整好满足了这个要求。最高时速可达到500公里。磁悬浮列车是利用超导体的完全排磁性，使列车悬浮在空中，以直流电动机作为推动力。优点：不接触轨道，无摩擦，运行安全，无噪声，无任何有害气体排放，造价也只有地铁的三分之一。上海浦东已经建成了我国第一条磁悬浮铁路，全长30公里，仅需8分钟。42（3）超导技术在电子工程方面的应用用超导技术制成各种仪器，具有灵敏度高、噪声低、反应快、损耗小等特点，如用超导量子干涉仪可确定地热、石油、各种矿藏的位置和储量，并可用于地震预报。超导量子干涉仪43超导数字电路超导数字电路利用约瑟夫森结在零电压态和能隙电压态之间的快速转换来实现二元信息。应用约瑟夫森效应的器件可以制成开关元件，其开关速度可达10-11秒左右的数量级，比半导体集成电路快100倍，但功耗却要低1000倍左右，为制造亚纳秒电子计算机提供了一个途径。44（4）超导技术在生物医疗方面的应用核磁共振断层扫描仪其原理乃是利用核磁共振原理，观察体内某一种原子核的变化分布(主要是氢原子)，将结果显像为人体断层扫描图，以观察身体中病灶组织的变化。核磁共振