超导材料(课堂PPT)

2015级材料物化六组演讲：陆永发高璐鲍舒婷幻灯片制作：高璐郑长天资料收集：朴星鲍习科戴宪军信息整理：郭世铭潘影盛云101020304引言超导材料的性质及超导现象的机理氧化物基超导陶瓷超导材料的应用目录/contents21.引言☼1.1超导现象的发现1911年，荷兰莱顿大学的H·卡茂林·昂内斯（HeikeKamerlinghOnnes，1853～1926绰号“绝对零度先生”）意外地发现，将汞冷却到4.35K(-268.98℃)时，汞的电阻突然消失；后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性，由于它的特殊导电性能，H·卡茂林·昂内斯称之为超导态。卡茂林由于他的这一发现获得了1913年诺贝尔奖。卡茂林在诺贝尔奖领奖演说中指出：低温下金属电阻的消失“不是逐渐的，而是突然的”，水银在4.2K进入了一种新状态，由于它的特殊导电性能，可以称为超导态”。31.引言图1.1Hg在4.2K附近的R-T曲线超导体从正常态转变为超导态(0电阻)时的温度称为超导转变温度TC从图1.1中可见：超导转变前后电阻变化超过104倍。TC41.引言☼1.2迈斯纳效应的发现1933年德国物理学家迈斯纳（W.Meissner）和奥森菲尔德（R.Ochsebfekd）对锡单晶球超导体做磁场分布测量时发现：在小磁场中把金属冷却进入超导态时，体内的磁力线一下被排出，磁力线不能穿过它的体内，也就是说超导体处于超导态时，体内的磁场恒等于零。迈斯纳效应的具体现象和机理将在2.1.2节解释。图1.2迈纳斯效应示意图51.引言☼1.3超导材料的早期研究进展在超导现象发现的1911年之后的70多年里，人们所制备出的超导材料一直处在低温下，最高不过23.2K上世纪80年代后期，发现了镧钡铜氧化物（TC=35K，在当时是不折不扣的“高温超导体”）后，“高温超导体”的研究掀起了高潮。1986年之后发现的多元系氧化物超导体使TC值在10年时间里提高到160K值得一提的是：并不是所有的金属单质在极低的温度下都有超导性。【例如：碱金属、碱土金属、贵金属在10-3K下也没有表现出超导性】61.引言☼1.4超导体的分类超导体第一类超导体：所有元素超导体（首先被发现的超导体，但其TC太低，应用价值有限）第二类超导体：所有合金和化合物超导体（80年代后新发现的超导体，相比第一类超导体，TC大大提高，具有广阔的应用前景）72.超导材料的性质及超导现象的机理☼2.1超导体的宏观性质☼2.2超导态转变的热力学机理☼2.3超导体的宏观模型（唯象理论）☼2.4超导体的微观性质☼2.5超导体的微观模型——BCS理论82.超导材料的性质及超导现象的机理☼2.1超导体的宏观性能2.1.1超导体的电性能（零电阻效应）1.1节中已经提到超导体在TC温度以下电阻率会突然变为0，这种现象即为零电阻效应。但零电阻效应的发生是有前提条件的。“实践是检验真理的唯一标准”，大量的实验结果已证实：当超导体处于超导态时，只有电流为直流或低频交流，且电流产生的磁场不至于太高时才会产生零电阻效应。换句话说，对于一段超导体，电流存在一个临界值IC（相应地，电流密度也存在着临界值JC），当电流超过IC时，超导体的超导态就会被破坏而转变会正常态。92.超导材料的性质及超导现象的机理☼临界电流密度存在的原因——西尔斯比定则西尔斯比指出，临界电流JC与临界磁场Hc之间存在内在的联系，他认为电流之所以能够破环超导电性，纯粹是电流所产生的磁场引起的。并作如下假设，在无外加磁场的情况下，临界电流在超导体表面所产生的磁场恰好等于Hc，许多人的实验证实了这一点，并把它称为西尔斯比定则。“学而时习之，不亦说乎”，根据大家上高中物理时学到的电流磁效应的知识，电流会产生磁场，导体表面的磁场强度H与电流密度J以及导体截面半径R的关系为：（2.1）将临界磁场强度HC代入公式（2.1）得：（2.2）102.超导材料的性质及超导现象的机理2.1.2超导体的磁性能（迈斯纳效应）在超导电性发现后二十年来，都是把超导体的磁性归结为超导体的无限导电性的结果，把超导体归结为电阻等于零的“理想导体”。由于超导态的零电阻，在超导态的物体内部电场E=0；所以当外加磁场改变时，根据楞次定律，在金属表面将感生一个感生电流，以抵消外磁场的变化，这个感生电流密度J不受到电场的作用，同时金属又是无阻的，所以这个电流不消失，永远保持着金属内的磁通不变。把这种磁性看作是零电阻的结果。这种解释有一个重大局限：按这种理论感生电流密度J在外磁场H0→0时也不消失，那超导体将因此产生磁性。这与事实不符，因为，当外磁场H0→0时。超导体没有磁性。直到1933年，迈斯纳（Meissner）对超导圆柱Pb和Sn在外加磁场作用下测量磁通密度分布时，发现了一个惊人的想象：不管外加磁场次序如何，超导体内磁场感应强度总是等于零，超导体即使处在外磁场中，也永远没有内部磁场，它与外加磁场的历史无关，这个效应称之为迈斯纳效应。图2.1迈纳斯效应示意图112.超导材料的性质及超导现象的机理☼迈纳斯效应的机理：迈斯纳效应，常常概括说成：超导体具有“完全的抗磁性”，即在超导体内部保持磁感强度B=0，应该注意到的是，完全抗磁性并不是说磁化强度M和磁场强度H均为0。根据B=μ0（H+M），有（2.3）以球形样品为例，球形样品均匀外磁场中将沿磁场方向均匀磁化。如果磁化强度为M，则各处磁场强度可以根据M所引起的表面“磁荷”分布计算，这样磁荷应在球内产生均匀磁场强度（即退磁场）为（2.4）加上外磁场，得到球内磁场强度（2.5）将公式（2.5）代入（2.3）（2.6）即（2.7）将公式（2.7）代入（2.5）（2.8）3MHM00H23M0H23H122.超导材料的性质及超导现象的机理根据公式（2.7）（2.8）可得知球内的磁感强度B由于磁化强度M和磁场强度H的抵消而等于0，而且磁化强度M和磁场强度H的大小均与外磁场成比例关系球外的磁场就等于外磁场再加上等于整个球体的磁矩的磁偶极子的磁场。最后我们要着重指出零电阻效应和迈斯纳效应是超导体的两个相互独立而又紧密联系的基本特性，单纯的ρ=0，并不能保证有迈斯纳效应，而B=0必须要求ρ=0。因为ρ=0是存在迈斯纳效应的必要条件，为了保证超导体内B=0，必须有一个无阻（即ρ=0）的表面电流以屏蔽超导体内部，这个屏蔽外磁场的电流也叫做迈斯纳电流，这样似乎B=0比ρ=0更重要，其实不然，因为ρ=0，则要求超导体内E=0。而B=0只保证在超导体内没有感应电场，并不能保证任何情况下式E=0都成立。132.超导材料的性质及超导现象的机理☼2.2从热力学的角度看超导转变2.2.1超导转变过程中的自由能变化根据在同温度下，磁场强度变化后的自由能计算公式(2.9)由于gs(HC,T)=gn(HC,T)(2.10)式中：gn(HC,T)表示正常态在临界磁场中，温度为T时的单位体积自由能（正常态自由能与外磁场无关）；gs(0,T)表示超导态在无外界磁场时，温度为T时单位体积自由能；HC(T)表示临界磁场与温度的关系，可以用以下公式计算：2,0,g20sHTgTHs图2.2Pb在0K时gs、gn与外磁场H的关系图gn（H）gs（H）HC)1()(220CCCTTHTH2)(,0,g20nTHTgTHCsC从图2.2中可见：在T一定的前提下，HHC时，gsgn；HHC时，gsgn142.超导材料的性质及超导现象的机理2.2.2超导转变过程中熵的变化根据有关热力学方程可推得：（2.11）由公式（2.10）可得将HC(T)对T求导一定小于0，这已经有实验结果证实（见图2.3）。故sn-ss0所以超导转变后，超导态的熵值一定小于正常态，这说明超导态比正常态有序程度更高。（这一点将在2.5节中说明其微观机理）dTTdHHssCCsn)(0图2.3一些元素超导体的HC-T图线152.超导材料的性质及超导现象的机理2.2.3超导转变过程中比热的变化根据我们在《固体物理》中学到的晶格振动理论，比热的微观机理由两部分组成：晶格贡献和电子贡献。超导态时的比热与正常态一样，也是由这两部分组成。但由于超导态通常在低温下出现，所以电子贡献占主导。主要的区别在于：当超导体由正常态过渡到超导态时，晶格（或声子）比热基本不变，电子比热发生了较大变化。从图2.4可见：在T略低于TC时，超导态比热大于正常态比热，由C=T(αS/αT)可知，当超导态金属在这一温度被冷却时，其传导电子的熵比在同一温度区正常态的熵减小速率更快，这与2.2节中sn-ss0的结果相一致。图2.4Al在超导态时的比热Cs与正常态比热Cn的C-T曲线CsCnTc162.超导材料的性质及超导现象的机理2.2.4从热力学角度看超导态转变小结（1）从自由能来看，物质能否自发转变为超导态与外磁场强度H0以及环境温度T有关。（见图2.5）（2）从超导态转变前后熵和比热的变化来看，相同温度下，超导态熵值低于正常态。这说明：在冷却超导体时，除正常金属被冷却时通常出现的传导电子熵减小之外，在小于TC的温度下，必然开始形成某种额外形式的电子有序。图2.5某种超导体在一定H0、T下的热力学稳定态示意图以上两点和超导态的电学性质结合起来，使人相信，超导态是由于电子以某种方式组织和结合起来，使它们可以不受散射在TTC时，这种超导电子有序状态随温度增加而不断瓦解。172.超导材料的性质及超导现象的机理☼2.3超导体唯象理论的发展：2.3.1二流体模型1934年，戈特和卡西米尔根据超导电性的某些热力学性质提出了超导态的二流体模型，认为超导态比正常态更为有序是由共有化电子发生某种有序转变而引起的。该理论提出超导电子的概念，指出：超导电子不受晶格振动的影响，用NS表示其浓度，用秩序度ω(T)表示超导电子占总电子浓度N的比例：当TTC时，NS(T)=0，ω(T)=0；当TTC时，0ω(T)1；当T=0K时，NS(T)=N，ω(T)=1。这是一个不成熟的模型，无法从根本上解释超导机制，基本假设为超导相中共有电子凝聚成高度有序的超导电子，但却对凝聚过程没有加以说明。NTNTS)()(182.超导材料的性质及超导现象的机理2.3.2伦敦方程1935年，F.伦敦(FritzLondon)和H.伦敦(HeinzLondon)建立了超导体的电动力学方程，成功地解释了超导体一系列奇特的电磁性质。其中（2.12a）描述了超导体的零电阻性；（2.12b）描述了超导体的抗磁性。式中JS是超导电流,C是光速,λ称为伦敦穿透深度，其计算式为(2.13)，ns是超导电子的密度，m、e为电子的质量和电荷。（2.12a）（2.12b）（2.13）192.超导材料的性质及超导现象的机理如果是直流电流,由方程(2.12a)可直接得出电阻率为零,因此方程(2.12a)反映了理想导电性的事实。由方程(2.12b)可得出在超导体表面附近，磁场是按指数规律衰减的。穿透层的深度约为λ，其数量级为10-16cm。在超导体内部磁场为零。因此方程(2.12b)反映了理想抗磁性的事实。伦敦方程预言了表面透入层的存在。而且当超导体的尺寸与λ相近时,磁场会透入到样品中心。因此小尺寸超导体不具有完全抗磁性，它在磁场中的能量就比大块超导体低，从而临界磁场会高于大块样品。另一方面，伦敦方程有一定的局限性：实验发现，对于锡、铟等超导体，λ的测量值以及临界磁场与样品尺寸的关系，与伦敦理论只是定性的符合，在数量上并不一致，有的甚至定性的关系也不符合。202.超导材料的性质及超导现象的机理2.3.3金兹堡-朗道方程1950年，V·L·金兹堡和L·D·朗道在二级相变理论的基础上提出了金兹堡·朗道理论（简称GL理论）。超导态与正常态间的相互转变是二级相变（相变时无体积变化，也无相变潜热）。1937年朗道曾提出二级相变理论，认为两个相的不同全在于秩序度的不同，并引进序参量η来描述不同秩序度的两个相，η=0时为完全无序，η=1时为完全有序。(2.14a)(2.14b)212.超