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1、7.1 引 言,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,授课思路：实验规律 物理启发理论建立,掌握超导电体的基本物理特性及相关理论,对超导电性从实验现象到理论的建立过程应有所感悟,7.2超导电性的发现及超导体的基本性质,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,一、零电阻现象的发现,4.00 4.20 4.40,0.150,0.100,0.050,0.000,TC：临界温度,在4.20K附近汞的电阻突降为零,
2、R/,File等利用核磁共振方法车辆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,7.2 超导电性的发现及超导体的基本性质,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B0.称为迈斯纳效应,二、迈斯纳（Meissner）效应,迈斯纳效应说明超导体是完全抗磁体,B0,7.2超导电性的发现及超导体的基本性质,对于零电阻导体而言：E0,理想导体：BB0（t=0）,超导体：B0,理想导体内B的变化,超导体内B的变化,7.2超导电性的发现及超导体的基本性质,1.临界
3、磁场,三、超导体的临界参数,2.临界电流,3.两类超导体,第类超导体,第类超导体,7.3超导电性研究历史,Tc,时间,金属及金属间化合物低温超导体,氧化物高温超导体（含CuO）,MB2，C60，纳米碳管等其它低温超导体,1985年,125K或更高,7.4 超导体的实验研究,19101950：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,一、超导体晶体结构研究,7.4 超导体的实验研究,二、超导体比热,Ga比热的实验结果,7.4 超导体的实验研究,超导能隙如果存在，即可用红外吸收光谱表征,三、超导
4、体能隙的红外吸收光谱研究,超导能隙的红外吸收光谱测量结果,7.4 超导体的实验研究,四、超导体熵,Sn超导态和正常态熵的比较,超导态是比正常态更为有序的状态,电子有序,7.4 超导体的实验研究,五、超导体的同位素效应,7.5 超导转变的热力学分析,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：,一、超导体自由能,温度为T时：,在HHc（T）相变线上：,7.5 超导转变的热力学分析,相变潜热：由于当TTC 时，SSSN，所以相变潜热LT（SSSN）0,二、超导转变的潜热和比热变化,TTC,HC=0,当磁场强度为零时，N-S转变是热力学意义上的二级相变,比热
5、变化：,7.4 超导电性的唯象理论,一、二流体模型,1.超导体内存在两种电子,正常电子,密度nN,受晶格振动等散射，有阻,超导电子,密度nS,不受晶格振动等散射，无阻,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：,超导的零电阻效应是由于超导电子所形成的无阻电流将正常电流“短路”形成的,7.4 超导电性的唯象理论,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,按二流体模型，超导电子的运动无阻，则有：,如单位体积内有nS个电子以速度vS运动，
6、则超导电流密度JS为：,伦敦方程,7.4 超导电性的唯象理论,二、伦敦理论,2.迈斯纳效应,利用麦克斯韦方程,结合,如果认为上述方程的解为：,伦敦方程,7.4 超导电性的唯象理论,二、伦敦理论,2.迈斯纳效应,作为一个例子：考虑超导体占满 z 0半无限空间，外场平行于x方向,在穿透深度内：,这个在外场作用下“产生”的表面电流屏蔽了超导内部的磁场,7.5 超导电性的微观理论图象,同位素效应的实验研究超导熵的实验分析超导能隙实验测定,超导是一种源于电子的一种有序态,所以一个能够解释超导现象的理论至少应当回答：,电子之间如何形成有序态的？电子之间通过何种相互作用使超导态的能量比正常态低？超导态是怎样
7、形成的？,1957年 巴丁（Bardeen）、库柏（Cooper）和斯里弗（Schrieffer）在电子声子相互作用形成Copper对的基础上，提出以他们名字命名的BCS理论，成功地阐明了超导现象的微观本质。获诺贝尔奖,7.5 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,注意：晶格畸变与晶格振动、声子的关系,电子声子交换形成Cooper对k1+k2=k1k2,7.5 超导电性的微观理论图象,何种电子可以形成库柏对？,声子的能量决定k的大小,7.5 超导电性的微观理论图象,何种电子最易形成库柏对？,库柏对的最佳电子配对方式：(k,-k),库柏对形成时：k1+k
8、2=k1k2=K,7.5 超导电性的微观理论图象,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TTC 时，能隙为零。,7.5 超导电性的微观理论图象,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
9、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。,临界温度Tc 达到液氮温度（77K）以上的超导材料 称为高温超导材料,至今已发现70余种高温超导材料,高温氧化物超导体(Tc77K),1986年 IBM苏黎世实验室 La-Ba-Cu-O 30K 美、中、日科学家 La-Ba-Cu-O Sr-Ba-Cu-O 57K1987年 休斯敦大学，朱经武 中科院，赵忠贤 Y-Ba-Cu-O 98K,7
10、.6 高温超导体简介,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,7.6 高温超导体简介,（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,高温氧化物超导体的反常特性,这些反常特性无法用低温超导理论（BCS理论）来解释，对超导理论的研究提出了新课题和新的研究方向。,7.6 高温超导体简介,高温超导材料的制备,高温超导薄膜在基片上镀膜 膜厚100 nm溅射法 分子外延法 涂布法
11、机械热加工法照射法 蒸汽淀积法 混合法 脉冲准分子激光法蒸发法 化学汽相沉积法,设备：研钵+电炉工艺：混匀原材料 烧结研磨成形 烧结 再研磨成形烧结优点：简单、实用、易于控制或改变合成条件产品,如 优质大块样品，高质量粉料,7.6 高温超导体简介,7.7 超导电性的应用举例,电能在零电阻输送，完全没有损耗,大尺度、强磁场、低消耗,2、超导电缆,1、超导磁体,3、超导储能,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。,五、超导应用,由超导材料制备的电子器件,7.7 超导电性的应用举例,1.超导磁体：永久磁铁
12、 103Gs 常规磁铁 5105Gs(20吨，高温，兆瓦)超导磁铁(530)104Gs（kg，无热量，千瓦）,体积小、重量轻、功耗小、输出功率高、磁场强、稳定、均匀,7.7 超导电性的应用举例,五、超导应用,2.超导磁悬浮列车,常导型：利用普通直流电磁铁电磁吸力的原理将列车悬起，悬浮的气隙小，一般为10 mm左右。时速可达每小时400 500公里。,磁悬浮列车速度快、无噪音、不颠簸,超导型：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100 mm左右。时速可达每小时500公里以上。,James R.Powell 和 Go
13、rdon T.Danby,7.6 超导电性的应用举例,五、超导应用,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,日本研制的磁悬浮列车,7.7 超导电性的应用举例,五、超导应用,西南交通大学研制出世界上第一台载人高温超导磁浮实验车！,中国研制的高温超导磁悬浮实验车,7.7 超导电性的应用举例,电力能源方面：输电电缆、发电机、电动机、变压器超导化 超导储能系统 大型电机设备形状与性能的革命,能源工业：超导贮能调节电网负荷 超导磁体约束的等离子体和可能产生的核聚变,高温超导实用化诱人前景,电子学方面：超导计算机研究：计算速度高，体积小
14、，功耗低，使用方便 信息储存量大,医学和生物方面：核磁共振计算机断层诊断装置(NMR-CT)超导量子干涉仪(SQUID),7.7 超导电性的应用举例,考试重点,分离变量方法，单电子近似，谐阵子能量（一维、三维）倒易点阵，Bragg方程，布里渊区晶格振动的色散关系，声学和光学振动，声子，德拜模型，态密度，晶体导热金属的费米面，态密度，接触势差，电子的速度，周期性边界条件能带的物理意义及起源分析，Bloch定理的物理解释及能带的普遍性及性质，金属、半导体、绝缘体的能带差别，每个能带填充的电子数目、能带填充情况与固体导电性的差别。半导体的有效质量，载流子浓度及半导体电阻率与温度的关系，p-n结的整流特性。原子磁矩，铁磁物质的起源（3d交换模型），技术磁化超导现象，零电阻和麦斯纳效应,
