超导体-宁夏大学.ppt

超 导 体,制作人：李凤英 班 级：02级化教（2）班,一.超导的定义,从著名的莱顿大学低温实验室里传出了一个惊人的消息：水银在零下269 摄氏度的条件下，它的电阻消失了,象这样的现象就被称为超导现象。,二.超导的发现,高温超导陶瓷化金属材料的出现，使人们第一次可在液氮温区应用超导材料，从而引起了科学界的高度重视，成为20世纪80年代最重大的科技成果被载入史册，同时也促进了科学家们开始思考“室温超导体是否存在”的问题。,自1911年荷兰物理学家海克卡曼林昂尼斯首次发现汞在4.2K(-268.8)下出现超导性能后，科学家们一直在致力于探索高临界温度的超导材料。但在发现物质具有超导性以后的最初20多年时间里，由于科学家们家们始终把目光锁定在金属材料中，以致一直没有找到临界温度能超过最初发现的超导体。,直到1930年，科学家发现一种化合物氧化铝在15K的温度下能产生超导性后，豁然开悟：原来化合物的起始转变温度要高于所有元素。在此后50多年的时间里，一系列具有超导性的化合物被陆续发现，一些金属及合金的超导性能也相继被发现。,到了1986年，米勒和贝德诺尔茨终于打破了寻找高温超导体的僵局：他们不仅首次使物质的超导转变温度超过30K达到了35K，而且成为大量发现高温超导体的第一例，真正向世人展示了超导体广泛应用的美好前景。1987年，美国科学家保罗楚发现了另一种起始转变温度在-179的陶瓷材料。随后的发现便一发不可收拾，90K、110K、125K、135K超导转变温度的纪录不断被刷新。此时，BCS理论就较难用于解释高温超导电性了，人类对高温超导的机制研究还有待发展。,由于绝大多数的有机化合物都是绝缘体，所以长期以来，在人们的观念中不会把超导性和有机固体联系起来。事实上，自1972年第一个具有金属电导性的有机晶体问世后，科学家又进入了对有机导体的研究阶段。在1979年，巴黎大学和哥本哈根大学的两位科学家合作发现了第一个有机超导体，转变温度为0.9K，它是电荷转移盐类的有机单晶。这个发现结束了人们关于有机超导体是否存在的疑虑，大大促进了有机超导体研究工作的发展。,到目前为止，科学家们已经发现了40多种电荷转移盐类的超导体，最高转变温度也已超过了30K。 高温超导体的发现，为超导材料的广泛应用开辟了广阔前景。科学家们相信，它在研制高性能电脑、聚变反应堆、发电站及电动机等领域将会产生巨大的效益。事实上，到20世纪末，采用超导技术建造的超导发电站已经在安装之中了。,三.超导及超导材料,“超导“是指某些物体当温度下降至一定温度时，电阻突然趋近于零的现象。具有这种特性的材料称为超导材料。,超导材料的应用 近十年来，超导材料在超导输电、超导强磁场的产生、超导储能、超导体的磁悬浮列车等方面得到了广泛的应用。,高温超导材料 科学家们一直在努力寻找转变温度在一196以上的超导材料、因为高于这个温度，就可以用廉价的液氮来冷却，一旦发现液氮温区超导材料，就意味着向实用化迈进了一大步。80年代后期，液氮温区超导电性的发现、在超导科学技术领域中开辟了实际应用的广阔前景，在全世界范围兴起“超导热“。在发现液氮温区超导氧化物材料中，我国科学家曾做出过重要的贡献。,我国在新型高临界温度超导材料的探索，高温超导机理，铜氧化物超导材料的相关系和晶体结构，钇系、铋系和铊系超导铜氧化物材料实用成材技术、薄膜技术有关的材料科学基础性研究，高临界温度超导电性研究等领域一直保持或接近世界前沿。,四.国科技50年超导之战,电，是现代社会最重要的动力来源，人类一直在竭力追求强大电流的应用，但线路中的电阻，却是一个很大的障碍。目前我国发电量的15要浪费在输电线路上，每年损失电能达900多亿度，主要原因就是电阻。如果能把电阻降低到零，一个全新的世界将出现在我们面前。,由于输电线路电力消耗的减少，我国每年节省的电能相当于现有核电站发电总量的6倍；用超导材料制造发电机，输出功率将提高20倍以上；超导磁悬浮列车实现商业运行，从北京到广州只需静悄悄的45个小时；用超导体制造天线，可使效率提高几百倍，传统天线将实现小型化、轻量化，在军事和民用领域都将有广阔的市场；目前，能发现刚刚出现的小肿瘤的超导核磁共振仪已经上市，从而许多肿瘤都能及时治疗。,导应用已经在世界范围内开始。预计在2010年，世界超导材料将达900亿美元，2020年将达2000亿美元。谁研究得快，谁就占有更多的机会。,新中国成立后我国科学家在低温技术领域取得了很大进步，1959年靠自力更生实现了氦的液化，使中国具备了研究超导的基本条件，并研制出了超导线材。,1987年1月，中科院物理所率先获得了48.6K的高温超导体，并观察到70K的超导现象，已经接近77K的液氮温区，前景一片光明。,五.我国制成米长的铋系高温超导长导线,近日，清华近大学应用超导研究中心成功研制成米铋系高温超导导线。这是我国目前高温超导长导线的最新记录，标志着我国已掌握了处于世界先进水平的超导线材产业化技术。,此次研制成功的高温超导导线为芯，长米、宽毫米，厚毫米，截面面积为平方毫米。在零外磁场下导线的临界电流大于安培，工程临界电流密度达每平方厘米安培（测试温度为零下摄氏度）。相比其它使用纯银包缚的导线，这种导线由于使用了银合金，其机械强度更高。导线表面均匀涂有绝缘物质，无气泡等缺陷，具有较好的使用性能。这表明此长导线的综合性能已达到世界先进水平。,高温超导材料一般是指在液氮温度（零下摄氏度）电阻可接近零的超导材料。同样直径的高温超导材料和普通铜材料相比，前者的导电能力是后者的倍以上。正因为其损耗小，制成器件的体积小、重量轻、效率高，高温超导材料可广泛应用于民用和国防领域，如制造超导变压器、超导电缆、超导电机、超导磁悬浮列车等，是对国民经济、国防建设具有重大战略意义的新材料。,科学家认为，正如光纤的发明催生出崭新的信息时代，高温超导材料也将带来电力工业史上划时代的革命。,六.超导材料的应用,超导技术的发展概况,1962年，年仅20多岁的剑桥大学实验物理研究生约瑟夫逊在著名科学家安德森指导下研究超导体能隙性质，他提出在超导结中，电子对可以通过氧化层形成无阻的超导电流，这个现象称作直流约瑟夫逊效应。当外加直流电压为V时，除直流超导电流之外，还存在交流电流，这个现象称作交流约瑟夫逊效应。,放在将超导体磁场中，磁场透入氧化层，这时超导结的最大超导电流随外磁场大小作有规律的变化。约瑟夫逊的这一重要发现为超导体中电子对运动提供了证据，使对超导现象本质的认,识更加深入。约瑟夫森效应成为微弱电磁信号探测和其他电子学应用的基础。,70年代超导列车成功地进行了载人可行性试验。超导列车是在车上安装强大的超导磁体，地上安放一系列金属环状线圈。当车辆行进时，车上的磁体在地上的线圈中感应起相反的磁极，使两者的斥力将车子浮出地面。车辆在电机牵引下无摩擦地前进，时速可高达500千米。,1987年3月12日中国北京大学成功地用液氮进行超导磁悬浮实验。 1987年日本铁道综合技术研究所的“MLU002”号磁悬浮实验车开始试运行 1991年3月日本住友电气工业公司展示了世界上第一个超导磁体。,1991年10月日本原子能研究所和东芝公司共同研制成核聚变堆用的新型超导线圈。该线圈电流密度达到每平方毫米40安培，为过去的3倍多，达到世界最高水准。该研究所把这个线圈大型化后提供给国际热核聚变堆使用。这个新型磁体使用的超导材料是铌和锡的化合物。,1992年一个以巨型超导磁体为主的超导超级对撞机特大型设备，于美国得克萨斯州建成并投入使用，耗资超过82亿美元。,1996年改进高温超导电线的研究工作取得进展，制成了第一条地下输电电缆。欧洲电缆巨头皮雷利电缆公司、美国超导体公司和旧金山的电力研究所的工人，共同把6000米长的铋、锶、钙、铜和氧制成的线缠绕到一根保持超导温度的液氮的空管子上。,目前国内外的研究状况及发展趋势,强磁场实验装置是开展强磁场下物理实验的最基本条件。建立20T以上的稳态强磁场装置是复杂的涉及多学科和高难度的大型综合性科学工程，其建设费用高，磁体装置的运行费用也很高。正因为如此，目前国际上拥有20T以上的稳态磁体的强磁场实验中心仅分布在主要的工业大国。,世界上第一个强磁场实验室于1960年建于美国的MIT。随后，欧州的英国、荷兰、法国和德国以及东欧和苏联相继在70年代建立了强磁场实验室。日本的强磁场实验室建于80年代初。磁场水平由60年代的20T，提高到80年代的30T。90年代初，美国政府决定在Florida建立新的国家强磁场实验室,日本。在筑波建立了新的强磁场实验室,强场磁体技术有了长足的进步和发展，稳态磁场水平近期可望达到40-50T,在中国虽有一些6T-12T的超导磁体分散在全国各地，但尚未形成一个全国性的强磁场实验中心，我国在10T以上稳态强磁场下的系统的科学研究工作尚属空白。为满足国内强磁场研究工作的需要，早在1984年中国科学院数理学部就组织论证，决策在等离子体物理研究所建立以20T稳态强磁场装置为主体的强磁场实验室。,该装置于1992年建成并投入运行。与此同时，实验室相继建成了多个能满足不同物理实验、场强在15T左右的稳态强磁场装置，配备了相应的输运和磁化测量系统以及低温系统。中国科学院院士、著名物理学家冯端先生在了解了合肥强磁场实验室的情况后非常感慨地说：过去中国没有强磁场条件，对有关强磁场下的物理工作连想都不敢想，现在有了强磁场条件我们应该好好的考虑考虑这方面的问题了。,超导科学研究,1.非常规超导力学和超导机理,主要研究混合态区域的磁通线运动的机理，不可逆线性质、起因及其与磁场和温度的关系，临界电流密度与磁场和温度的依赖关系及各向异性。,2.强磁场下的低维凝聚态特性研究,低维性使得低维体系表现出三维体系所没有的特性。低维不稳定性导致了多种有序相。强磁场是揭示低维凝聚态特性的有效手段。,3.强磁场下的半导体材料的光、电等特性,强磁场技术对半导体科学的发展愈益变得重要，因为在各种物理因素中，外磁场是唯一在保持晶体结构不变的情况下改变动量空间对称性的物理因素，因而在半导体能带结构研究以及元激发及其互作用研究中，磁场有着特别重要的作用。,4.强磁场下极微细尺度中的物理问题,极微细尺度体系中出现许多常规材料不具备的新现象和奇异特性，这与这类材料的微结构特别是电子结构密切相关。强磁场为研究极微细尺度体系的电子态和输运特性提供强有力的手段，不但能进一步揭示这类材料在常规条件下难以出现的奇异现象，而且为在更深层次下认识其物理特性提供丰富的科学信息。,5.强磁场化学,强磁场对化学反应电子自旋和核自旋的作用，可导致相应化学键的松驰，造成新键生成的有利条件，诱发一般条件下无法实现的物理化学变化，获得原来无法制备的新材料和新化合物。,6.磁场下的生物学、生物医学研究等,磁体科学和技术,强磁场的价值在于对物理学知识有重要贡献。八十年代的一个概念上的重要进展是量子霍尔效应和分数量子霍耳效应的发现。这是在强磁场下研究二维电子气的输运现象时发现的（获85年诺贝尔奖）。,量子霍尔效应和分数量子霍尔效应的发现激起物理学家探索其起源的热情，并在建立电阻的自然基准，精确测定基本物理常数，和精细结构常数(/(等应用方面，已显示巨大意义。高温超导电性机理的最终揭示在很大程度上也将依赖于人们在强磁场下对高温超导体性能的探索。,因此，研究强磁场对化学反应过程、表面催化过程、材料特别是磁性材料的生成过程、生物效应以及液晶的生成过程等的影响，有可能取得新的发现，产生交叉学科的新课题。强磁场应用于材料科学为新的功能材料的开发另辟新径，这方面的工作在国外备受重视，在国内也开始有所要求。,高温超导体也正是因为在未来的强电领域中蕴藏着不可估量的应用前景才引起科技界乃至各国政府的高度重视。因此，强磁场下的物理、化学等研究，无论是从基础研究的角度还是从应用角度考虑都具有非常重要的科学和技术上的意义，通过这一研究，不仅有助于将当代的基础性研究向更深层次开拓，而且还会对国民经济的发展起着重要的推动作用。,近期的研究课题,1.强磁场下低维系统的输运性质和Shubnikov-deHaas效应,层状钙钛结构La-M-Mn O(M=Ca,Sr,Ba)体系是1994年刚观察到巨大的巨磁阻效应的单位体系，其形成机制尚不清楚，并且到目前为止仅限于电阻的磁场关系和温度关系研究，其他输运性质的测量尚未见报道。,有机导体和超导体，由于小的电子有效质量和高的迁移率，1020T强磁场可以满足观察量子振荡现象的必要条件。我们将利用磁阻测量中的Shubnikov-deHaas效应，研究有机导体和有机超导体的费米面性质作为主要目标，并研究其它输运性质。,以上研究中微弱信号的检测是这一研究中的关键技术之一，我们已经建立，有待进一步提高。高的样品质量是这研究的另一重要问题。否则，量子振荡会因为量子轨道受到碰撞而模糊不清。我们拟利用高质量的单晶或外延薄膜满足这一要求。,2.高温超导体磁通动力学及高温超导机理的探索,高温超导机理虽进行了大量