第三章 超导材料.ppt

超导材料 第三章 3 1超导现象的发现 荷兰物理学家KammerlinghOnnes 1853 1926 1895 空气被液化 192 81K 1898 氢气被液化 253 20K 1908 氦气被液化 268 9 4 25K 绝对零度先生 极低温下电阻的可能变化 Mercuryhaspassedintoanewstate whichonaccountofitsextraordinaryelectricalpropertiesmaybecalledthesuperconductivestate 水银电阻随温度的变化 Hg在4 2K时 电阻完全消失 超导电性 低温下失去电阻的性质 超导体 具有超导电性的物质 临界温度 Tc 电阻消失时的温度 即从正常态转变为超导态时的温度 超导态 超导体在超低温下电阻为零的状态 正常态 当温度较高 电阻不为零的状态 几个概念 1986年 LaBaCuO 铜氧化物超导体 Tc达35K 3 2超导材料的发展历史 超导体发展简史 液氢温度 20K 液氮温度 77K 1987年 YBaCuO Tc为92K 进入液氮温区 1993年 HgBaCaCuO Tc为135K 高压下163K 铁基超导体LaO1 xFxFeAs 26K SmO1 xFxFeAs 43K PrO1 xFxFeAs 52K 新型超导体 1 电荷转移复合物 最高Tc为12 5K 有机超导体 MgB240K 2 掺杂C60 钾掺杂 18K 铷掺杂 28K 铯铷掺杂 33K 氯仿和溴仿结合C60 117K 4 掺杂了钾和铷的菲 5K 3 氧化聚丙烯 300K 700K 3 3超导体的两个基本电磁特性 电流在超导体中一旦形成 便能经久不衰的持续下去 而无需电场的作用 电阻 温度 起始转变温度 中点温度 零电阻温度 零电阻效应 2 完全抗磁性 迈斯纳效应 当超导体处于超导态时 若周围存在着磁场H 在超导体表面会感生出屏蔽电流 从而产生一个恰好能抵消外磁场的附加磁场 使外磁场完全不能进入超导体内部 这种完全抗磁性又称迈斯纳效应 H 迈斯纳效应和零电阻现象是实验上判定一个材料是否为超导体的两大要素 B 0 超导体的定义 具有在一定的低温下呈现出电阻等于零及排斥磁力线性质的材料 2 1穿透深度 B0 穿透深度约为10 5 10 6cm 在外磁场中的超导体 从体外到超导体内 磁感应强度不会突然降为零 而是逐渐减小为零 磁场强度降为B0 e处距离超导体表面距离 称为穿透深度 通常用 表示 在X 区间 认为磁感应强度衰减到零 在0 X 区域 磁场可以穿透 由于超导体的完全抗磁性 在X 区域 磁力线不能穿过 因此电流不能由超导体内通过 只能在表面穿透深度 的范围内流动 对于块材 穿透深度远小于样品的尺寸 可以忽略磁通的穿透 看成是完全抗磁性的 穿透深度又定义为 超导体中电流流动的表面层厚度 对于粉末或者薄膜 磁通量的穿透变得非常重要 样品内有明显的磁通密度分布 需要单独进行研究 1 穿透深度紧密的依赖于温度的变化 Sn的穿透深度随温度的变化 影响穿透深度的因素 温度远低于Tc 几乎与温度无关 不同材料具有不用 0值 温度高于0 8Tc 穿透深度 迅速增加 温度接近Tc 穿透深度 趋于无穷大 穿透深度 随温度T的变化 常用如下的经验公式 0 材料在绝对零度时的穿透深度 t 温度T与临界温度Tc的比值 即 2 穿透深度 还与材料的纯度及外加磁场有关 超导体的非局域理论 磁悬浮 2 2迈斯纳效应的应用 省能源 低噪音 高时速 1999年 日本研制的超导磁悬浮列车时速已达552公里 创世界铁路时速最高记录 1 临界温度Tc 3 4超导的三个临界条件 超导转变温度Tc 超导体最重要的参数之一 提高Tc是超导研究最主要的目标 常用的超导体Tc的测量方法 1 测量电阻 R 随温度 T 的变化 R T曲线 2 测量磁化率 x 随温度 T 的变化 x T曲线 加压可以提高超导体的临界温度 HgBaCaCuO的Tc为135K 加压后变为163K 零电阻效应 迈斯纳效应 2 临界磁场强度Hc 在小于Tc的一定温度下 外加磁场强度大于某一特定值Hc时 超导体的超导态被破坏 转变为正常态 Hc被称为临界磁场强度 临界磁场是温度的函数 记为Hc T 不同的超导体 它们的Hc T 曲线尽管有差异 但都非常相似 T 0K Hc最大 T Tc Hc 0 0 T Tc Hc T 随温度升高而减小 Hc 0 0K时的临界磁场 超导体任何温度下的临界磁场可以由Hc 0 和Tc确定 Hc T 曲线都可以近似的表示为 1特斯拉 104奥斯特 超导体的相图 临界温度Tc和临界磁场Hc是超导体的本征参数 只跟材料的电子结构有关 超导态 正常态 超导体分为两类 第一类超导体和第二类超导体 第一类超导体 软超导体 只有一个临界磁场Hc 除铌 钒 锝以外的元素超导体 主要用于固体物理和超导理论研究 第二类超导体 硬超导体 存在两个临界磁场 下临界磁场Hc1和上临界磁场Hc2 铌 钒 锝及合金 化合物和高温超导体 具有实用价值 H Hc1 第二类超导体也表现出完全抗磁性 Hc1 H Hc2 磁力线进入超导体内 说明超导体内部分区域转变为正常态 其余部分仍处于超导态 称这时的超导体处于混合态 超导区 正常区 超导体失去完全抗磁性 磁力线开始穿过超导体内部 并且随着外磁场的增大 进入超导体内的磁力线逐渐增多 混合态中的正常区是以贯穿超导体的磁力线为中心 半径很小的圆柱形区域 正常区周围是连通的超导区 H Hc2 随着外磁场的增加 圆柱形正常区的面积并不扩大 只是数目增加 即贯穿的磁力线数增加 处于混合态的第二类超导体仍具有抗磁性 不完全 电阻仍为零 进入超导体的磁力线数增多到使圆柱形区域彼此接触 超导区消失 材料转变为正常态 Hc1 下临界磁场 超导体内出现第一根磁通线时的外加磁场的大小 Hc2 上临界磁场 超导体完全变为正常态时的外加磁场的大小 第二类超导体相图 3 临界电流密度Jc 处于超导态的超导体 通过其中的电流超过一定值Ic时 超导态将被破坏 变成具有电阻的正常导体 这一定值Ic就称为超导体的临界电流 西耳斯比定则 在无外加磁场时 临界电流Ic在超导体表面产生的磁场恰好等于临界磁场Hc 临界电流密度Jc 临界电流Ic 超导体流通截面积 第二类超导体不遵守西耳斯比定则 第二类超导体的临界电流是由于超导体内作用在磁通线上的洛伦兹力超过了钉扎力 磁通线开始运动 使样品变成有阻的正常态 1 第二类超导体中的洛伦兹力 第二类超导体的临界电流是由于超导体内作用在磁通线上的洛伦兹力超过了钉扎力 磁通线开始运动 使样品变成有阻的正常态 Current 1 第二类超导体中的洛伦兹力 第二类超导体的临界电流是由于超导体内作用在磁通线上的洛伦兹力超过了钉扎力 磁通线开始运动 使样品变成有阻的正常态 Current 1 第二类超导体中的洛伦兹力 2 第二类超导体中的钉扎作用 钉扎作用可以有效的提高临界电流密度Jc 在第二类超导体中产生晶格缺陷或掺入杂质 内部存在缺陷的第二类超导体 称为非理想的第二类超导体 在非理想的第二类超导体中 晶格缺陷或杂质会阻碍磁力线运动的作用 称为钉扎作用 用各种粒子 中子或各种离子 辐照高温超导体后 其Jc可提高两个数量级 工业生产的NbTi线 临界电流密度2 10 4 10 5A cm2 一根没有缺陷的NbTi线 临界电流密度几乎为零 临界电流常用测量方法 临界电流是温度和磁场的函数 谈到材料的临界电流时 必须指明磁场和温度 对于第二类超导体 临界电流与材料的显微结构有着密切关系 1 增加通过超导体的电流 测量样品的电阻 电阻从零突变为有限值时的电流即为临界电流 2 增加通过超导体的电流 测量每厘米样品长度上的电压 当电压为1 V时的电流即为临界电流 超导态的临界参数 临界温度 临界磁场和临界电流密度之间相互关联 只有当温度 磁场和电流都小于临界值时 才能出现超导现象 实用超导材料 要求这三个参数越高越好 3 5超导体的BCS理论 1957年 美国物理学家巴丁 库珀和施瑞弗提出了超导的微观理论 BCS理论 三人获得1972年诺贝尔物理学奖 1 超导相变前后晶体结构不变 超导相变是电子态相变 超导相变不影响晶格点阵的结构和晶格振动 超导体发生正常态 超导态相变前后 晶格结构不发生变化 1 建立BCS理论的实验基础 Tl2Ba2Ca2Cu3O10在150K 13K的中子粉末衍射谱 Tc约为125K 但这并不表示超导相变与晶体点阵结构和振动无关 2 电子比热跃迁 超导态存在能隙 超导电子比热的指数规律与存在能隙的单电子体系比热很类似 揭示超导态存在能隙 称为超导能隙 记作 存在能隙的单电子体系 正常态电子 超导态电子 T Tc时 电子比热发生陡变 一个电子从正常态进入超导态 能量降低了 体系能量下降 说明电子之间存在相互吸引作用 Hg等超导体的同位素的临界温度Tc与同位素质量M之间满足 3 同位素效应 同位素效应表明 晶格振动对超导态电子的行为有重要影响 电子 声子相互作用起决定性作用 M 1 2 同位素效应系数 同一种超导元素的各种同位素的临界温度与同位素的原子质量有关 2 电子对的形成 电子 声子相互作用把两个电子耦合在一起形成电子对 这种耦合就像两个电子之间相互吸引一样 电子 声子相互作用越强 电子对间的吸引力就越大 通过电子 声子相互作用形成电子对 Cooper首先证明费米面附近的电子通过电 声相互作用结合成电子对 因此超导体中电子对也称Cooper对 关于Cooper电子对的说明 1 p p 电子对 配对的电子自旋相反 且具有大小相等 方向相反的动量 Cooper对 2 相干长度 两个电子不会在相距过远的地方发生配对 这个距离的极限称为相干长度 纯金属的相干长度为1 m的数量级 如在金属中掺入杂质 相干长度变短 几种物质在0K下的超导相干长度 3 超导电子对不能互相独立的运动 它们通过动量彼此关联 成为有序的集体 因此超导电子对在运动时 不像正常电子那样 会被晶体缺陷和声子散射而产生电阻 呈现电阻消失的现象 4 超导电子对的束缚能为2 这是破坏电子对所需的最小能量 温度越高 被破坏的电子对越多 电子对被完全破坏时对应的温度即超导临界温度 Schrieffer将电子对的物理图像和当时流行的舞蹈Frug作了类比 在这种舞蹈中跳舞者在舞池中相互分离 中间隔了许多其它人 但是他们始终是一对 3 BCS理论 超导电性源于固体中电子的配对 电子配对的相互作用源于电子和晶格振动间的相互作用 配对发生在自选相反 总动量为零的两个电子之间 BCS理论预言 超导临界温度的极限是30K BCS理论不适用于高温超导体和第二类超导体 随着超导电性研究的深入和超导材料的发展 BCS理论表现出越来越多的不足 3 6约瑟夫逊效应 1 单电子的量子隧道效应 由于微观粒子具有粒子和波动二象性 即使粒子的动能小于势垒高度V0 仍然有一定的机会贯穿势垒到达另一侧 约瑟夫逊 2 电子对的隧道效应 当两块超导体夹着一层很薄 1 3nm 的绝缘层时 超导电子对可以穿过中间的绝缘层 出现电子对隧道效应 称为约瑟夫逊效应 Ic 约瑟夫逊 SIS 结 I I Ic SIS结处于超导态 结上电压为零 3 约瑟夫逊结 在两块超导体间夹一层很薄的绝缘层 形成一个超导 绝缘 超导结 S I S结 称为约瑟夫逊结 SIS结的临界电流对于外加磁场十分敏感 可以用来测量极弱的磁场 I Ic SIS结超导态被破坏 结上出现有限的电压 4 约瑟夫逊效应的应用 最理想的约瑟夫逊结是SIS结 由于高温超导体的相干长度太短 要求中间绝缘层的厚度不能超过2nm 在制备技术上难以实现 因此到目前为止 世界上还没有做出SIS结 SIS结 如果把中间的绝缘层换成金属 N 做成SNS结 电子对更容易隧穿 金属层可以做到几十到几百纳米 现在实用的是SNS结 SNS结 弱磁探测 心脏磁图的测量 超导磁力仪 约瑟夫逊结可做成超导量子干涉器 SQUID 用于探测微弱磁场 灵敏度达10 11高斯 可测地球磁场的十亿分之一 军事 可以发现深水潜艇 勘探 可找到有价值的矿床和弱磁性矿 医学 人体心磁 10 5 10 6G 脑磁 10 8 10 9G 等等都可以探测 超导芯片 超导计算机 用一磁场可使约瑟夫逊结从零压状态转变为有压状态 约瑟夫逊结的这一特性便可作成计算机的开关元件 开关速度达10 12秒 比半导体的开关速度快100倍 而能耗比半导体元件约小1000倍 为制造亚纳秒电子计算机提供了途径 3 7高温超导材料 高温超导体 High temperaturesuperconductor HTS asuperconductorwithaTchigherthanthehighestvalueexpectedfromconventionalBCStheorybasedonphonon mediatedparing 1 高温超导材料的结构 铜氧化物超导体具有相当复杂的结构 晶体缺陷浓度很高 2 高温超导材料的特殊性质 载流子浓度较低 约1021 cm3 普通超导体约为1022 cm3 相干长度特别短 约为10 7cm 普通超导体的相干长度约为10 4cm 弱同位素效应 说明电 声相互作用不再是主要作用 高温超导体除具有零电阻效应 迈斯纳效应 约瑟夫逊效应外 还呈现出一些特殊性质 3 高温超导的机理研究 Anderson 非声子效应的RVB模型激子机制电