Lecture 6 超导材料-2011秋季

Lecture5超导 一超导现象 二超导体的两个基本性质 1911年 荷兰物理学家OnnesHK发现汞的电阻值在4 2K时接近于零 1 临界温度 只有当温度T Tc时 电阻率 0 称材料处于超导态 随着温度的降低 材料电阻突然变为零的现象 1 零电阻效应 材料电阻为零 2 临界磁场Hc 外界磁场会影响超导态 Tc随外磁场H的增大而减小 外磁场达到一个临界值时 就不能形成超导态 3 临界电流Jc 即使在T Tc H 0的条件下 当超导体中的电流达到一个临界电流Jc时 超导性也会被破坏 临界电流Jc与T或H的关系如左图 2 完全抗磁性 迈斯纳 Meissner 效应 超导体内 磁感应强度为零B 0 B o 1 H 0 1 M H 意义 超导体不是理想导体 而是一种热力学状态 磁场中冷却的超导体 对理想导体 内部不存在电场 即E 0 因此 即理想导体内部保持着当它失去电阻时样品内部的磁场 磁通分布除冻结在理想导体中 三超导机理 BCS理论 巴丁 库柏和施瑞弗 1957年发表 72年获得诺贝尔物理学奖 同位素效应 同位素质量越大 超导转变温度Tc越低 对Hg M为原子质量 电子 声子的相互作用是解决超导转变理论的关键 1956年 L N 库珀从理论上证明了费密面附近的两个电子 只要存在净的吸引作用 不管多么微弱 都可以形成束缚态 库珀对 第二年 J 巴丁 库珀和J R 施里弗建立了完整的超导微观理论 BCS理论 BCS理论是以电子 声子相互作用为基础解释超导电性的经典理论 它能很好地解释金属元素及金属间化合物的超导电性 库柏对 超导态时 费米面附近存在一个动量大小相等 方向相反 且自旋相反的两电子束缚态 其能量比两个独立电子的能量低 这种束缚态电子对称为库柏对 库柏对的形成 通过声子为媒介 一个电子引起晶格畸变 另一个电子取与这种形变对应的低能态 BCS理论的核心思想 超导能隙 energygapofsuperconductors 实验证明 超导态的电子能谱与正常态不同 在费密能EF 最低激发态与基态之间 附近出现了一个半宽度为 能量间隙 10 3 10 4eV 如图 T 0K下的正常态和超导态电子能谱 各库柏对中单个电子的动量可以不同 但每个库柏对的动量总是为零 即所有的库柏对凝结在零动量上 超导体态 组成库柏对的电子虽然会受到不断地散射 但是 由于在散射过程中 库柏对的总动量维持不变 所以电流没有变化 呈无阻状态 相干长度 1953年 皮帕德 A B Pippard 证明 当一个电子从金属的正常区移动到超导区时 其波函数不能从它的正常态值突然转变为超导态的值 这种转变只能发生在一个距离 上 被称为相干长度 四约瑟夫森效应 2 隧道结的伏安特性 1 隧道结 N 正常金属 I 绝缘体 S 超导体 N I N结 N N N I S 3 约瑟夫森效应 库柏对将通过绝缘层厚度足够薄 1nm 的S I S结 1962年由B D约瑟夫森首先在理论上预言 在不到一年的时间内 P W 安德森和J M 罗厄耳等人从实验上证实了约瑟夫森的预言 约瑟夫森效应的物理内容很快得到充实和完善 应用也快速发展 逐渐形成一门新兴学科 超导电子学 两块超导体通过一绝缘薄层 厚度为10埃左右 连接起来 绝缘层对电子来说是一势垒 一块超导体中的电子可穿过势垒进入另一超导体中 这是特有的量子力学的隧道效应 绝缘层太厚时 隧道效应不明显 太薄时 两块超导体实际上连成一块 这两种情形都不会发生约瑟夫森效应 绝缘层不太厚也不太薄时称为弱连接超导体 两块超导体夹一层薄绝缘材料的组合称S I S超导隧道结或约瑟夫森结 1 直流约瑟夫森效应 当直流电流通过超导隧道结时 只要电流值低于某一临界电流Ic 则与一块超导体相似 结上不存在任何电压 即流过结的是超导电流 但一旦超过临界电流值 结上即出现一个有限的电压 结的性状过渡到正常电子的隧道特性 对于典型的结 临界电流一般在几十微安到几十毫安之间 Ic对外磁场十分敏感 甚至地磁场可明显地影响Ic 沿结平面加恒定外磁场时 结中的隧道电流密度在结平面的法线方向上产生不均匀的空间分布 改变外磁场时 通过结的超导电流Is随外磁场的增加而周期性地变化 描出与光学中的夫琅和费单缝衍射分布曲线相似的曲线 称为超导隧结的量子衍射现象 超导隧结的量子衍射现象 2 交流约瑟夫森效应 如果在超导结SIS的结区两端加上一直流电压V 当然 这时电流大于临界电流 在结区就出现高频的超导正弦波电流 其频率与所施加的直流电压成正比 有如下关系式 比例常数2e h 483 6 106Hz V 这时 结区以同样的频率 若所加电压是几微伏 则在微波区域 若为几毫伏 则在远红外波段 向外辐射电磁波 超导隧道结这种能在直流电压作用下 产生超导交流电流 从而能辐射电磁波的特性 称为交流约瑟夫森效应 以微波辐照隧道结时可产生共振现象 连续改变所加的直流电压以改变交流振荡频率 当约瑟夫森频率f等于微波频率的整数倍时 就发生共振 此时有直流成分的超导电流流过隧道结 在I V特性曲线上可观察到一系列离散的阶梯式的恒定电流 测定约瑟夫森频率f 可由电压V测定常量2e h 或从已知常量e和h精确测定V 交流约瑟夫森效应已被用来作为电压标准 它们可以作用电压标准 磁强计 伏特计 安培计 低温温度计 计算机元件 以及毫米波 亚毫米波的发射源 混频器和探测器等 且有灵敏度高 噪声低 功耗小和响应速度快等一系列优点 现今已发展起以建立极灵敏的电子测量装置为目标的 超导结电子学 直流超导量子干涉器件 DCSQUID 把两个特性完全相同的超导结并联起来 形成双结超导环 如图 双结超导环和双结超导量子干涉效应 所示 若在与环面相垂直的方向施加一外磁场 则流经双结超导环的最大超导电流既是每个超导结结区所穿透的磁通量的周期函数 也是超导环所包围的磁通量的周期函数 两者的周期都是一个磁通量子 通常称之为双结量子干涉效应 如图5b 双结超导环和双结超导量子干涉效应 双结超导环和双结超导量子干涉效应 五超导材料 1 按元素或化合物分类 1 超导元素 常压下有28种 其中过渡元素18种 非过渡元素10种 若包括工艺处理后如薄膜 辐照 离子注入等及高压下成为超导体的元素 共有40多种 碱金属 碱土金属 铁磁金属 贵金属一般不是超导元素 如 Pt Au Ag Cu Fe Co Ni Mn等 最高临界温度 Nb Tc 9 26K Nb W Be Mo Ga Tl V Pb Zr Zn Al等 2 超导化合物 几千种 包括Nb Zr Nb Ti Nb3Ge等 2 按超导温度分 氧化物 类钙钛矿等 如La Sr Cu O Y Ba Cu O Bi Sr Ca Cu O 2 高温超导材料 TC 30K 1 常规超导材料 TC 30K 3 按材料性质分 磁性超导材料 有机超导材料 重费米子超导体等 R T B RbCs2C60 33K CeCu2Si2 0 7K 六超导材料的应用 直到60年代 由于约瑟夫森效应和量子干涉效应的发现 超导磁体和超导量子干涉器件的研制成功 才使超导应用逐步展开 1987年高温超导的重大突破 超导大规模的应用研究真正开始 1 电力输送 日本住友 Bi Sr Ca Cu O带材 1200m JC 1 7 104A cm2 500m 2 4 104A cm2 2 强磁场 NMR 1 10T均匀磁场 实验物理用粒子加速器 磁悬浮 潜艇电磁推进系统 核聚变和磁流体发电系统 电能存贮 MgB2 39K Nb3Sn和V3Ga超细多芯线的加工技术 硬脆超导金属线的加工 日本科学家成功地使铋系氧化物超导体线材化 芯体由1330条超导线材集束而成 线材厚度0 16mm 宽度1 8mm 断口呈扁平状 这种线材临界温度为102K 在LQ温