超导物理研究及其研究进展PPT课件

精选,1,超导物理概论及高温超导体的研究进展与现状,余亚斌,精选,2,一、超导电性的研究历史与近年来的进展,二、超导电性的应用,精选,3,1.超导体零电阻现象的发现1908年,Onnes在4.125k,1个大气压下液化了He.1911年,他又在Hg样品中首次发现了超导电现象.,一、超导电性的研究历史与近年来的进展,精选,4,汞的电阻在4.2K附近消失,精选,5,Onnes。第一位超导领域的诺贝尔奖,精选,6,2.超导体完全抗磁性的发现,迈斯纳和奥克森费尔特于1933年发现超导体具有完全抗磁性，即“迈斯纳”效应。迈斯纳效应的发现使人们认识到超导体的抗磁性有别于完全导体的“抗磁性”，它是一个独立于零电阻之外的超导体基本性质。在此之后人们才比较全面地了解了超导体的基本性质。,精选,7,瓦尔特迈斯纳,精选,8,迈斯纳效应示意图,小磁体悬浮在超导体上。,精选,9,完全抗磁性,球体,置于外磁场中的超导体会表现出完全抗磁性，即超导体内部磁感应强度恒为零的现象称为“迈斯纳效应”,9,精选,10,超导体,142kg,10,精选,11,磁悬浮列车,11,精选,12,12,精选,13,13,精选,14,14,精选,15,MeissnerEffect,IdealConductor,Superconductor,Magneticlevitation,“Fluxfrozen”,15,精选,16,16,2008-9-11,精选,17,17,2008-9-11,精选,18,3.超导体电动力学的建立,伦敦兄弟于1935年提出的伦敦方程是第一个对超导体的电动力学作统一描述的理论。该理论不仅说明了超导体的各种电磁性质，而且也解释了前述的迈斯纳效应。该理论指出：在超导态，处于外磁场中的超导体内并不是完全没有磁场，实际上外磁场可以穿透到超导体表面附近很薄的一层中，其穿透深度约为十万分之一厘米。,精选,19,磁场在超导体表面的穿透深度,MeissnerEffect,精选,20,4.京兹堡朗道（G-L)理论的建立,1950年，当时只有34岁的京茨堡和前苏联另一位著名的物理学家朗道一同提出了一个描述超导体特性的理论。这个理论是在朗道二级相变理论基础上建立的，可以准确地预测诸如超导体能负荷的最大电流等特性。但该理论属于超导电性的唯象理论。,精选,21,在最初发现超导体之后很多年，人们才知道世界上存在不止一种类型的超导体。那种不允许磁场穿过的，是第一类超导体。而阿布里科索夫在1953年的研究表明，还存在第二类超导体，这种超导体允许磁场穿过。,精选,22,第一类超导体,在超导态是理想的抗磁体(Meissner态)。HC：临界磁场当HHC,转变为正常态,HC,TC,H,T,超导态完全抗磁性,正常态,0,22,*超导体的分类,精选,23,一些元素的超导临界温度,Pb7.2KLa4.9KTa4.47KHg4.15KSn3.72KIn3.40KTl1.70KRh1.697KPr1.4KTh1.38KAl1.175KGa1.10KGa1.083KMo0.915KZn0.85KOs0.66K,Zr0.61KAm0.6KCd0.517KRu0.49KTi0.40KU0.20KHa0.128KIr0.1125KLu0.1KBe0.026KW0.0154KPt0.0019KRh0.000325K,23,精选,24,已知的超导元素,24,精选,25,第II类超导体两个临界磁场HC1、HC2HHc1Meissner态，完全抗磁通B=0Hc1HHc2混合态，磁通格子态磁通量子、磁通钉扎、流动、蠕动。HHc2正常态理想第II类超导体、非理想第II类超导体,25,精选,26,第二类超导体相图,Meissner态,混合态,正常态,HC1,当HC1Tc)不符合通常金属的理论郎道费米液体理论高温超导体是强关联电子体系超导能隙具有强的各向异性d波对称性奇怪的同位素效应：BCS理论给出：TcM-,=0.5,M为同位素质量高温超导体：0,59,精选,60,高温超导体的结构,在结构上看,是类钙钛矿结构,铜和氧在ab方向上形成了CuO2平面,层状结构特性.CuO2平面是导电平面,是主要的.电子特性具有准二维特性.有人说:只要有CuO2平面和可移动的载流子,就必定是个超导体,YBa2Cu3O7结构,Y,Ba,CuO面,CuO链,60,精选,61,高温超导体是II类超导体,La系：La2-xXxCuO4(X=Ca,Sr,Ba)(也称214相)Y系：YBa2Cu3O7(也称123相)，Y可用其它稀土元素替代。稀土元素：(Sc),Y,La,Ce,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu。除Ce、Pr、Pm等以外，都能形成90K超导体。Bi系：有Bi2201、2212、2223等系列。Tl系：有Tl2201、2212、2223系列和Tl1201、1212、1223等系列。Hg系：有Hg1201、1212、1223等系列。其它，如(Sr,Ca)CuO2等。,61,精选,62,CommonstructuremodelofHTSC,62,精选,63,63,精选,64,ElectronicPhaseDiagramofHTSC,2008-9-11,64,精选,65,SuperconductingGapFunctions,s-wavegap,d-wavegap,65,精选,66,赝能隙现象与预超导配对,传统超导体Cooper对的出现与建立相干性同步完成.,一般单电子,高温超导体,Tc,一般单电子,CooperPairsBose-EinsteinCondensation,T*,Tc,涨落的Cooper对,相干的Cooper对：BEC,66,精选,67,67,精选,68,8Fe基超导体LnO1-xFxFeAs,DiscoveryoftheFeandNibasedsuperconductorsin2006*LaOFeP(Tc5K):Kamihara,Y.etal.,J.Am.Chem.Soc.2006,128,10012.*LaONiP(Tc3K)Watanabe,T.etal.,Inorg.Chem.2007,46,7719,68,精选,69,铁基“高温”超导,2008年2月23日，日本科学技术振兴机构和东京工业大学联合发布公报称，东京工业大学教授细野秀雄的研究小组合成了氟掺杂镧氧铁砷化合物。该化合物是一种由绝缘的氧化镧层和导电的砷铁层交错层叠而成的结晶化合物。纯粹的这种物质没有超导性能，但如果把化合物中的一部分氧离子被氟离子取代，它就开始表现出超导性，并且在26K（零下247摄氏度）时具有超导特性。,精选,70,LaO1-xFxFeAs,Tc=26K,Y.Kamihara,TokyoInstituteofTechnologyJ.Am.Chem.Soc.,ASAPArticle,10.1021/ja800073mS0002-863(80)00073-XWebReleaseDate:February23,2008,70,精选,71,中国的小组迅速跟进！,2008-3-3：物理所王楠林组宣布合成Tc=26K的La1-xFxFeAs给出超导的基本性质，Hc2(0)60T2008-3-6:物理所闻海虎组也宣布成功！接下来：科大的小组：Sm1-xFxFeAs,Tc=41K;物理所：Pr1-xFxFeAs,Tc=52KNd1-xFxFeAs,Tc=51KCe1-xFxFeAs,Tc=42K,71,精选,72,科学杂志评述：新超导将中国物理学家推到最前沿,4月25日，科学杂志在凝聚态物理专栏以“新超导将中国物理学家推到最前沿”为题，就中国物理学家在铁基新超导研究方面的重要贡献发表评述。文中提到，美国普林斯顿大学的理论物理学家、诺贝尔物理学奖获得者PhilipAnderson指出：“如果新超导体的工作机制与旧的不一样，那么其意义可能更加重大。如果它真的一种全新的机制，上帝才知道它将会走到何处”.,72,精选,73,ZhejiangUnivswork.,28April,Tc=56.5K,73,精选,74,NewHigh-TcSuperconductors,LaFeAsO,1111,56K,BaFe2As2,122,38K,精选,75,精选,76,BuildingBlocks,精选,77,MechanismofHTSC?,揭示高温超导机理=诺贝尔物理学奖发现室温超导体=诺贝尔物理学奖,2008-9-11,77,精选,78,NobelPrizesintheareaofSUPERCONDUCTIVITY,1911Discoveryofsuperconductivity1950-1957:GLAGTheory1957BCSTheory1962JosephsonEffect1986A.MllerandG.Bednorz:discoveryofHTSC?,2008-9-11,78,精选,79,超导体的应用,1.超导强电应用物理基础:（1）r=0(无焦尔热损耗)2）(Tc，Jc,Hc2)高如NbTi,Nb3Sn和V3Ga等超导线材在强磁场中,能负载很高的临界电流,79,精选,80,能在大的空间内产生很高的磁场，所需的励磁功率很小，一个10Tesla的磁体只要汽车蓄电池充电即可。重量轻，体积小，稳定性好，均匀度高（1cm范围内达到10-8量级），也可以产生高梯度场（14T/cm）和常规磁体相比，提高效率，节省费用。,美国Janis公司的14T超导磁体,80,超导磁体,精选,81,超导悬浮高速列车,时速达500km/hrs，安全、稳定，为下一代的交通工具.,81,精选,82,YamanashiMaglevTestLine日本山梨试验线,1975年在日本宫崎建立了一条7公里长的磁悬浮列车试验铁路。（1997年扩展为42.8公里）2003年12月2日,一辆3车厢载人列车创造了最大时速581km/h的世界记录.,82,精选,83,日本磁浮列车MagLev的原理,每个车厢带4个超导线圈,每边各2个,传统超导材料制备,由液氦冷却.超导线圈能够产生5Tesla的强磁场.超导线圈与导轨上的铜线圈之间的距离只有8cm.,83,精选,84,导轨线圈,导轨上有3套常规的铜线圈,分别用于浮力,推进力,和侧面稳定.,84,精选,85,MLU002N于1993年建成，最高载人时速411公里/小时。,85,精选,86,高温超导磁悬浮实验车“世纪号”,“九五”期间国家863计划项目.西南交通大学2000年12月.采用国产YBaCuO高温超导体块材,悬浮总重量为635公斤,在长15.5米的钕铁硼永磁导轨上自动运行.“2001年中国高等学校十大科技进展”，排名第2.,86,精选,87,超导贮能装置,超导体强大的磁场可以贮存大量的电磁能,而且可以瞬间释放,在军事上有极大的用处,比如作为定向能武器,或者电磁炮的能量转换装置.,87,精选,88,超导核磁共振成像,目前都采用超导磁体,提高分辨率.液氦冷却!零下269度.,88,精选,89,美国Fermi实验室超导对撞机,89,精选,90,传统电缆由于有电阻，电流密度只有300400安培平方厘米，高温超导电缆的电流密度可超过10000安培平方厘米，传输容量比传统电缆要高5倍左右，功率损耗仅相当于后者的40。,由云电英纳承担研制的我国第一组实用型高温超导电缆，于2004年3月23日全部完成，并于4月19日在昆明普吉变电站挂网试运行成功。,90,电力输送的新星超导电缆,精选,91,高温超导电缆,北京云电英纳超导电缆有限公司,91,精选,92,人造小太阳:超导托卡-马克核聚变实验装置(EAST),合肥董铺科学岛国家“九五”重大科学工程项目,投资约4亿1克氘和氚碰撞聚合产生的能量相当于300升石油燃烧产生的热量；氘和氚两种元素为海水中所富含，可谓取之不尽，用之不竭。核心:超导电磁线圈围绕一个环形容器，把H+和电子组成的等离子体限制和控制在极小的空间.,92,精选,93,国际热核试验堆（ITER）计划,1985年,前苏联,美,欧,日提出2003年中国加入7方:美、俄、日、欧、中、韩、印、(加)中国宣布承担总费用46亿欧元的10分之1,即大约46亿人民币.2006年11月21日，ITER计划联合实施协定及相关文件已正式签署。选址法国南部的Cadarache,2006年11月21日,法国巴黎总统府爱丽舍宫,93,精选,94,超导变压器,1.不存在常规变压器中的发热损耗，节能潜力；2.体积可以减少40-60%；3.液氮代替变压器油，消除火灾隐患；4.超导变压器的内阻极小，能够增大电压的可调节范围。专家预计，超导变压器可望在5-10年内实现产业化.,94,精选,95,其它强电应用,超导电机超导故障限流器超导贮能超导电磁推进装置,95,精选,96,超导舰艇电磁推进装置,超导体的强电应用:超导线圈产生强磁场原理:利用磁场对电流的作用洛伦兹力F=IB,B,I,F,精选,97,电磁推进器的原理,牛顿第3定律:作用力与反作用力大小相等,方向相反,B,I,F,精选,98,电磁推进的优点,取代了传统螺旋桨、轴系、减速齿轮机结构，极大地降低了噪声；推进器的磁体、电极等相对静止的固定装置，不受旋转机械极限功率的限制，可制造超大功率的高速舰船，理论航行速度可达100节；操船简便灵活，改变电极电流的方向和大小就可以改变船推力的方向及大小；布局灵活，没有贯穿大半船体的传动轴系，可充分利用舱室攻坚，可兼作水下电磁发射（鱼雷和导弹），没有了气动发射的巨大噪声，省去传统的气动发射装置。,精选,99,试验船“大和1号”,日本造船振兴财团1985年成立“超导电磁推进船开发研究委员会”1989开始研制,1992年1月试航.主要参数:中心磁场:4.0T海水电极电流密度:4000A/m2推力:4000牛顿*2台船长:30m,排水量:185吨设计航速:8节(海哩/时),精选,100,电磁流体推进试验船HEMS-1,中科院电工所电磁推进技术研究组1998年研制成功.船长为3.2米，排水量约1吨，乘员1人，中心磁场为5个特斯拉，采用不锈钢镀铂电极，推力可达4050牛顿，船速2节。该成果获中国科学院2000年科技进步二等奖。,精选,101,PPMS系统：超导科学仪器,PPMS多功能物性测量系统,美国QuantumDesign公司,温度:1.8-400K(液氦)磁场:0-9特斯拉(超导磁体),101,精选,102,超导核磁共振谱仪（NMR）,美国VarianINOVA500NB磁场：11.7T；共振频率：500M