超导材料(中科院)

.,第二章超导材料,.,超导电性的发现,1908年，荷兰莱顿大学的Onnes首次实现氦的液化，获得了4.2K的低温，为研究低温条件下物质导电打开了方便之门。1911年，他发现将汞冷却到4.2K时，汞的电阻突然消失，Onnes称这种处于超导状态的导体为超导体。超导体电阻突然变为零的温度叫超导临界温度。由于他的这一发现获得了1913年的诺贝尔奖。超导体的直流电阻率在一定的低温下突然消失，被称作零电阻效应。至今已发现有28种元素、几千种合金和化合物是超导体。我们通常称这些金属或金属合金的超导体为常规超导体。,.,自超导电性发现以来，经过70多年的努力，常规超导体临界温度只能提高到23K。1986年初，物理学家Mueller和Bednorz发现了高温铜氧化物超导体La2-xBaxCuO4，超导临界温度达40K。1987年2月，美国华裔科学家朱经武和中国科学家赵忠贤相继在钇（YBa2Cu3O7）系材料上把超导临界温度提高到90K以上，液氮的禁区（77K）也奇迹般地被突破了。1987年底，Tl-Ba-Ca-Cu-O系材料又把临界超导温度的记录提高到125K。随后,高温超导迅速提高。,超导的发展,.,.,超导性质和相关理论,.,零电阻效应临界温度:电阻突然消失的温度被称为超导体的临界温度Tc。超导临界温度与样品纯度无关，但是越均匀纯净的样品超导转变时的电阻陡降越尖锐。B)临界磁场:超导电性可以被外加磁场所破坏,对于温度为T(TTc)的超导体,当外磁场超过某一数值Hc(T)的时候，超导电性就被破坏了，Hc(T)称为临界磁场。在临界温度Tc，临界磁场为零。Hc(T)随温度的变化一般可以近似地表示为抛物线关系:,其中Hc0是绝对零度时的临界磁场。,.,C)临界电流:在不加磁场的情况下，超导体中通过足够强的电流也会破坏超导电性,导致破坏超导电性所需要的电流称作临界电流Ic(T)。在临界温度Tc，临界电流为0。临界电流随温度变化的关系有：,其中Ic0是绝对零度时的临界电流。,.,超导与温度、电流密度和磁场的关系,.,完全抗磁性1933年，德国物理学家迈斯纳和奥森菲尔德对锡单晶球超导体做磁场分布测量时发现，在小磁场中，把金属冷却到超导态时，超导体内的磁通线全部被排斥出去，保持体内磁感应强度B等于零，超导体的这一性质被称为迈斯纳效应。超导体内磁感应强度B总是等于零，即，金属在超导电状态的磁化率为：,仅从超导体的零电阻现象出发得不到迈斯纳效应，同样用迈斯纳效应也不能描述零电阻现象，因此，迈斯纳效应和零电阻性质是超导态的两个独立的基本属性，衡量一种材料是否具有超导电性必须看是否同时具有零电阻和迈斯纳效应。,.,.,超导体的两个重要特性：零电阻和完全抗磁性,.,超导基本理论,*二流体模型*伦敦方程*金兹堡-朗道方程*BCS理论参考固体物理，黄昆，韩汝琦著,.,传统超导体的超导电性理论,二流体模型,早期为了解释超导体的热力学性质，1934年戈特和卡西米尔提出超导电性的二流体模型，它包含以下三个假设：(1)金属处于超导态时，自由电子分为两部分：一部分叫正常电子，另一部分叫超流电子,正常电子在晶格中有阻地流动，超流电子在晶格中无阻地流动，两部分电子占据同一体积，在空间上相互渗透，彼此独立地运动，两种电子相对的数目是温度的函数。(2)正常电子的性质与正常金属自由电子气体相同，受到振动晶格的散射而产生电阻，对熵有贡献。,.,(3)超流电子处在一种凝聚状态，即某一低能态，所以超导态是比正常态更加有序的状态。这个假设的依据是：超导态在HHc的磁场中将转变为正常态，而超导态的自由能要比正常态低0Hc2V/2(V是超导材料的体积)。超导态的电子不受晶格散射，所以超流电子对熵没有贡献。,二流体模型对超导体零电阻特性的解释是：当TCoulomb排斥力，使得净的相互作用为吸引力。,.,电子形成费米球的分布。在超导态时，在费米球内部的电子仍与正常态中的一样。但在费米面附近的电子，在交换虚声子所引起的吸引力作用下，按相反的动量和自旋两两地结合成电子对，这种电子对被称为库帕对。T=0，在超导体内费米面附近的电子全部组成电子对，这就是系统的基态。把一个电子对拆散成为两个正常电子时，至少需要2的能量。存在超导能隙，超导体的很多性质与能隙有关。,物理图象,.,BCS理论的建立巴丁(J.Bardeen)、库柏(I.N.Cooper)和施瑞弗(J.R.Schrieffer)在l957年发表的经典性的论文中提出了超导电性量子理论，被称为BCS超导微观理论。其核心是：(1)电子间的相互吸引作用形成的库柏电子对会导致能隙的存在。超导体临界场、热学性质及大多数电磁性质都是这种电子配对的结果。(2)元素或合金的超导转变温度与费米面附近电子能态密度N(EF)和电子-声子相互作用能U有关，它们可以从电阻率来估计，当UN(EF),超导体,金属,随着右边的态密度减小，电流随电压的增加逐渐减慢，最后呈与M-I-M结相同的线性I-V关系。,.,约瑟夫森(Josephson)效应：1962年，英国物理学家约瑟夫森在研究超导电性的量子特性时提出了量子隧道效应理论，也就是约瑟夫森效应。该理论认为：电子对能够以隧道效应穿过绝缘层，在势垒两边电压为零的情况下，将产生直流超导电流。而在势垒两边有一定电压时，还会产生特定频率的交流超导电流。,在Josephson预言这一现象之后几个月，P.W.Anderson和J.M.Rowell证实了此预言。,超导体-绝缘体-超导体(SIS)结：Josephson结,在该理论的基础上诞生了一门新的学科超导电子学。,.,S-I-S结：弱连接超导体,弱连接超导体：超导电流能够穿过绝缘层并不引起电压降，夹在中间的绝缘层也具有了超导电性。能够让很小的超导电流从一个超导体流向另一个超导体。S-I-S结是一种弱连接超导体。,在衬底上沉积一层超导膜，用热氧化等方法生长很薄一层绝缘膜，再沉积另一层超导膜。,桥区：宽0.3-0.5um长0.3-1um膜厚0.05-0.3um,.,直流Josephson效应,现象：S-I-S结两端电压为零时，可以存在一股很小的超导电流，这是超导电子对的隧道电流。存在一个临界电流密度值，其值的大小与磁场有关。,解释：Feynman推导法,其中,满足波动方程,波函数,若结区很厚，两侧超导体没有相互耦合，即,.,直流Josephson效应,若结区足够薄，两侧超导体存在弱耦合，即,其中k为耦合系数,为了简单起见，假定两侧超导体全同，而且它们都处于零电位,.,对上式取实部和虚部相等,.,若令S-I-S两侧的超导体是相同的，即,但,其物理意义是：一侧超导体失去超导电子对的速率刚好等于另一侧超导体增加超导电子对的速率。,考虑到超导电子对的电荷为2q,由此得到Josephson第一方程,.,Josephson第一方程：解释了直流Josephson效应,其中,为Josephson临界电流密度,两侧超导态波函数的位相差，假设不随时间变化,由此可得，即使无外电压（V=0）时，也存在直流超导电流。,.,交流Josephson效应,.,利用推导Josephson第一方程时相同的步骤，可以得到：,.,1V的直流电压产生振荡频率为863.3MHZ。,.,.,超导量子干涉仪（SQUID）是测量微小磁场的精密仪器，其基本原理基于Josephson效应。,.,约瑟夫森结的实际应用：超导量子干涉仪,.,超导量子干涉仪的工作原理,a,b,由GL方程对磁通量子化的讨论，得到,沿超导环一圈的相位差,=0,.,超导量子干涉仪的工作原理,a,b,即：,也就是，施加的磁场会对超导环产生一个位相