材料化学：超导材料和超导现象

1、超导材料和超导现象,1.1 超导现象及其基本概念,1.1.1 从通电导线的发热谈起,金属的电阻率与温度有关，温度降低，电阻率降低，但不会无限制减小，所以通电导线的发热不可避免。由于导线发热，使得导线可以传输的电流受到限制，同时也是电能的浪费,1.1.2 低温的获得,获得低温的最根本方法是设法取走气体分子热运动动能，使之变为液体或固体,氦气最难液化，在一个大气压时的液化温度为4.2 K，是最好的制冷物质,焦耳-汤姆逊效应,液氮液氢液氦,目前所获最低温仅仅比绝对零度高0.5纳开尔文,1908年荷兰物理学家H.K.Onners成功地获得了液氦，从而获得低达4.2 K的低温。这样，他就利用这项技术试验

2、金属在低温下时的电阻。三年后的1911年，1他发现当Hg在液氦中温度下降到4.2K时，其电阻出现反常现象，迅速降低到无法检测的程度。这是人类第一次发现超导现象。Onners1913年获诺贝尔奖,1.1.3 超导体的发现,1霍尔斯特,超导体零电阻是指当温度降至某一数值TC或以下时其电阻突然变为零。电阻率与温度T的关系如下图所示,1) 零电阻现象,1.1.4 超导体的基本物理性质,第一个性质：完全导电性零电阻,周期表中的超导元素,下图是著名的持续电流实验。将一超导线圈放在磁场中并冷却到临界温度以下，突然撤去磁场，则在超导线圈中产生感生电流，该电流不会衰减，而对于正常金属线圈来说，当磁场去掉后，线圈

3、内电流很快衰减为零,著名的持续电流实验：电流两年半不会衰减,1933年迈斯纳和奥森尔德首次发现了超导体具有完全抗磁性的特点。把锡单晶球超导体在磁场（HHC）中冷却，在达到临界温度TC以下，超导体内的磁通线一下子被排斥出去；或者先把超导体冷却至TC以下，再通以磁场，这时磁通线也被排斥出去。即在超导状态下，超导体内磁感应强度B0。这就是迈斯纳效应,第二个性质：完全抗磁性,迈斯纳效应，不管过渡到超导态的途径如何，只要TTC,超导体内的磁感应强度B总是为零，即具有完全抗磁性。产生迈斯纳效应原因是产生抗磁电流，抗磁电流的磁场总是与外磁场大小相等方向相反。抗磁电流也叫屏蔽电流，是一种持久电流,观察迈斯纳效

4、应的磁悬浮试验 在锡盘上放一条永久磁铁，当温度低于锡的转变温度时，小磁铁会离开锡盘飘然升起，升至一定距离后，便悬空不动了，这是由于锡盘处于超导态时，感应出持续电流的磁场，与磁铁之间产生了排斥力，磁体越远离锡盘，斥力越小，当斥力减弱到与磁铁的重力相平衡时，就悬浮不动了,超导体的临界参数,超导体有三个基本的临界参数，即临界温度TC、临界磁场HC、临界电流IC。三者缺一不可，任何一个条件遭到破坏，超导状态随即消失,当我们加大磁场强度时，可以破环超导态。这样。超导体在保持超导态不致于变为正常态时所能承受外加磁场的最大强度HC称作超导体的临界磁场HC (T)。 在临界温度TC以下，超导态不至于被破坏而容

5、许通过的最大电流称作临界电流IC,迈斯纳效应当中，完全抗磁性并不是在任何磁场强度下都存在，当磁场强度加到一定值时，超导状态会消失，导体回到正常金属状态，而磁场也就可以穿过导体,这三个参数TC 、HC 、IC是评价超导材料性能的重要指标，对理想的超导材料，这些参数越大越好,解释金属超导现象的重要理论是巴丁、库柏和施里弗(J.Bardeen, L.N.Cooper, J.R.Schrieffer)建立的电声作用形成库柏电子对的理论, 简称BCS理论。以上三人1972年获诺贝尔物理学奖,1.1.5 超导现象的BCS理论,库柏电子对形成示意,1957年，Bardeen, Cooper, Schrief

6、fer将Cooper方法推广到描述大量界面电子的行为，证明它们形成所谓“库柏电子对”的集合。这就是著名的BCS理论。库柏电子对的形成原理可用右图来描述：金属晶体中的外层价电子处在带正电性的原子实组成的晶格环境中，带负电的电子吸引原子实向它靠拢，在电子周围形成正电势密集的区域，它又吸引第二个电子，即电子通过格波声子相互作用形成电子对，称为“库柏电子对”。这种库柏电子对在晶格中运动没有任何阻力，因而产生超导性,BCS超导理论: (美国科学家巴丁、库柏和施里弗提出,足球中的传球,库柏电子对在晶格中运动没有任何阻力,1.1.6 约瑟夫森效应,绝缘层很厚时，无论什么电子都无法穿过绝缘层。 正常电子隧道效

7、应绝缘层厚度为几纳米时，正常电子可以穿过。 1约瑟夫森效应绝缘层更薄时(1 nm)，超导体中的“库伯对”可以隧道效应穿过。1973获诺贝尔奖,约瑟夫森结两块超导体之间弱连接 1加埃佛做正常电阻隧道效应时已出现，但被认为是杂质干扰,约瑟夫森结上的电流小于某一临界值时,结上电压为零,就好像结上的绝缘体也变成了超导体一样。 结上临界电流受磁场影响，磁场不仅减少临界电流值，且随着磁场的变化，临界电流出现周期性变化，每个周期恰好为一个磁通量子(h/2e,几种常见的约瑟夫森结 (a)隧道 (b)超导微桥 (c)点接触结,各种结的结构虽然不同，但都和两块超导体间的微弱连接有关，只要设法实现这种微弱连接，就可

8、具有超导电子对隧道效应,按成分可将超导材料分为元素超导体、合金和化合物超导体，有机高分子超导体三类。除碱金属、碱土金属、铁磁金属、贵金属外几乎全部金属元素都具有超导性。合金和化合物超导体包括二元、三元和多元的合金及化合物。组成可以是全为超导元素，也可以部分为超导元素，部分为非超导元素。有机高分子超导体主要是非碳高分子(SN)X,4、超导材料的种类,超导材料的分类,常规超导体(如Nb-Ti合金,高温超导体(如YBa2Cu3O7-x,非晶超导材料,复合超导材料(如超导线带材料,重费米子超导体(如CeCu2Si2,有机超导材料(如富勒烯等修饰的化合物,超导材料,高Tc超导材料的探索,1911年发现汞

9、具有超导性以来，人们经历了七十余年，直到发现Nb3Ge，Tc值才到23K。从纯金属及其合金寻找高Tc超导材料似乎走入绝路。人们开始转向化合物。 到1985年，已观察到许多化合物在低温下具有零电阻，例如金属氧化物Li2TiO4，Tc=13.7K（尖晶石结构）、硫化物PbMo6S8，Tc=15.2K。一般说来，这些化合物的临界温度都很低，大多数在10K以下,1986年是超导材料和超导化学的里程碑年 1986年，J.G.Bednorz和K.A.Mller发表了他们在含有钡、镧和铜的氧化物体系中观察到低电阻的研究工作，但没有公布化合物组成。这个化合物后来公布为La2-xBaxCuO4，其临界温度为35

10、K，J.G.Bednorz和K.A.Mller后来由于这一发现于1987年获得了诺贝尔奖。此后，具有高Tc的新无机材料极快地发展起来。到目前为止，这些新材料均是含铜的复合氧化物，多数材料在高压或薄膜态，其临界温度已报道提升到160 K,Discovery of High Temperature Superconductors (HTS) 高温超导发现的历史,Could it be you,发展前景,1、超导磁体 由于超导材料在超导状态下具有零电阻，因此只需消耗极少的电能，就可以获得10万高斯以上的稳态强磁场。而用常规导体作磁体，要产生这么大的磁场，需要消耗3.5106 W的电能及大量的冷却水,

11、超导磁体 超导磁体在医学上的重要应用是核磁共振成像技术，可分辨肿瘤癌细胞,核磁共振断层扫描仪与人体断层扫描图,核磁共振断层扫描工作原理：进入磁场中的人体，体内氢元素获得能量产生共振。这时，断开电磁波，氢放出能量，恢复到原来的状态。将该恢复状态进行计算机处理，并予以图像化，就能得到体内的信息。如癌细胞内水的氢，恢复原状的时间比正常细胞内水的氢长，这样用核磁共振就会可靠地查出癌变。 上述诊断用常导装置能完成，但进一步提高磁场强度，氢的共振现象会越强，能得到更加清晰的图像，从而提高诊断的可靠性,医疗用MRI,2、超导量子干涉仪 超导电子学的很大一部分应用是以SQUID为基础的。SQUID利用超导隧道

12、效应，即在超导环路中加入约瑟夫森结。SQUID可以测量到约50微特的磁场，相当于地球磁场百亿分之一,通过测量地球磁场的细微变化为地震预报提供信息。 能测量人的脑磁图和心磁图，如神经细胞、心、肺等也有非常弱的磁场，把磁场的运动情况测出来，这些组织的活动情况也就掌握了。如人思维时脑细胞是怎样活动的？精神病人脑细胞的活动和正常人有什么不同等。 还可用于探测深水下的潜水艇。 放在卫星上可用于矿产资源普查,托卡马克(Tokamak)是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环形容器。它的名字 Tokamak 来源于环形（toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnit)、线圈(kotushka)。

13、托卡马克的重大突破是将超导技术成功地应用于产生托卡马克强磁场的线圈上，建成超导托卡马克。超导托卡马克是公认的探索、解决未来稳态聚变反应堆工程及物理问题的最有效的途径,3、托卡马克磁约束装置,受控核聚变的两个条件,极高温度：此时原子核热运动动能大，可以克服斥力互相接近，并发生聚变反应。所需要温度为几千万到上亿度。在这样的高温下，微观粒子以等离子体状态存在。 等离子体封装：高温等离子体不可能用通常容器封装，只能用磁笼。为此目的的磁体应当具有以下特点：在足够大的空间内能产生场强高、磁场梯度大的磁场，并要求磁体本身所消耗的能量小,超导技术在军事上的应用 激光武器：激光武器需要瞬间提高数十亿到一百亿焦耳

14、的能量。这就需要超导线圈储能装置来承担这个重任。它可以在持久电流状态下工作，使武器长期处于戒备状态，一旦发现敌情，迅速将储存的电磁能量转变为激光能量,超导材料的应用,超导材料的应用,在电力工程方面的应用 超导输电在原则上可以做到没有焦耳热的损耗，因而可节省大量能源；据统计，目前的铜或铝导线输电，约有15%的电能损耗在输电线路上，光是在中国，每年的电力损失即达1000多亿度。若改为超导输电，节省的电能相当于新建数十个大型发电厂。,磁悬浮列车不受地面阻力的影响，可高速运行，车速达500-700 km/h以上，若让超导磁悬浮列车在真空中运行，车速可达1600 km/h,超导材料的应用,原理：将超导材

15、料放在一块永久磁体的上方，由于磁体的磁力线不能穿过超导体，磁体和超导体之间会产生排斥力，使超导体悬浮在磁体上方。利用这种磁悬浮效应可以制作高速超导磁悬浮列车,迈斯纳效应的应用超导磁悬浮列车,西南交通大学于2000年底研制成功世界第一辆“高温超导磁悬浮实验车”，当时命名为“世纪号,2008年，世界首条高温超导磁悬浮示范线落户湖北 投资126亿,超导计算机,散热是超大规模集成电路面临的难题。超导计算机中的超大规模集成电路，其元件间的互连线用接近零电阻和超微发热的超导器件来制作，不存在散热问题。用超导芯片制成超级计算机速度快、容量大、体积小、功耗低，美国IBM公司研制的一台运速为8000万次的超导计算机，体积只有电话机那么大,应用超导体制成计算机元件，开关速度可达到10-12 s，比半导体快1000倍左右，而功耗仅为微瓦级，体积比半导体元