南开大学奇妙的材料世界第八讲超导材料

1、第七章第七章 超导材料超导材料 7.1 超导材料的发展简史超导材料的发展简史 l荷兰：卡末林昂内斯 (kamerlingh onnes，1853-1926 ) l1908年液化了地球上最后一种“永久气体”-氦气，并且 获得了接近绝对零度的低温：4.25k-1.15k 。 l它标志着所有物质都可以存在于气液固状态 l1911年，发现hg在4.20k时电阻为0 l昂内斯获昂内斯获1913年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖 l持久电流实验持久电流实验 l1933年德国物理学家迈斯纳 等 发现： l超导体排斥磁场进入其内部， 但是如果磁场太强，那么它的 超导电性就可能被破坏。 l这种现象称为“迈斯纳效

2、应” 。 l这就是所谓的i型超导体，主 要是金属超导体。 l苏联科学家阿布里科索夫在1953年发现： l另一种称为ii型超导体，主要是合金和陶瓷超 导体，它允许磁场通过。 l今天几乎所有产生强大磁场的超导磁铁都是由 第二类超导体制造的。如果没有强大的磁场， 就没有磁共振成像技术。 l2003年获诺贝尔物理奖 l1950年苏联的京茨堡(34岁） 和朗道提出了 描述超导体特性的理论 ，描述超导材料进 入超导态后在磁场中的行为，可以准确地预 测诸如超导体能负荷的最大电流等特性。 l1962年，朗道因研究物质凝聚和超流超导 现象获诺贝尔物理学奖。 l超流动性在常人看来是非常奇异的现象：如 果你把液氦注

3、入一个敞口的容器，那么液氦 会“自动地”溢出容器。 l莱格特：只用了不到三个星期就对朗道的超流 超导现象给出了解释。 l莱格特却和京茨堡一样不太走运。 l1996年，诺贝尔物理学奖授予了当年康奈尔 大学发现氦3超流动性的三个人，莱格特却榜 上无名。 l阿布里科索夫(alexei a.abrikosov) l京茨堡(vitalyl.ginzburg) l莱格特(anthony j.leggett) l共获2003年的诺贝尔物理学奖。 阿布里科索夫 京茨堡 莱格特 l1957年美国人巴丁、库柏和施里弗提出了 bcs理论 ，微观上解释了超导的机制。标志 着超导电性理论现代阶段的开始 。 l1972年

4、获得了诺贝尔物理学奖（3人） l l巴丁还因发明世界上第一支晶体管于1956获 诺贝尔物理学奖。 巴丁（左）、库珀、施里弗（右）巴丁（左）、库珀、施里弗（右） l1962年英国22岁的约瑟夫森根据“bcs” 理论预言 ，提出了“约瑟夫森效应” l约瑟夫森则获得1973年（33岁）度诺贝 尔物理奖 l在薄绝缘层隔开的两种超导材料之间有电 流通过，即“电子对”能穿过薄绝缘层 （隧道效应）；同时还产生一些特殊的现 象，如电流通过薄绝缘层无需加电压，倘 若加电压，电流反而停止而产生高频振荡。 这一超导物理现象称为“约瑟夫森效应”。 l同时获奖的有三人： l日本科学家江崎岭于奈因发现半导体中的隧道 效应

5、并发明隧道二极管； l美国科学家贾埃沃因发现超导体隧道结单电子 隧道效应； l约瑟夫森因创立超导电流通过的势垒的约瑟夫 森效应而共同获得诺贝尔物理学奖。 l60年代开始转向对超导新材料的开发 l1973年，人们发现了超导合金铌锗合金， 其临界超导温度为23.2k ，该记录保持了13年。 l目标：开发高临界温度的超导体材料，为超导 体的大规模应用创造条件。 l美国ibm 公司在瑞士的实验室，德国物理学家 柏诺兹和瑞士物理学家缪勒从1983年开始集 中力量研究稀土元素氧化物的超导电性。 l1986年他们终于发现了一种氧化物材料（镧 钡铜氧labacuo）具有35k 的高温超 导性，打破了传统“氧化

6、物陶瓷是绝缘体”的 观念。 l此后每隔几天就有新的超导材料诞生。 l柏诺兹和缪勒获1987年诺贝尔物理奖。 l这一发现导致了超导研究的重大突破。 l1986年底，美国贝尔实验室研究的氧化物超导材料， 其临界超导温度达到40k ，跨越了液氢的“温度壁垒” （40k ）。 l1987年2 月，美国华裔科学家朱经武和中国科学家赵 忠贤相继在钇钡铜氧系材料上把临界超导温度 提高到90k 以上，液氮的禁区（77k ）也奇迹般地被 突破了。 l1987年底，铊钡钙铜氧系材料又把临界超导 温度的记录提高到125k. 从19861987年的短短一 年多的时间里，临界超导温度竟然提高了100k以上， l这在材料

7、发展史，乃至科技发展史上都堪称是一大奇 迹！ 超导临界温度提高的 情况 公认的最高tc=138k; 还没有找到圆满的理论 解释 不到100年的历史中， 有关超导和超流体的 研究，已有16位诺贝 尔奖的获得者。 l2001年发现 lmgb2作为廉价超导开发：tc=39k l比金属化合物的最高tc=23k提高了16k 7.2 超导材料的应用超导材料的应用 l大致可分为三类： l1、大电流应用（强电应用）： l稳定电网的设备-超导限流器和变压器，磁体 和储能系统，以及大电流运输； l2、电子学应用（弱电应用）： l微弱信号探测，心磁和脑磁分部 (约瑟夫森效 应） l3、抗磁性应用： l磁悬浮列车和热

8、核聚变反应堆 l在高温超导体出现以前，使用在液氦温度下的 低温超导材料实现了产业化。 l以nbti、nb3sn为代表的实用超导材料在核磁 共振人体成像、超导磁体及大型加速器磁体等 多个领域获得了应用。 磁悬浮列车磁悬浮列车 l 目前，美国正在研制地下真空磁悬浮超音 速列车。这种神奇的“行星列车”设计最高时 速为2.25万公里，是音速的20多倍。它横穿美 国大陆只需21分钟，而喷气式客机则需5小时。 l根据吸引力和排斥力的基本原理，国际上磁悬浮列车有 两个发展方向： l德国：常规磁铁吸引式悬浮系统ems系统，利用常 规的电磁铁与一般铁性物质相吸引的作用，把列车吸引 上来，悬空约为10毫米左右。时

9、速400-500公里/小时； l日本：排斥式悬浮系统eds系统，它使用超导的磁 悬浮原理，使车轮和钢轨之间产生排斥力，使列车悬空 运行，悬浮气隙约为100毫米左右，时速达每小时500公 里以上。 l视频：1、磁悬浮列车发明人（0:302:40) l 2、磁悬浮列车 超导(1min) 2000年12月31日，世界上第一辆载人“高温超导磁悬 浮实验车”在西南交通大学诞生。该车全部采用国产熔 融织构法制备的ybacuo高温超导体块材，研制成功的 液氮低温容器工作时间大于6小时。 2005年5月14日20日首届成都科技节上，世界首辆载人高世界首辆载人高 温超导磁悬浮实验车亮相红星路。温超导磁悬浮实验车

10、亮相红星路。在装入三大瓶液氮后，车 体便能浮起来，旁人只需轻轻一推，车辆便沿着16米长的轨 道平稳地悬浮滑行起来。 核裂变实验装置核裂变实验装置 l利用核能有两种方式： l核裂变： l一个原子核分裂成几个原子核的变化。像铀、 钍等才能发生核裂变。 l核聚变：聚变时则由较轻的原子核（氘和氚） 聚合成较重的较重的原子核而释出能量。 l实现核聚变的方法有两种 l磁场约束法 ： l利用通过强大电流所产生的强大磁场，把等离 子体约束在很小范围内，产生1 亿2亿的 高温，从而聚变-“托卡马克” 装置 l惯性约束法 ：把氘和氚的混合气体或固体， 装入直径约几毫米的小球内。从外面均匀射入 激光束或粒子束，球面

11、因吸收能量而向外蒸发， 受它的反作用，球面内层向内挤压 ，并伴随 着温度的急剧升高。达到几十亿度时，小球内 气体便发生爆炸，并产生大量热能。 l中国新一代全超导核 聚变实验装置世界领 先 l安徽省合肥市中科院 等离子体研究所 l1998年国家“九 五”重大科学工 程，投资1.65亿 元 。 l视频： l1、人类可能再造太阳 热核聚变反应大揭秘 （2:40) l2、中国新全超导核聚变实验装置世界领先 （2:06) l3、全超导核聚变实验装置完成关键实验(1:27) l4、人造太阳_实验装置创下国内核聚变高温新 记录 （2:20) l2002年研制成功我国第一台移动通用的 高温超导滤波器系统，并于

12、2004年成功 应用于中国联通基站，使我国成为继美 国之后将高温超导应用于移动通信的第 二个国家。 l2004年首次将用bi系线材制成的高温超导电缆 (33m长，三相，2000a，25kv)在昆明并网成 功。这是世界上第三组高温超导电缆并网运行。 这些研究成果将对我国信息、材料、电力、国 防、能源以及航空航天产业产生重要的影响。 7.3 超导材料的基本物理性质超导材料的基本物理性质 l（1）零电阻 l（2）抗磁性-迈斯纳效应 l meissner effect l magnetic levitation磁悬浮 l（3）隧道跃迁-约瑟夫森效应 l（4）第i类、第ii类超导体 l flux tra

13、pping effect l 磁通量(磁力线）捕获效应） （1）零电阻 。 a a 临界温度临界温度tctc l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tc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。 逐渐增大磁场到达一定值逐渐增大磁场到达一定值 后，超导体会从超导态变为后，超导体会从超导态变为 正常态，把破坏超导电性所正常态，把破坏超导电性所 需的最小磁场称为临界磁场，需的最小磁场称为临界磁场， 记为记为hc。 有经验公式：有经验公式： 正常态正常态 h hc(0) tc t 超导态超导态 2 2 0 1)( c cc t t hth 超导体

14、无阻载流的能力也超导体无阻载流的能力也 是有限的，当通过超导体中是有限的，当通过超导体中 的电流达到某一特定值时，的电流达到某一特定值时， 又会重新出现电阻，使其产又会重新出现电阻，使其产 生这一相变的电流称为临界生这一相变的电流称为临界 电流，记为电流，记为ic。指的是每厘。指的是每厘 米样品长度上出现电压为米样品长度上出现电压为 1 v时所输送的电流。时所输送的电流。 ic(v) i v 失超 正常态正常态 i ic(0) tc t 超导态超导态 ic与温度有关：与温度有关： 2 2 0 1)( c cc t t iti 迈斯纳效应又叫完全抗迈斯纳效应又叫完全抗 磁性，超导体一旦进入超磁性

15、，超导体一旦进入超 导状态，体内的磁通量将导状态，体内的磁通量将 全部被排出体外，磁感应全部被排出体外，磁感应 强度恒为零，且不论对导强度恒为零，且不论对导 体是先降温后加磁场，还体是先降温后加磁场，还 是先加磁场后降温，只要是先加磁场后降温，只要 进入超导状态，超导体就进入超导状态，超导体就 把全部磁通量排出体外。把全部磁通量排出体外。 n n s 降温 降温 加场 加场 s 注：注：s表示超导态表示超导态 n表示正常态表示正常态 观察迈纳斯效应的磁悬浮试验观察迈纳斯效应的磁悬浮试验 在锡盘上放一条永久磁铁，当温度在锡盘上放一条永久磁铁，当温度 低于锡的转变温度时，小磁铁会离低于锡的转变温度

16、时，小磁铁会离 开锡盘飘然升起，升至一定距离后，开锡盘飘然升起，升至一定距离后， 便悬空不动了，这是由于磁铁的磁便悬空不动了，这是由于磁铁的磁 力线不能穿过超导体，在锡盘感应力线不能穿过超导体，在锡盘感应 出持续电流的磁场，与磁铁之间产出持续电流的磁场，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越小，当斥力减弱到与磁铁的重 力相平衡时，就悬浮不动了。力相平衡时，就悬浮不动了。 l超导体势垒超导体之间不仅电子对也能够 以隧道效应穿过绝缘层，在势垒两边电压为零 的情况下，产生直流超导电流。此现象叫直流直流 约瑟夫森效应约瑟夫森效应

17、l在势垒两边有一定电压 v0 时，还会有特定频 l率的 交流超导电流 存在。 1v 的直流电压产 生振荡的频率为 483.6 mhz( 该频率称为约瑟 夫森频率 )。这种现象称为交流约瑟夫森效应交流约瑟夫森效应 。 隧道跃迁隧道跃迁-约瑟夫森效应约瑟夫森效应 （josephson effect ） 超导体 绝缘体的厚度：10 超导电子学-弱电应用 约瑟夫森器件 -超导磁强计 、混频器 、高灵敏度的检流计 微波和远红外线的探测器 l第i类超导体：完全抗磁性的超导体 正常态正常态 h hc(0) tc t 超导态超导态 金属超导体属于i类 第第ii类超导体类超导体 l有两临界磁场： l磁场在hc1

18、以下，是超 导态，完全抗磁； l磁场在hc1和hc2之间 时，是超导态，但磁 场可以通过导体； lhhc2时，才会变成 普通的常态 l有两个临界磁场的就 叫第ii类超导体 l利用这样的方法 ，人们终于在 1961 年使用 l非理想第二类超导体 铌三锡 ( nb3sn ) 首次 制 成了第一个强磁场 超超 导导 磁磁 体体 ( superconducting magnet ) 。随着第二类超导 体认识的深入，超导应用的序幕终于拉开了。 l化合物和氧化物超导体都属于ii类 flux trapping effect 磁通量(磁力线）捕获效应） 视频：磁悬浮列车原理演示 7.4 超导的基本理论超导的基

19、本理论 l解释超导现象的理论有两大类： l一种是宏观的超导电磁理论： l包括：二流体模型、伦敦方程、京兹堡-朗道 l另一种是微观超导理论： l主要是bcs理论 l基本概念：同位素效应、超导能隙、 l 库柏电子对、相干长度 一、一、 超导的宏观理论超导的宏观理论 l1. 二流体模型(1934年） l在超导体中存在有两种电子，它们彼此独立地流 动。一种是正常的电子，另一种是超导电子。 l在正常态时，只有正常电子，为正常导体； l进入超导态，出现了超导电子，它们可以不受任 l何阻碍地在超导体中流动， t 越低，超导电子就 l越多。 lt=0k时，则只有超导电子。 l2、伦敦方程（1935年） l 伦

20、敦在二流体模型的基础上建立了超导体 的电磁理论。 l提出两个描述超导电流与电滋场关系方程，与 麦克斯韦方程一起构成了超导体的电动力学基 础。 l 伦敦方程可以概括零电阻效应和迈斯纳效 应，并预言了超导体表面上的磁场穿透深度。 l3、京兹堡-朗道理论（1950年 ） l将朗道的二级相变理论应用于超导体，认 l为超导态与正常态间的相互转变是二级相变。 l（相变时无体积变化，也无相变潜热-1937年 朗道提出的） l再引入一个波函数，应用热力学理论建立了关 于的京茨堡-朗道方程。 l作用： l(1)可计算临界磁场、相干长度及穿透深度与 温度的关系等 l(2)给出了区分第一类超导体和第二类超导体 的判

21、据 二、超导的微观理论二、超导的微观理论 l基本概念： l1、 同位素效应（1950年） l超导体的 tc 将反比于构成该超导体的同位素质量的 平方根。同位素质量越大， tc 就越低。这一效应叫 做同位素效应。 2 1 m tc 结论： 同位素效应把晶格振动（其量子称为声子）与电子联系 起来了，它告诉人们电子-声子的相互作用与超导电性密切相 关。 l2、超导能隙 l实验证明：在超导体的电子能谱中，有 一小块空白的区域，不允许电子具有这 块区域中的能量。这个不能有电子存在 的能量间隔就叫 超导能隙超导能隙。 l10-310-4ev 2 占满 空带 ef 占满 能隙 空带 ef l3、库柏电子对

22、l库珀电子对的形成：当电子a在晶格间运动时， l以库仑力吸引邻近的晶格离子，使晶格离子稍稍 l靠拢过来，并形成一个正电荷相对集中的小区域。 l由于这些离子偏离平衡位置而产生振动，以波的形式 在晶格中传播，这种波称为格波，其量子称为声子。 l形成格波的过程相当于发出一个声子。 l同时这个以a为中心的正电荷区又可以吸到另一个运 动着的电子b，将动量和能量传递给这个电子，这相 当于b电子吸引了声子。 l结果：两个电子交换了一个声子，使两个电子间产生 了间接的吸引力，形成一个电子对。 l这个过程表示如下： l库珀对： l超导体中电子动量与自旋 均等值相反的两个电子。 l每一库珀对的动量之和为 零。 l在外电场作用下，库珀对 都获得相同的动量，朝同 一方向运动，不会受到晶 格的任何阻碍，形成几乎 没有电阻的超导电流。 l当ttc时，热运动使库珀 对分散为正常电子，超导 态转变为正常态。 这