大学物理教程ch18-3

1、?第五篇第五篇 量子现象和量子规律量子现象和量子规律第第1818章章 量子力学应用简介量子力学应用简介18.3 18.3 宏观量子现象宏观量子现象 超导和超流（了解）超导和超流（了解）录象：录象：6 619 19 超导超导 （上、下）（上、下） 5555分钟分钟超导超导 （上）（上） 2525分钟分钟 超导现象及应用超导现象及应用超导超导 （下）（下） 3030分钟分钟 超导原理超导原理一、超导电性的基本现象一、超导电性的基本现象. .零电阻现象零电阻现象实验现象实验现象可持续上万年可持续上万年态临界条件：临界条件：cTcH临界温度临界温度临界磁场临界磁场临界电流临界电流cI. .完全抗磁性（

2、迈斯纳效应）完全抗磁性（迈斯纳效应）超导体内超导体内0 B理想导体理想导体内部不存在电阻内部不存在电阻其中磁通量不变其中磁通量不变超导体超导体内部不存在电阻内部不存在电阻其中磁通量为零其中磁通量为零与零电阻现象彼此独立与零电阻现象彼此独立注意：注意：实验现象实验现象磁棒磁棒超导态铅超导态铅浸入液氦浸入液氦超导态的基本特征：超导态的基本特征：完全导电，完全抗磁完全导电，完全抗磁超导电本质？超导电本质？实验现象比较实验现象比较导导二二. BCS理论理论巴丁（巴丁（J. BardeenJ. Bardeen) )库柏（库柏（L. Cooper)L. Cooper)施瑞弗（施瑞弗（R. Schrieff

3、erR. Schrieffer) )19721972年诺贝尔物理奖年诺贝尔物理奖巴丁（中）、库柏（右）、巴丁（中）、库柏（右）、和施里弗（和施里弗（1974年）年）巴丁的科学成就：巴丁的科学成就：19561956年，因发明晶体管，与肖克年，因发明晶体管，与肖克莱、布拉顿莱、布拉顿共获诺贝尔物理奖。共获诺贝尔物理奖。19721972年，因低温超导理论，与库年，因低温超导理论，与库柏柏. .施瑞弗共获诺贝尔物理奖。施瑞弗共获诺贝尔物理奖。19911991年去世年去世 8282岁岁实验基础：实验基础：正常态正常态超导态，电子比热跃变超导态，电子比热跃变临界温度与同位素质量有关临界温度与同位素质量有关

4、超导电性来自电子与晶格（振动）间的相互作用超导电性来自电子与晶格（振动）间的相互作用物理模型：物理模型：库柏电子对：库柏电子对：（动量等大反向，自旋相反）（动量等大反向，自旋相反）电子电子声子声子电子电子（格波）（格波）形成相互吸引束缚态形成相互吸引束缚态外电场中，电子对获得相同动量，高度有序运动。外电场中，电子对获得相同动量，高度有序运动。电子对动量守恒：电子对动量守恒：若一个电子受晶格散射动量改变，若一个电子受晶格散射动量改变，另一个发生相反动量改变，散射不影响电子对整体另一个发生相反动量改变，散射不影响电子对整体运动运动电阻为零。电阻为零。“传球传球”：一对的作用，集体效应。：一对的作用

5、，集体效应。“单个前进有电阻，结伴成行才超导单个前进有电阻，结伴成行才超导”三三. .高温超导简介高温超导简介四项判断准则：四项判断准则：1. 1. 必须在一个确定的温度实现零电阻转变必须在一个确定的温度实现零电阻转变2. 2. 在零电阻转变温度附近必须观察到完全抗磁性在零电阻转变温度附近必须观察到完全抗磁性3. 3. 现象稳定且能再现现象稳定且能再现4. 4. 现象能被其它实验室重复和验证现象能被其它实验室重复和验证19861986年年7 7月：瑞士月：瑞士 米勒、贝德诺茨发表第一篇论文米勒、贝德诺茨发表第一篇论文镧钡铜氧化物镧钡铜氧化物 获诺贝尔奖获诺贝尔奖K35:cT19881988年年

6、 高温超导热高温超导热高温超导体：高温超导体：氧化物氧化物 超导体超导体 （钇钡同氧体等（钇钡同氧体等7070余种）余种）目前最高目前最高为为125K理论尚未成熟理论尚未成熟)K77( cT液氮温区液氮温区cT应用：应用： 超导核磁共振断层成象超导核磁共振断层成象超导量子干涉器件（测生物磁场）超导量子干涉器件（测生物磁场）超导红外探测，超导磁悬浮列车超导红外探测，超导磁悬浮列车.四、宏观量子效应四、宏观量子效应 （低温下，量子现象在宏观尺度上显示）（低温下，量子现象在宏观尺度上显示）1. 1. 磁通量子化磁通量子化cTT 磁场完全被排除于超导体之外，磁场穿过超导环磁场完全被排除于超导体之外，磁

7、场穿过超导环撤去磁场，超导环中冻结了磁通量撤去磁场，超导环中冻结了磁通量cTT 磁场穿过环体和环内磁场穿过环体和环内1 1）穿过超导环的磁通量是量子化的：穿过超导环的磁通量是量子化的：3,2, 1 nnom Wb1006785.22150 eh 2 2） 第二类超导体第二类超导体混混合合态态12ccHHH 嵌有平行于外场方向的正常态细芯，其周围有涡嵌有平行于外场方向的正常态细芯，其周围有涡旋状超导电流，每条涡旋线的磁通量均为旋状超导电流，每条涡旋线的磁通量均为0 第第IIII类超导体的磁通格子类超导体的磁通格子 （H垂直纸面向上）垂直纸面向上）参考读物：参考读物：3. 3. 自然杂志自然杂志 9898年第年第5 5期期“电子时代的奠基人和两次诺贝尔奖的获得者