第八讲超导材料

第七章超导材料7.1超导材料的发展简史荷兰：卡末林·昂内斯(KamerlinghOnnes，1853-1926)1908年液化了地球上，最后一种“永久气体-氦气”，且获得了接近绝对零度的低温：4.25K～1.15K。它标志着所有物质都可以存在于气液固的状态。1911年他用液氦将水银冷凝成固态导线（-40℃），并将温度降低到－269℃（4.2K）左右时，水银导线电阻突然完全消失，首次发现了超导体的零电阻。昂内斯获1913年诺贝尔物理学奖持久电流实验铅线圈NS把一个铅制圆圈放入杜瓦瓶中，瓶外放一磁铁，然后把液氦倒入杜瓦瓶中使铅冷却成为超导体，最后将瓶外磁铁突然撤除，铅圈内便会产生感应电流，并且此电流将持续流动下去，最长持续时间达二年半，还没有电流衰减现象，撤液氦，实验终止。1933年德国物理学家迈斯纳等发现：在超导态下，超导体内部的磁场强度H总为零，即具有完全抗磁性，这种现象就称为迈斯纳效应。这就是所谓的I型超导体，主要是金属超导体。完全抗磁性的原因常规导体NorthSouth超导体NorthSouth外加磁场使超导体表面产生感应电流，该电流在超导体表面产生相反磁场，与外磁场抵消，使超导体内部磁场为零。苏联科学家阿布里科索夫在1953年发现：另一种称II型超导体，主要是合金和陶瓷超导体，它允许磁场通过。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。2003年获诺贝尔物理奖1950年苏联的京茨堡(34岁)和朗道提出：描述超导体特性的理论，描述了磁场中的超导材料进入超导态的行为，可以准确地预测诸如超导体所能承载最大电流等等的特性。1962年，朗道因物质凝聚态和超流超导现象的贡献而获诺贝尔物理学奖。超流动性在常人看来是非常奇异的现象：如果你把液氦注入一个敞口的容器，那么液氦会“自动地”溢出容器。莱格特：只用了不到三个星期，就对朗道“超流超导”现象给出物理解释。莱格特却和京茨堡一样不太走运。1996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。

阿布里科索夫(AlexeiA.Abrikosov)京茨堡(VitalyL.Ginzburg)莱格特(AnthonyJ.Leggett)共同获2003年的诺贝尔物理学奖。阿布里科索夫京茨堡莱格特1957年美国人巴丁、库柏和施里弗提出了BCS理论，微观上解释了超导机制。标志着现代超导电性理论阶段的开始。1972年获得了诺贝尔物理学奖（3人）

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）1962年英国22岁的约瑟夫森根据“BCS”的理论预言，提出了“约瑟夫森效应”约瑟夫森则获得1973(33岁)年度诺贝尔物理奖在薄绝缘层膜隔开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电磁现象，如电流通过薄绝缘层膜而无需加电压，倘若加电压，电流反而停止，产生高频振荡。这种超导物理现象称为“约瑟夫森效应”。1973年同时获诺贝尔奖的有三人：约瑟夫森因创立“超导电流通过势垒的约瑟夫森”效应；日本科学家江崎岭于奈因发现半导体中隧道效应，并发明隧道二极管；美国科学家贾埃沃因发现超导体的隧道结、单电子隧道效应而共同获得诺贝尔物理学奖。60年代开始转向对超导新材料的开发1973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。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。美国IBM公司瑞士实验室，德国物理学家柏诺兹和瑞士物理学家缪勒从1983年开始，集中力量研究稀土氧化物元素的超导电性。1986年他们终于发现一种氧化物材料（镧-钡-铜-氧LaBaCuO）具有35K高温超导性，打破传统“氧化物陶瓷是绝缘体”的观念。此后每隔几天就有新超导材料诞生。柏诺兹和缪勒获1987年诺贝尔物理奖。这一发现导致超导研究的重大突破。1986年底，美国贝尔实验室研究“氧化物超导材料”，超导临界温度达40K，跨越液氢“温度壁垒(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-钡-铜-氧系的材料上，把超导临界温度提高到90K以上，液氮禁区(77K)也奇迹般地被突破。1987年底，铊-钡-钙-铜-氧系材料又把临界超导温度记录提高到125K.从1986－1987年，短短一年多的时间里，临界超导温度竟然提高了100K以上，在材料发展史，乃至科技发展史上都堪称一大奇迹！超导临界温度提高情况：公认最高Tc=138K;还没有寻找到充分地理论解释；在不到100年历史中，有关超导和超流体的研究，已有16位诺贝尔奖的获得者。2001年发现MgB2作为廉价超导开发：Tc=39K比金属化合物的最高Tc=23K提高了16K2005年美国科学杂志列出：未解决的125个科学问题38、是否有解释所有相关电子系统的统一理论？

高温超导体和带有巨磁致电阻效应的材料，其性质都是由电子的集体行为而不是单个电子的行为决定的。目前仍然没有一个通用的理论体系来理解这些相关的电子系统。42、高温超导特性背后的电子成对机制是什么？在超导体中的电子是成对运动的。在二十年的努力研究之后，仍然没有人知道是什么使得电子在结构复杂的高温超导材料中被约束在一起。哥德尔不完备性定理：如果一个形式理论T足以容纳数论并且无矛盾，则T必定是不完备的。也就是说，存在着有意义的陈述从属于这些系统，却不能在系统内部得出证明。然而非形式的论证可以证明其正确性。勒文海姆-斯科伦定理证实：对于一个给定的公理系统，可以存在完全不同的解释或模型，而这无须加入任何新的公理。当然必须先得出该公理系统是不完备的；否则的话，完全不同的解释是不可能的。而且为了不被所有的解释所共同包容，关于某个解释的一些有意义陈述也必定是不可判定的。7.2超导材料的应用大致可分为三类：1、大电流应用（强电应用）：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；2、电子学应用（弱电应用）：微弱信号探测，心磁和脑磁分部(约瑟夫森效应）3、抗磁性应用：磁悬浮列车和热核聚变反应堆在高温超导体出现之前，在液氦温度下使用的低温超导材料已实现了产业化。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

目前，美国正研制地下真空隧道的磁悬浮超音速列车。这种神奇“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。根据吸引和排斥原理，磁悬浮列车有两个发展方向：德国：常规磁铁吸引式悬浮系统－－EMS系统，利用常规电磁铁与一般铁性物质相吸引作用，把列车吸引上来，悬空约为10毫米左右。时速400-500公里/小时；日本：排斥式悬浮系统－－EDS系统，使用超导磁悬浮原理，使车轮和钢轨之间产生排斥力，列车悬空运行，悬浮气隙约100毫米左右，时速达500公里/h以上。

(a)常导磁吸型；

(b)超导磁斥型

视频：1、磁悬浮列车发明人（0:30~2:40)2、磁悬浮列车原理超导(1:37)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，世界首辆载人高温超导磁悬浮实验车亮相红星路。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。核能实验装置利用核能有两种方式：核裂变：一个原子核分裂成几个较小原子核的现象。像铀、钍等原子才能发生核裂变。核聚变：聚变时，由较轻原子核(氘和氚)聚合成较重原子核，释放出能量。实现核聚变的方法有两种磁场约束法：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，从而控制轻核聚变-“托卡马克”装置。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。中国新一代全超导核聚变实验装置世界领先安徽省合肥市中科院等离子体研究所

1998年国家“九五”重大科学工程，投资1.65亿元。视频：1、人类可能再造太阳热核聚变反应大揭秘（2:40)，55年建立了第一个核裂变电站2、中国新全超导核聚变实验装置世界领先（2:06)3、全超导核聚变实验装置完成关键实验(1:27)2002年我国研制成功第一台移动通用的高温超导滤波器系统，并于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。超导滤波器在中国联通唐山基站投入运行2004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（1）零电阻（2）抗磁性-迈斯纳效应

MeissnerEffectMagneticLevitation—磁悬浮（3）隧道跃迁-约瑟夫森效应（4）第I类、第II类超导体

FluxTrappingEffect–

磁通量(磁力线）捕获效应）（1）零电阻零电阻实验-持久电流实验：一个铅制圆圈放入杜瓦瓶中，瓶外放置磁铁，液氦倒入瓶中使铅成为超导体，把磁铁突然撤除，铅圈内便会产生感应电流，此电流将持续流动下去。其中电流持续时间最长的一次为两年半时间，内持续电流没有丝毫减弱的迹象，液氦供应中断迫使实验才停止。后来，费勒和密尔斯利用核磁共振方法测得结果表明：超导电流持续时间不少于１０万年。A临界温度Tc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后，超导体会从超导态变为正常态，把破坏超导电性所需的最小磁场称为临界磁场，记为Hc。有经验公式：B.临界磁场Hc正常态HHc(0)TcT超导态C.临界电流Ic

超导体无阻载流的能力也是有限的，当通过超导体中的电流达到某一特定值时，又会重新出现电阻，使其产生这一相变的电流称为临界电流，记为Ic。特指每厘米样品长度上出现电压降为1V/cm时，所输送的电流。Ic(V)IV失超正常态IIc(0)TcT超导态Ic与温度有关：(2)抗磁性-迈斯纳效应

迈斯纳效应又叫完全抗磁性，超导体一旦进入超导状态，体内的磁通量将全部被排出体外，磁感应强度恒为零，且不论对导体是先降温后加磁场，还是先加磁场后降温，只要进入超导状态，超导体就把全部磁通量排出体外。NNS降温降温加场加场S注：S表示超导态N表示正常态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，这是由于磁铁的磁力线不能穿过超导体，在锡盘感应出持续闭合电流的磁场，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-势垒-超导体之间，不仅电子对能够以隧道效应穿过绝缘层，并在势垒两边电压为零情况下，产生直流超导电流。此现象叫直流约瑟夫森效应在势垒两边存有一定电压降V0

时，还会有类似于特定频率的“交流超导电流”存在。1μV直流电压降产生483.6MHz振荡的电磁辐射(该频率被称为：约瑟夫森频率)。此现象称为交流约瑟夫森效应。(3)隧道跃迁-约瑟夫森效应

（Josephsoneffect

）超导体绝缘体的厚度：10Å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

第I类超导体：完全抗磁性的超导体(4)第I类、第II类超导体正常态HHc(0)TcT超导态金属超导体属于I类第II类超导体有两临界磁场：磁场在HC1以下，是超导态，完全抗磁；磁场在HC1和HC2之间时，是超导态，但磁场可以通过导体；H>HC2时，才会变成普通的常态有两个临界磁场的就叫第II类超导体利用这样的方法，人们终于在1961年使用非理想第二类超导体“铌三锡(Nb3Sn)”，首次制成第一个强磁场超导磁体

。随着人们对第二类超导体认识的深入，超导应用序幕终于被拉开了。化合物和氧化物超导体都属于II类超导体在磁场Hc1和Hc2之间，由超导态和常态组成。7.4超导的基本理论解释超导现象的理论有两大类：一种是宏观的超导电磁理论：包括：二流体模型、伦敦方程、京兹堡-朗道另一种是微观超导理论：主要是BCS理论基本概念：同位素效应、超导能隙、库柏电子对、相干长度一、超导的宏观理论1.二流体模型(1934年）超导体中存在两种状态电子，它们彼此独立地流动。一种是正常电子，另一种是超导电子对。在正常状态时，仅有正常电子，为正常导体；进入超导态时，出现超导电子对，它们可不受任何阻碍地在超导体中流动，T越低，超导电子对就越多。T=0K时，则只有超导电子。2、伦敦方程（1935年）伦敦在二流体模型的基础上建立了超导体的电磁理论。提出两个描述超导电流与电磁场关系的方程，与麦克斯韦方程组构成了超导体电动力学基础。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。3、京兹堡-朗道理论（1950年）将朗道的二级相变理论应用于超导体，认为超导态与正常态间的相互转变是二级相变。（即：相变时无体积变化，也无相变潜热-1937年朗道提出的）再引入一个波函数，应用热力学理论建立了关于ψ的京茨堡-朗道方程。作用：(1)可计算临界磁场、相干长度及穿透深度与温度的关系等(2)给出了区分第一类超导体和第二类超导体的判据二、超导的微观理论基本概念：1、同位素效应(1950年)超导体的转变温度Tc与同位素质量的平方根成反比。同位素质量越大，转变温度越低。这一效应叫做同位素效应。结论：同位素效应说明：超导不仅与电子状态有关，也与金属离子晶格有关(原子核内中子的磁懦极矩)。因而，把晶格振动（其量子称为声子）与电子联系起来了，告诉人们电子-声子的相互作用与超导电性密切相关。2、超导能隙实验证明：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。Δ≈10-3~10-4eV2Δ 占满 空带 EF 占满 能隙 空带 EF 3、库柏电子对库珀电子对的形成：当电子A在晶格间运动时，以库仑力吸引邻近晶格离子，使晶格离子稍稍靠拢过来，并形成一个正电荷相对集中的小区域。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，该波被称为格波，其量子称为声子。形成格波的过程相当于发出一个声子。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。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“库柏电子对”。这个过程表示如下：库珀对：超导体中两个电子动量与自旋均等值，旋向相反。每一库珀对的动量之和为零。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。当T>Tc时，热运动迫使库珀对被拆散为正常电子，超导态转变为正常态。这种有规律运动电子对可以毫无阻力地流过导体，就像电影院散场时有秩序的人群可以走得快，而没有秩序的人群则往往被阻塞一样。“库柏对”电子有序运动的宏观表现，就是我们所观察到的超导体中电阻为零的现象。超导能隙与库柏对：拆散一个电子对（库珀对）产生两个单电子至少需要能隙宽度为2Δ的能量。库柏电子对是产生超导能隙的根本原因。4、相干长度库柏电子对之间存在一定长度的距离。相干长度：几百到几千个原子的间距5、BCS超导理论处在超导态的电子，不是一个个单独地存在，而是匹配成库珀对而存在着；配对的电子，其自旋方向相反，动量大小相等，运动方向相同，两电子动量差为零；库珀