材料世界漫谈

材料世界漫谈第1页，共82页，2023年，2月20日，星期一第七节超导材料超导材料是一种没有电阻的材料，既能节约能量，减少电能因电阻而消耗的能量，还能把电流储存起来，供急需时使用。

现已发现有28种元素和几千种合金和化合物可以成为超导体。2第2页，共82页，2023年，2月20日，星期一自从世界上以电力作为主要动力以来，就遇到两个令人头痛的问题：１、是在输送电流时，不少电力因导线有电阻而发热，白白损失了相当的能量。２、白天的电力常常严重不足，而深夜的电力又大大富余，使得发电机常常白天超负荷运转，深夜时却空转，电力白白浪费了。能不能把夜间富余的电力储存起来用以弥补白天电力不足的难题呢?自从有了超导材料以来，解决这个问题就大有希望了。超导材料3第3页，共82页，2023年，2月20日，星期一从低温的获得到超导电性的发现超导电性是人类发展低温技术并不断地在新的温度范围里研究物质的物理性质的过程中发现的。19世纪末：低温技术获得了显著的进展。曾一向被视为“永久气体”的空气被液化了。1887年：氧气被首先液化，液化点也就是我们所说的长压下的沸点-183℃(绝对温度90K)；随后人们又液化了液化温度是-196℃(77K)的氮气。1898年：杜瓦(J.Dewar)第一次把氢气变成液体氢，液化温度为-253℃。4第4页，共82页，2023年，2月20日，星期一杜瓦的工作照5第5页，共82页，2023年，2月20日，星期一利用液体空气和液氢，当时人们可以在实验室中得到-259℃的低温。1908年，荷兰莱登实验室在卡末林•昂尼斯(KamerlightOnnes)的指导下，经过长期努力，首次成功地把称为“永久气体”的氦液化，当时他们测定了一个大气压下氦气的液化点是4.25K，紧接着昂尼斯领导的实验室使用减压降温法，就是利用液氦的沸点随液氦的蒸汽压的下降而下降的性质，获得了4.25-1.15K的低温，这是当时所能达到的最低温度，为超导准备了条件。从低温的获得到超导电性的发现6第6页，共82页，2023年，2月20日，星期一1911年：在测试纯金属电阻率的低温特性时，卡末林•昂尼斯发现，汞的直流电阻在4.2K时突然消失，多次精密测量表明，汞柱两端压降为零，他认为这时汞进入了一种以零阻值为特征的新物态，并称为“超导态”。1911年12月28日：昂尼斯宣布了这一发现。但此时他还没有看出这一现象的普遍意义，仅仅当成是有关水银的特殊现象。超导电性的发现7第7页，共82页，2023年，2月20日，星期一荷兰物理学家昂尼斯(KamerlightOnnes)

卡末林·昂尼斯(KamerlightOnnes)低温物理学家。1853年9月21日生于荷兰的格罗宁根，1926年2月21日卒于荷兰的莱顿。因制成液氦和发现超导现象获得1913年诺贝尔物理学奖。8第8页，共82页，2023年，2月20日，星期一1986年以前超导研究过程1911年：Onnes发现Hg在4.2K电阻突然下降为零；1933年：Meissner(迈斯纳)效应的发现；1911-1932年间：研究元素的超导电性；Hg、Pb、Sn、In、Ta…1932-1953年：发现了许多具有超导电性的合金；

如Pb-Bi，NbC，MoN，Mo-Re…….1953-1973年：发现了一系列A15型超导体和三元系超导体。如Tc17K的V3Si，Nb3Sn；特别是Nb3Ga，Nb3GeTc23.2K

9第9页，共82页，2023年，2月20日，星期一1973-1986年：超导临界温度的提高，停滞不前。

Tc=23.2KNb3Ge(1973年发现)重Fermi子超导体非晶态超导体低载流子密度超导体磁性超导体低维无机超导体超晶格超导体有机超导体非常规超导体研究得到了蓬勃发展1986年以前超导研究过程10第10页，共82页，2023年，2月20日，星期一高温超导体研究的重大突破1986年，Müller和Bednorz发现高温超导体。1986.1La2-xBaxCuO4

35K1987.2YBa2Cu3O7

90K1988.1Bi-Sr-Ca-Cu-O80K,110K1988.3Tl-Ba-Ca-Cu-O130K1992Hg-Ba-Ca-Cu-O135K (几万个大气压165K)11第11页，共82页，2023年，2月20日，星期一1986年8月：IBM的苏黎士研究室的米勒教授和贝德诺兹教授发现了一种铜氧化合物，它们在35K的温度下电阻接近于0，一下子把超导温度提高了12度；1987年初：美籍华人科学家朱经武教授和他的学生吴茂琨发现了另外一种材料；钇－钡－铜－氧化物，使超导记录提高到了98K。在这个温度区上，超导体可以用廉价而丰富的液氮来冷却。1986年12月：米勒教授和贝德诺兹教授发现了一种新型的陶瓷超导体(此前超导体都是金属)，这种超导体把超导性的临界温度又提高到了38K。高温超导体的研究进展12第12页，共82页，2023年，2月20日，星期一高温超导体的研究进展199l年：美国和日本的科学家又发现了球状碳分子Ｃ60在掺钾、铯、钕等元素后，也有超导性科学家预料，球状碳分子Ｃ60掺杂金属后，有可能在室温下出现超导现象，那时超导材料就有可能像半导体材料一样，在世界引起一场工业和技术革命。1996年：日本电气公司制出长一千米的高温超导线材，电流密度达到6000A/cm2，这种线材已达到了实用化的水平。

13第13页，共82页，2023年，2月20日，星期一我国超导材料的研究进展1998年7月：我国研制成功中国第一根1米长1000安培铋系高温超导直流输电模型电缆。这项成果被两院院士列为当年中国十大科技进展。此次研制成功的高温超导带材长116米，宽3.6毫米，厚为0.28毫米，以螺旋管方式缠绕，用四引线法全长度测量，77Ｋ液氮温度(零下169℃)自场下临界电流达12.7安培，各项技术指标均达到国内领先水平。中国的超导电性研究开始于20世纪50年代，1959年首次实现了氦的液化。探索高临界温度超导电性的研究则始于1976年。14第14页，共82页，2023年，2月20日，星期一自从高温氧化物超导体被发现以来，在材料、机制以及应用三个方面的研究及开发工作都进展很快。用高临界温度超导体制备的SQUID器件及其它一些相关仪器已经走进市场。高温超导体的临界温度已达134K[在HgBa2Ca2Cu3Oy（汞钡钙铜氧化物超导体）中]。高温超导的机制至今还没有完全搞清，原因之一是材料的物理特征还没有被完全认识。高温氧化物超导体15第15页，共82页，2023年，2月20日，星期一超导研究获诺贝尔物理学奖情况1913年：昂尼斯(荷兰)在低温下研究物质的性质并制成液态氦；1972年：巴丁(美)、库珀(美)、斯莱弗(美)提出所谓BCS理论的超导性理论(1957年提出)；1973年：约瑟夫森(英)关于固体中隧道现象的发现。从理论上预言了超导电流能够通过隧道阻挡层，

即约瑟夫森(Josephson)效应(1962年发现);1987年：米勒和贝德诺兹于1986年发现高温超导体。16第16页，共82页，2023年，2月20日，星期一高温超导体的机理研究高温超导体的机理研究米勒(Müller)和贝德诺兹(Bednorz)于1986年发现高温超导体，获得1987年诺贝尔物理学奖。17第17页，共82页，2023年，2月20日，星期一

本世纪初超导材料在电力方面的应用已获得突破性的进展，在输电电缆、限流器、变压器等电力设备上都有超导应用的身影。液氮高温超导材料以其相对比较高的温度要求，能够更容易实现，对电力应用来说，其推动较为明显。高磁场情况下超导材料对液氦环境依赖性还较强。目前脉冲制冷剂获得了较大的突破，过去要求在30K-50K的温度，现在这个温度已经大大提升，并且已可作为商品出售。将超导磁体运用到发电机、电动机上，可以较好地解决人类与日俱增的用电需求。21世纪以前，发电机单机功率可达100万kw，当前的需要增加到更大。发电机的输出容量与磁感应强度、电枢电流密度的乘积成正比。用超导磁体代替电磁铁，磁感应强度和电流密度可分别提高许多倍。因此，在本世纪的电机中，电磁铁已逐步被超导磁体取代。超导的应用18第18页，共82页，2023年，2月20日，星期一在电力设备领域中，采用超导材料技术，发达国家及我国都已有几十年的奋斗历史，这是因为利用这种材料有利于设备的小型化、轻量化及高效化；抑制由于电力系统容量增大而增加的短路电流；解决因大电网而引起的系统不稳定问题以及高密度、高可靠性的输电问题；对付峰值负载和降低价格等。在磁场中生长单晶炉是80年代发展起来的一项新技术，目前广泛用于直接生长单晶硅、砷化镓和蓝宝石等晶体。磁拉单晶生长炉采用超导磁体有许多优点，如线圈体积小、重量轻、耗电小；可以根据要求设计成形状复杂的磁场，且磁场集中、磁漏小等。超导的应用19第19页，共82页，2023年，2月20日，星期一超导的应用超导技术在军事上有着非常广泛的应用前景，随着超导技术的日益成熟，有朝一日海军潜艇的设计会发生根本性的变革，出现比今天的潜艇要先进的多的超导潜艇。其外形尺寸可能只有今天潜艇的一半，但所装备的数量将增加一倍；航速将会提高，而噪音却大大降低而且超导体在传输过程中不会损失电力。同时，超导技术在解决实际应用问题后，部分潜艇将采用电力推进系统，常规潜艇将有可能采用闭式循环的热气机动力，从而结束常规潜艇水下航行单纯依赖蓄电池提供能量的时代。20第20页，共82页，2023年，2月20日，星期一超导材料的强电方面的应用1、用于高能物理受控热核反应和凝聚态物理研究的强场磁体；2、用于NMR（核磁共振）装置上以提供1T～10T的均匀磁场；3、用于制造发电机和电动机线圈；4、用于高速列车上的磁悬浮线圈；5、用于轮船和潜艇的磁流体和电磁推进系统。物理基础:1、r=0(无焦尔热损耗)2、临界温度(Tc)、临界电流(Ic)、临界磁场(Hc)高如NbTi,Nb3Sn和V3Ga等超导线材在强磁场中,能负载很高的临界电流。21第21页，共82页，2023年，2月20日，星期一超导技术在电力工程方面的应用传统电缆由于有电阻，电流密度只有300－400安培/平方厘米；高温超导电缆的电流密度可超过10000安培/平方厘米；传输容量比传统电缆要高5倍左右，功率损耗仅相当于后者的40％。由云电英纳承担研制的我国第一组实用型高温超导电缆，于2004年3月23日全部完成，并于4月19日在昆明普吉变电站挂网试运行成功。电力输送的新星——超导电缆22第22页，共82页，2023年，2月20日，星期一超导技术在电力工程方面的应用超导导线(含2120根微米直径之铌钛合金纤维)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；用超导线圈储存能量在军事上有重大应用，超导线圈用于发电机和电动机可以大大提高工作效率、降低损耗，从而导致电工领域的重大变革。23第23页，共82页，2023年，2月20日，星期一超导体强大的磁场可以贮存大量的电磁能，而且可以瞬间释放，在军事上有极大的用处，比如作为定向能武器，或者电磁炮的能量转换装置。超导储能装置24第24页，共82页，2023年，2月20日，星期一超导储能装置是利用超导线圈将电磁能直接储存起来，需要时再将电磁能返回电网或其它负载的一种电力设施。一般由超导线圈、低温容器、制冷装置、变流装置和测控系统几个部件组成。其中超导线圈是超导储能装置的核心部件，它可以是一个螺旋管线圈或是环形线圈。超导储能装置25第25页，共82页，2023年，2月20日，星期一在电力领域，利用超导线圈磁体可以将发电机的磁场强度提高到5万～6万高斯，并且几乎没有能量损失，这种发电机便是交流超导发电机。超导发电机的单机发电容量比常规发电机提高5～10倍，达1万兆瓦，而体积却减少1/2，整机重量减轻1/3，发电效率提高50％超导发电机26第26页，共82页，2023年，2月20日，星期一超导限流器超导限流器是利用超导体的超导/正常态转变特性，有效限制电力系统故障短路电流，能够快速和有效地达到限流作用的一种电力设备。超导限流器集检测、触发和限流于一体，反应速度快，正常运行时的损耗很低，能自动复位，克服了常规熔断器只能使用一次的缺点。27第27页，共82页，2023年，2月20日，星期一超导变压器1.不存在常规变压器中的发热损耗，节能潜力；

2.体积可以减少40-60%；

3.液氮代替变压器油，消除火灾隐患；

4.超导变压器的内阻极小，能够增大电压的可调节范围。2011年4月19日，中国首座全超导变电站在白银正式并网运行，标志着我国超导电力技术发展开始进入产业化新阶段。28第28页，共82页，2023年，2月20日，星期一能在大的空间内产生很高的磁场，所需的励磁功率很小，一个10Tesla的磁体只要汽车蓄电池充电即可。重量轻，体积小，稳定性好，均匀度高(1cm范围内达到10-8量级)，也可以产生高梯度场(14T/cm)。和常规磁体相比，提高效率，节省费用。超导磁体29第29页，共82页，2023年，2月20日，星期一超导技术在交通运输方面的应用时速达500km/h，安全、稳定，为下一代的交通工具。超导悬浮高速列车30第30页，共82页，2023年，2月20日，星期一日本超导磁悬浮列车MAGLEV高温超导磁悬浮实验车“世纪号”超导技术在交通运输方面的应用31第31页，共82页，2023年，2月20日，星期一“九五”期间国家863计划项目。西南交通大学2000年12月，采用国产YBaCuO高温超导体块材，悬浮总重量为635公斤，在长15.5米的钕铁硼永磁导轨上自动运行。“2001年中国高等学校十大科技进展”，排名第2。高温超导磁悬浮实验车“世纪号”32第32页，共82页，2023年，2月20日，星期一日本山梨试验线(YamanashiMaglevTestLine)1975年在日本宫崎建立了一条7公里长的磁悬浮列车试验铁路。（1997年扩展为42.8公里）2003年12月2日,一辆3车厢载人列车创造了最大时速581km/h的世界记录。33第33页，共82页，2023年，2月20日，星期一每个车厢带4个超导线圈，每边各2个，传统超导材料制备，由液氦冷却。超导线圈能够产生5Tesla的强磁场。超导线圈与导轨上的铜线圈之间的距离只有8cm。日本磁浮列车MagLev的导轨线圈34第34页，共82页，2023年，2月20日，星期一导轨上有3套常规的铜线圈，分别用于浮力，推进力，和侧面稳定。导轨线圈35第35页，共82页，2023年，2月20日，星期一MLU－002N于1993年建成，最高载人时速411公里/小时。日本宫崎试验线新磁浮试验车MLU-002N36第36页，共82页，2023年，2月20日，星期一超导技术在生物医疗方面的应用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仪其原理乃是利用核磁共振原理，观察体内某一种原子核的变化分布(主要是氢原子)，将结果显像为人体断层扫描图，以观察身体中病灶组织的变化。37第37页，共82页，2023年，2月20日，星期一超导核磁共振谱仪（NMR）美国VarianINOVA500NB磁场：11.7T；共振频率：500MHz38第38页，共82页，2023年，2月20日，星期一超导核磁共振成像核磁共振目前都采用超导磁体，提高分辨率。液氦冷却！零下269摄氏度。39第39页，共82页，2023年，2月20日，星期一1、超导粒子束武器和自由电子激光器2、超导电磁炮3、超导电磁推进系统和超导陀螺仪

超导技术在军事工业中也可以发挥其特有的作用，超导扫雷具就是其中之一。超导扫雷具的工作原理是：超导扫雷具模拟舰船磁场特性，采用两根大电流电缆在海水中形成电极，并与海水组成闭合电路产生磁场，或者在船上安装一个电磁体产生磁场，从而得以将磁水雷引爆。超导技术在军事上的应用40第40页，共82页，2023年，2月20日，星期一超导技术在科学工程和实验室的应用

核聚变装置是人们长期以来梦想解决能源问题的一个重要方向，其途径是将氘和氚加热后，使原子和弥散的电子成为一种等离子状态，并且在将这种高温等离子体约束在适当空间内的条件下，原子核就能够越过电子的排斥而互相碰撞产生核聚变反应。在这些应用中，超导磁体是高能加速器和核聚变装置不可缺少的关键部件。41第41页，共82页，2023年，2月20日，星期一1985年，前苏联、美、欧、日提出；2003年中国加入；7方:美、俄、日、欧、中、韩、印；中国宣布承担总费用46亿欧元的10分之1，即大约46亿人民币。2006年11月21日，ITER计划联合实施协定及相关文件已正式签署。选址法国南部的Cadarache。国际热核试验堆（ITER）计划2006年11月21日法国巴黎总统府爱丽舍宫42第42页，共82页，2023年，2月20日，星期一美国Fermi实验室超导对撞机43第43页，共82页，2023年，2月20日，星期一中国科学院合肥等离子体研究所建造核聚变实验装置(EAST)：用于研究热核反应HT-7托卡－马克装置44第44页，共82页，2023年，2月20日，星期一合肥董铺科学岛；国家“九五”重大科学工程项目，投资约4亿；1克氘和氚碰撞聚合产生的能量相当于300升石油燃烧产生的热量；氘和氚两种元素为海水中所富含，可谓取之不尽，用之不竭。核心：超导电磁线圈围绕一个环形容器，把H+和电子组成的等离子体限制和控制在极小的空间。中国又一项技术震惊全球!人造小太阳:超导托卡－马克45第45页，共82页，2023年，2月20日，星期一全自动的磁学、电学、热学和形貌，甚至铁电和介电等各种物性测量手段。

温度:1.8-400K(液氦)磁场:0-9特斯拉(超导磁体)PPMS系统：超导科学仪器PPMS多功能物性测量系统综合物性测量系统美国QuantumDesign公司46第46页，共82页，2023年，2月20日，星期一农作物种子由于其富含蛋白质和有机酶，在强磁场作用下，能够影响种子的萌发、苗期生长、作物产量和品质、遗传特性等。

一般而言，磁场强度和磁场作用时间对农作物种子的影响比较大，其作用机制是：磁场→基因→酶→代谢→结构与功能。实验研究的结果表明，经过强磁场作用的农作物种子，其最终产量将能够提高5-10%。超导技术在农业上的应用47第47页，共82页，2023年，2月20日，星期一根据交流约瑟夫森效应，利用约瑟夫森结可以得到标准电压。约瑟夫森效应的另一个基本应用是超导量子干涉仪(SQUID)。约瑟夫森结还有在计算应用上的巨大潜力，它的开关速度在10-12W的数量级，利用这一特性可能开发新的电子器件。简单地说，我们可以为速度更快的计算机制造逻辑电路和存储器。当然还有很多有特殊性能的器件。超导材料的弱电方面的应用48第48页，共82页，2023年，2月20日，星期一以Josephson效应为基础，建立极灵敏的电子测量装置为目标的超导电子学。分辨率：磁场磁通量磁场梯度电流电压位移加速度电磁能10-15T10-19Wb10-11T/m10-9A10-15V10-15m10-11m/s210-14W举磁场为例：10-1210-1110-1010-910-810-710-610-510-410-310-210-1100101102磁场B（T）脑磁场筋磁场心磁场眼磁场郊外噪音肺磁场都市噪音实验室噪音地磁场悬浮式马达按钮开关铜铁磁体超导磁体超导材料的弱电方面的应用49第49页，共82页，2023年，2月20日，星期一举例1、SQUID磁强计：大面积探矿、测定地下水层的分布、地震预报；2、生物和医学上：探测心、肺、神经等活动引起的微弱电磁信号的变化；3、超导计算机：硅集成电路高性能化、小型化发热Josephson器件不发热。超导材料的弱电方面的应用50第50页，共82页，2023年，2月20日，星期一用超导技术制成各种仪器，具有灵敏度高、噪声低、反应快、损耗小等特点，如用超导量子干涉仪可确定地热、石油、各种矿藏的位置和储量，并可用于地震预报。超导量子干涉仪超导技术在电子工程方面的应用51第51页，共82页，2023年，2月20日，星期一超导数字电路利用约瑟夫森结在零电压态和能隙电压态之间的快速转换来实现二元信息。应用约瑟夫森效应的器件可以制成开关元件，其开关速度可达10-11秒左右的数量级，比半导体集成电路快100倍，但功耗却要低1000倍左右，为制造亚纳秒电子计算机提供了一个途径。超导数字电路52第52页，共82页，2023年，2月20日，星期一MPMS-5:SQUID磁强计MPMS-5QuantumDesign精度：10-9

emu温度：1.9–400K磁场：5T53第53页，共82页，2023年，2月20日，星期一超导滤波器CDMA高温超导滤波器样机清华大学研制的两套高温超导滤波系统在中国联通CDMA移动通讯基站已连续无故障商业运行几年了。高温超导滤波器可以显著提高通信基站的灵敏度和选择性，提高通信容量，降低手机的辐射率并提高通话清晰度。

54第54页，共82页，2023年，2月20日，星期一Conectus预测:2010年:50亿美元2020年:380亿美元超导材料应用前景55第55页，共82页，2023年，2月20日，星期一超导的实用前景似乎既远又近。近者，在人类生活中已得到了超导电性技术带来的好处，如医用的核磁共振成象的超导磁体；同时在电子器件上的应用近几年将会在市场上出现。远者，人们会看到例如在微波通讯、计算机器件、几乎无损耗输电、储能及平衡电网方面的应用。超导材料应用前景56第56页，共82页，2023年，2月20日，星期一利用超导隧道效应所制备的敏感元件，其能量分辨可以接近量子力学测不准关系所限定的水平。这是其它器件所不能达到的。同时，解决人类未来能源的基本技术是受控热核反应，而实现这一点必须使用无损耗的超导磁体。因此人类的未来离不开超导电技术，及其相关技术的发展。超导电技术将会在越来越广阔的范围里造福人类，而且对高温超导电性机理的了解，将对凝聚态物理学的发展产生极为深远的影响。在本世纪超导电技术将会变得更为重要。超导材料应用前景57第57页，共82页，2023年，2月20日，星期一超导体的三个重要的物理参数实现超导必须具备一定的条件，如温度、磁场、电流都必须足够的低。超导态的三大临界条件：临界温度、临界电流和临界磁场，三者密切相关，相互制约。58第58页，共82页，2023年，2月20日，星期一临界温度临界温度(Tc):超导体电阻突然变为零的温度；MetalNbPbLaTaVHgSnInTc/K4.423.4MetalTlRhPrThAlGaMoZnTc/K1.71.6971.41.381.1751.10.9150.85MetalOsZrAmCdRuTiUHaTc/K0.660.610.60.5170.428MetalIrLuBeWPtRhTc/K0.11250.10.0260.01540.00190.00032559第59页，共82页，2023年，2月20日，星期一

CCs3C60MgB2Ba0.6K0.4BiO3Nb3GeNb3SiNb3SnNb3AlTc/K40393023.21918.118CV3SiTa3PbV3GaNb3GaV3InNb0.6Ti0.4Tc/K17.11716.814.513.99.8CHoNi2B2CFe3Re2GdMo6Se8CoLa3MnU6AuZn3Tc/K7.56.555.64.282.321.21临界温度(Tc):超导体电阻突然变为零的温度；临界温度60第60页，共82页，2023年，2月20日，星期一超导体无阻载流的能力是有限的，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(Ic)。

临界电流Ic(V)IV失超目前，常用电场描述Ic(V)，即当每厘米样品长度上出现电压为1V时所输送的电流。61第61页，共82页，2023年，2月20日，星期一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。正常态HHc(0)TcT超导态临界磁场经验公式：

Hc(T)=Hc(0)(1-T2/Tc2)62第62页，共82页，2023年，2月20日，星期一超导体的物理特性1、零电阻现象(ZeroResistance)T>Tc在超导环上加磁场

(b)T<Tc圆环转变为超导态(c)突然撤去外电场，超导环中产生持续电流(a)(b)(c)63第63页，共82页，2023年，2月20日，星期一NNS降温降温加场加场S注：S表示超导态N表示正常态迈斯纳效应又叫完全抗磁性，1933年迈斯纳发现，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。超导体的物理特性2、迈斯纳效应(Meissner)64第64页，共82页，2023年，2月20日，星期一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。65第65页，共82页，2023年，2月20日，星期一3、约瑟夫森(Josephson)效应超导体的物理特性当一个电子在势垒中运动时，电子可以借助真空，从真空吸收一个虚光子，使自己的能量增大而越过势垒，电子一旦越过势垒，便将虚光子送还给真空。同时，电子的能量也返回到原来的值，量子理论称它为隧道效应。(1)单电子隧道效应66第66页，共82页，2023年，2月20日，星期一(2)双电子隧道效应——Josephson效应

1962年，约瑟夫森(Josephson)提出，应有电子对通过超导-绝缘层-超导隧道元件，即一对电子成伴地从势垒中贯穿过去。电子对穿过势垒可以在零电压下进行，所以约瑟夫森效应与单电子隧道效应不同，可用实验对它们加以鉴别。零电压下的约瑟夫森效应又称直流约瑟夫森效应。此外还有交流约瑟夫森效应。它们具有共同的特点，都是双电子隧道效应。约瑟夫森(Josephson)效应67第67页，共82页，2023年，2月20日，星期一4、超导的微观机制——BCS理论超导体的物理特性1957年在伊利诺大学的B.D.Bardeen(巴丁)、L.N.Cooper(库柏)及J.R.Schrieffer(施里弗)为了正确解释超导现象，发表了著名且完整的超导微观理论(量子理论)，称为BCS理论。BCS理论是由美国物理学家巴丁、库珀和施里弗于1957年首先提出的，并以三位科学家姓名第一个大写字母命名这一理论。

68第68页，共82页，2023年，2月20日，星期一巴丁、库柏、施里弗

巴丁、库柏、施里弗获得了1972年诺贝尔物理奖。该理论成功地指明了电子通过交换虚声子而形成库柏对，定量地描述了能隙、热学和大多数电磁性质。69第69页，共82页，2023年，2月20日，星期一1、在一定温度下，金属中参与导电的电子结成库珀对，这是一个相变过程；2、库珀对电子凝聚在费密面附近；3、费密面以上将出现一个宽度为Δ的能隙。BCS理论的三个观点BCS理论预测临界温度：式中为德拜温度；U是声子-声子相互作用能；

N(EF)为费米面附近电子能态密度。70第70页，共82页，2023年，2月20日，星期一奇异超导1、插水钴氧化物超导体：NaxCoO2.yH2O2003年日本物质材料研究机构科学家发现NaxCoO2的奇异性质：1、离子导体，离子电池的材料；2、热电材料，热电势S很大；3、插水后出现超导电性；4、改变Na含量，甚至可以变绝缘体。71第71页，共82页，2023年，2月20日，星期一NaxCoO2—三角格子的钴氧平面准二维的体系，三角格子排列的钴氧平面为导电平面电子也有强关联的特性。72第72页，共82页，2023年，2月20日，星期一插水后的NaxCoO2.yH2O成为超导体2003年3月《Nature》报道了日本物质材料研究所合成了插水化合物超导体－Na0.35CoO2-1.3H2O，Tc＝4.7K引起了又一浪研究热潮。73第73页，共82页，2023年，2月20日，星期一Na0.5CoO2：电荷有序现象2003年底普林斯顿大学Ong和Cava研究组又报道了x=0.5时由于电荷有序化引起了金属-绝缘体相变。Phys.Rev.Lett.92,247001(2004).74第74页，共82页，2023年，2月20日，星