第二讲 超导.ppt

1、超导电性,概述 超导的基本特征 London理论 Ginzburg-Landau理论 超导态微观图像（BCS理论） 第二类超导体 隧道效应,Kamerlingh-Onnes,John Bardeen,Leon North Cooper,John Robert Schrieffer,Ivar Giaever,Brian David Josephson,Karl A. Muller,Alexei Abrikosov,J. Georg Bednorz,Vitaly Ginzburg,Anthony Leggett,Fig. 1,原始定义,Superconducting state Normal st

2、ate Superconductivity Critical temperature (Tc) superconductor,按照材料原始特性分类,金属、合金和化合物：目前制备实用超导磁体的材料 重费米子超导体：Tc很低，虽无实用价值，但对基础研究重要 (重费米子金属 heavy fermion metals：CeCu2Si2, UB13, CeAl3, CeCu6) 高温超导体：主要是原胞中有CuO2层的层状材料 有机超导体,Fig. 2,Fig. 3,应用,强电应用： 利用零电阻性，荷载高电流密度，制作超导强磁体，超导电机 弱电应用： 利用超导体的特殊物理效应，可用作电压标准，各种检测器件

3、，计算机元件提高运算速度，医用心磁、脑磁的测量,超导的基本特征,零电阻性 完全抗磁性 超导转变与热力学 二流体模型 超导的磁通量子化,Fig. 4,Fig. 5,Fig. 6,Fig. 7,London 理论,介绍超导态的电磁学唯象理论：既符合Maxwell的电磁场理论，又能描述Meissner效应 London方程 宏观量子现象,Fig. 8,Fig. 9,Fig. 10,Fig. 11,Fig. 12,Ginzburg-Landau 理论,1950年，V. L. Ginzburg, L. D. Landau 序参量可以是一个复变量，而不一定是前人采用的实变量。 决定(r)的方程不是薛定谔方

4、程，而是由热力学平衡条件满足系统自由能取最小值所建立的新方程。 考虑到ns不仅是温度的函数，而且是空间位置和磁场的函数，可以解释更多的实验现象,GLAG,1957年，A. A. Abrikosov详细解出新方程，提出超导体按照磁性可以分为两类 1959年，L. P. Gorkov从超导微观理论出发得出G-L方程,Ginzburg-Landau 理论,Ginzburg-Landau 方程 相干长度 不足之处,Ginzburg-Landau方程,也可以像London方程一样解释磁通量子化现象 只适用于Tc附近，可以定性的用于更低温度 不足之处 不含时间，只能处理有序度参量不随时间改变的现象 给出的

5、结果不能定量的用于比Tc低很多的温度,朗道十诫,量子力学中的密度矩阵和统计物理学（1927年）； 自由电子的抗磁性量子理论（1930年）； 二级相变的研究（19361937年）； 铁磁性的磁畴理论和反铁磁性的理论解释（1935年）； 超导体的混合态理论（1934年）； 原子核的几率理论（1937年）； 氦超流性的量子理论（19401941年）； 基本粒子的电荷约束理论（1954年）； 费米液体的量子理论（1956年）； 弱相互作用的CP不变性（1957年）。,超导态微观图像,BCS理论： 金属的超导型是在低温下传导电子出于某种高度有序能量最低态超导基态，它与最低激发态之间存在一个能隙，kBTc

6、量级。 可以解释临界磁场，临界温度，比热，Meissner效应，磁通量子化，无阻电流等诸多特性，其预言的一些新现象，日后被实验所证实。 BCS的物理机制： 经由声子作为媒介引起电子之间有吸引相互作用，电子先结成cooper对，再协同凝聚成超导基态。,同位素效应,理论 电子-声子相互作用在低温下使一些金属变为超导体。 预言：Tc与金属原子质量的平方根成反比。 实验 电子间通过晶格振动引起间接相互作用的模型 电子气屏蔽改变电子库仑作用,Fig. 13,Cooper pair,正常态：电子形成费米球的分布 超导态：低能量的，i.e. 在费米球内的电子与正常态一样。在费米面附近的电子，在交换虚声子所引

7、起的吸引力下，按相反的动量和自旋两两结合成电子时，这种电子对称为Cooper pair.,Fig. 14,Fig. 15,Fig. 16,Fig. 17,Fig. 18,Fig. 19,Fig. 20,Fig. 21,Fig. 22,Fig. 23,|,Fig. 24,Fig. 25,Josephson effect,1962年， B. D. Josephson的理论分析： Cooper pair 也会有隧穿效应，呈现超导电流的量子干涉现象 条件：SIS结中绝缘层很薄，只有1 nm,直流Josephson effect,两端V=0时，存在很小的超导电流，i.e. 超导电子对的隧道电流。其临界电

8、流密度Jc的值依赖于磁场,交流Josephson effect,当直流电压V 0 时，仍有超导电子对的隧道电流，但其是一个交变的超导电流。 外加一个频率为1的交变电磁场会对结内的交变电流进行频率调制，产生直流分量，在I-V 特性曲线上会出现一系列的台阶。,Fig. 26,Fig. 27,Fig. 28,Fig. 29,Fig. 30,Fig. 31,Fig. 32,Fig. 33,Fig. 34,FE simulations spectrum of eigenmodes,Disadvantage: maximum strain at clamping position ! Q -1support 10-5,strain,Principle of inductive readout,Flux transformer,Niobium ( Tc 9 K ),Double