超导物理研究及其研究进展PPT课件.ppt

1、超导物理概论及高温超导体的研究进展与现状,余亚斌,1,一、超导电性的研究历史与近年来的进展,二、超导电性的应用,2,1. 超导体零电阻现象的发现 1908年,Onnes 在4.125k,1个大气压下液化了He.1911年,他又在Hg样品中首次发现了超导电现象.,一、超导电性的研究历史与近年来的进展,3,汞的电阻在4.2K附近消失,4,Onnes。 第一位超导领域的诺贝尔奖,5,2. 超导体完全抗磁性的发现,迈斯纳和奥克森费尔特于1933年发现超导体具有完全抗磁性，即 “迈斯纳”效应。迈斯纳效应的发现使人们认识到超导体的抗磁性有别于完全导体的“抗磁性”，它是一个独立于零电阻之外的超导体基本性质。

2、在此之后人们才比较全面地了解了超导体的基本性质。,6,瓦尔特迈斯纳,7,迈斯纳效应示意图,小磁体悬浮在超导体上。,8,完全抗磁性,球体,置于外磁场中的超导体会表现出完全抗磁性，即超导体内部磁感应强度恒为零的现象称为“迈斯纳效应”,9,9,超导体,142 kg,10,10,磁悬浮列车,11,11,12,12,13,13,14,14,Meissner Effect,Ideal Conductor,Superconductor,Magnetic levitation,“Flux frozen”,15,15,16,2008-9-11,16,17,2008-9-11,17,3.超导体电动力学的建立,伦敦

3、兄弟于1935年提出的伦敦方程是第一个对超导体的电动力学作统一描述的理论。该理论不仅说明了超导体的各种电磁性质，而且也解释了前述的迈斯纳效应。该理论指出：在超导态，处于外磁场中的超导体内并不是完全没有磁场，实际上外磁场可以穿透到超导体表面附近很薄的一层中，其穿透深度约为十万分之一厘米。,18,磁场在超导体表面的穿透深度,Meissner Effect,19,4.京兹堡朗道（G-L)理论的建立,1950年，当时只有34岁的京茨堡和前苏联另一位著名的物理学家朗道一同提出了一个描述超导体特性的理论。这个理论是在朗道二级相变理论基础上建立的，可以准确地预测诸如超导体能负荷的最大电流等特性。但该理论属于

4、超导电性的唯象理论。,20,在最初发现超导体之后很多年，人们才知道世界上存在不止一种类型的超导体。那种不允许磁场穿过的，是第一类超导体。而阿布里科索夫在1953年的研究表明，还存在第二类超导体，这种超导体允许磁场穿过。,21,第一类超导体,在超导态是理想的 抗磁体 (Meissner态)。 HC：临界磁场 当HHC, 转变为正常态,HC,TC,H,T,超导态 完全抗磁性,正常态,0,22,*超导体的分类,22,一些元素的超导临界温度,Pb 7.2 K La 4.9 K Ta 4.47 K Hg 4.15 K Sn 3.72 K In 3.40 K Tl 1.70 K Rh 1.697 K Pr

5、 1.4 K Th 1.38 K Al 1.175 K Ga 1.10 K Ga 1.083 K Mo 0.915 K Zn 0.85 K Os 0.66 K,Zr 0.61 K Am 0.6 K Cd 0.517 K Ru 0.49 K Ti 0.40 K U 0.20 K Ha 0.128 K Ir 0.1125 K Lu 0.1 K Be 0.026 K W 0.0154 K Pt 0.0019 K Rh 0.000325 K,23,23,已知的超导元素,24,24,第II类超导体 两个临界磁场 HC1、 HC2 HHc1 Meissner态，完全抗磁通 B=0 Hc1 H Hc2 混合

6、态，磁通格子态 磁通量子、磁通钉扎、流动、蠕动。 HHc2 正常态 理想第II类超导体、非理想第II类超导体,25,25,第二类超导体相图,Meissner态,混合态,正常态,HC1,当 HC1HHC2, 处于混合态，磁通部分 穿透进超导体， 抗磁性不完全。 在混合态的磁通线 有规律地排列成 三角或四方格子， 称为磁通格子。,HC2,T,H,26,26,混合态,1957年，苏联物理学家阿布里科索夫提出存在第二类超导体，其主要特点是存在下临界磁场Hc1和上临界磁场Hc2。 当材料处于H Hc2, 变成正常态.,II类超导体磁通穿透,27,27,合金及化合物超导体,Cs3C60 40 K (Hig

7、hest-Tc Fulleride) MgB2 39 K (Highest Tc Non-Fullerene Alloy) Ba0.6K0.4BiO3 30 K (First 4th order phase) Nb3Ge 23.2K Nb3Si 19K Nb3Sn 18.1K Nb3Al 18K V3Si 17.1K Ta3Pb 17K V3Ga 16.8K Nb3Ga 14.5K V3In 13.9K,Nb0.6Ti0.4 9.8 K (First superconductive wire) Nb 9.25K Tc 7.80K V 5.40 K Note: These 3 are the o

8、nly elemental Type 2 superconductors. HoNi2B2C 7.5 K (Borocarbide) Fe3Re2 6.55K GdMo6Se8 5.6K (Chevrel) CoLa3 4.28K MnU6 2.32K (Heavy Fermion) AuZn3 1.21K,28,1957年阿布里科索夫进一步求解G-L方程，从而预见了第二类超导体混合态的磁通结构。经过近十年的发展，逐步形成了具有微观理论基础的GLAG理论。其中，最后一个G代表戈尔柯夫（Gorkov），是他G-L方程可有微观理论导出，并给出G-L理论的有效适用条件,29,2003年10月，诺贝尔

9、奖评委会将该年度的物理学奖授予了京茨堡、阿布里科索夫和莱格特三人。 京茨堡说：“很久以前我就忘了这回事。”,30,1962年，朗道因为对液氦超流动性的研究而获得诺贝尔物理学奖。 当时，人们发现能产生超流动现象的是氦4（氦的一种同位素），而氦3不会产生这种现象。后来发现事实并非如此。当时还在英格兰苏塞克斯大学的莱格特对这一奇特的现象作出了精彩的解释。,31,莱格特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。,32,岁月流逝，获奖时今京茨堡已届90多岁高龄，阿布里科索夫快80岁了，而莱格特也有近70岁了。1980年代末，阿布里科索

10、夫移民到美国，在阿贡国家实验室继续他的科学生涯，京茨堡一直在莫斯科，莱格特则来到了伊利诺伊大学，至今还活跃在超流动研究领域。,33,维塔利京茨堡（VitalyL.Ginzburg）,34,阿列克谢阿布里科索夫（AlexeiA.Abrikosov）,35,安东尼莱格特（AnthonyJ.Leggett）,36,5.超导微观理论的建立,从微观机制上去理解超导电性是在1957年由约翰巴丁（Bardeen） 、里昂库珀（Cooper）和罗伯特施里弗（Schrieffer）提出BCS理论后。该理论模型基于量子力学理论，其主要观点是：在超导体内部，由于电子和点阵之间的相互作用，在电子与电子之间产生了吸引力

11、，这种吸引力使传导电子两两结成电子对，组成每个电子对的两个电子动量相等、自旋方向相反，这种电子对称为库珀电子对或超导电子。,37,Bardeen,Schrieffer,Cooper,BCS理论,38,BCS理论,库珀电子对的能量低于两个正常电子的能量之和，因而超导态的能量低于正常态。在绝对零度时，全部电子都结成库珀电子对，都是超导电子，随着温度的升高，库珀电子对就不断地被拆散并转变为正常电子，而且拆散一个库珀电子对变得更容易，在温度达到临界温度以上时，库珀电子就全部被拆散，所有电子都是正常电子。由于该杰出的理论成果，他们三人分享了1972年的诺贝尔物理学奖。,39,同位素效应,M 晶格的离子质

12、量 晶格振动频率 (Debye温度) D M 晶格振动频率 Tc ,电-声子相互作用的重要性 Frohlich 提出一个基于 电-声子相互作用的超导理论,但是解释不了Meissner效应.,40,40,超导能隙,电子比热测量：Ces exp(-/kBT) 证明超导基态与准粒子激发之间存在能隙 比热实验给出: 2 3 kTc 微波吸收实验: 发现 f 1013 Hz, 表面阻抗 R RN (T 0 K) f 0 开始强烈吸收电磁波(微波或者红外频谱),41,41,从超导基态产生一个在 k 态的单激发准粒子的激发能：,42,超导基态中电子分布,43,6.约瑟夫森效应的发现,1962年英国物理学家约

13、瑟夫森在研究超导电性的量子特性时提出了量子隧道效应理论，也就是今天人们所说的约瑟夫森效应。,1973年诺贝尔物理学奖一半授予美国纽约州约克城高地（Yorktown Heights）IBM瓦森研究中心的江崎玲於奈（Leo Esaki，1925），美国纽约州斯琴奈克塔迪（Schenectady）通用电器公司的贾埃沃（Ivar Giaever，1929），以表彰他们分别在有关半导体和超导体中的隧道现象的实验发现；另一半授予英国剑桥大学的约瑟夫森（Brian Josephson，1940），以表彰他对穿过隧道壁垒的超导电流所作的理论预言，特别是关于普遍称为约瑟夫森效应的那些现象。,44,Josephs

14、on(约瑟夫森)效应,F0=2x10-7Gauss/cm2,45,45,超导量子干涉仪 (SQUID),F0=2x10-7Gauss/cm2,46,46,该理论认为：电子对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，将产生直流超导电流，而在势垒两边有一定电压时，还会产生特定频率的交流超导电流。在该理论的基础上诞生了一门新的学科-超导电子学。,D. Josephson, Phys. Lett. 1,251 (1962); Adv, Phys. 14,419 (1965),47,Josephson Effect,1973 Nobel Prize for Physics,Completed

15、 the great work as a postgraduate!,48,48,Superconducting quantum interference device (SQUID),Threshold for SQUID: 10-14 T Magnetic field of heart:10-10 T Magnetic field of brain: 10-13 T,49,49,1986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效应的发现 1911-1932年间, 以研究元素的超导电性。Hg、Pb、Sn、In、Ta. 1932

16、-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，Nb3Ge Tc23.2K 其中1957年提出了BCS理论 (1972年诺贝尔物理奖) 1962年发现了Josephson效应 (1973年诺贝尔物理奖),50,50,1973-1986年,超导临界温度的提高，停滞不前。 Tc=23.2K Nb3Ge (1973年发现) 非常规超导体研究得到了蓬勃发展 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

17、体 超晶格超导体 有机超导体,51,51,7. 高温氧化物超导体的发现,1986年缪勒和柏诺兹发现了一种成分为钡、镧、铜、氧的陶瓷性金属氧化物LaBaCuO4，其临界温度约为35K。由于陶瓷性金属氧化物一般来说是绝缘物质，因此这个发现意义非常重大，他们获得了1987年的诺贝尔物理学奖。,52,1987年在超导材料的探索中又有新的突破，美国休斯顿大学物理学家朱经武小组与中国科学院物理研究所赵忠贤等人先后宣布制成临界温度约为92K的超导材料YBCO。1988年初，日本宣布制成临界温度达110K的Bi-Sr-Ca-Cu-O超导体。至此，人们终于实现了液氮温区超导体的梦想，实现了科学史上的重大突破。这

18、类超导体由于其临界温度在液氮温度（77K）以上，因此被称为高温超导体。,53,1986年 Mller 和 Bednorz 发现高温超导体,54,1987 Nobel Prize for Physics,1986.1 La2-xBaxCuO4 35K 1987.2 YBa2Cu3O7 90K 1988.1 Bi-Sr-Ca-Cu-O 80K,110K 1988.3 Tl-Ba-Ca-Cu-O 130K 1992 Hg-Ba-Ca-Cu-O 135K (几万个大气压 165K),54,Discovery of HTSC,Bednorz and Muller, Z. Physik B64, 189,

19、 (1986),2008-9-11,55,55,YBaCuO的超导体微观结构,56,57,缪勒、柏诺兹、朱经武和赵忠贤,58,高温超导体难以用BCS理论解释,超导转变温度Tc大大超出BCS理论极限40K; 正常态非常反常（T Tc) 不符合通常金属的理论郎道费米液体理论 高温超导体是强关联电子体系 超导能隙具有强的各向异性 d波对称性 奇怪的同位素效应： BCS理论给出： Tc M-, =0.5, M为同位素质量 高温超导体： 0,59,59,高温超导体的结构,在结构上看,是类钙钛矿结构, 铜和氧在ab方向上形成了CuO2平面, 层状结构特性. CuO2平面是导电平面,是主要的.电子特性具有准

20、二维特性. 有人说: 只要有CuO2平面和可移动的载流子,就必定是个超导体,YBa2Cu3O7 结构,Y,Ba,CuO面,CuO链,60,60,高温超导体是II类超导体,La系：La2-xXxCuO4 (X=Ca, Sr, Ba) (也称214相) Y系：YBa2Cu3O7 (也称123相)，Y可用其它稀土元素替代。 稀土元素：(Sc), Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu。 除Ce、Pr、Pm等以外，都能形成 90K超导体。 Bi系：有Bi 2201、2212、2223等系列。 Tl系：有 Tl 2201

21、、2212、2223系列 和 Tl 1201、1212、1223等系列。 。 Hg系：有 Hg 1201、1212、1223等系列。 其它，如 (Sr,Ca)CuO2 等。,61,61,Common structure model of HTSC,62,62,63,63,Electronic Phase Diagram of HTSC,2008-9-11,64,64,Superconducting Gap Functions,s-wave gap,d-wave gap,65,65,赝能隙现象与预超导配对,传统超导体 Cooper对的出现与建立相干性同步完成.,一般单电子,高温超导体,Tc,一般

22、单电子,Cooper Pairs Bose-Einstein Condensation,T*,Tc,涨落的Cooper对,相干的Cooper对： BEC,66,66,67,67,8 Fe基超导体LnO1-xFxFeAs,Discovery of the Fe and Ni based superconductors in 2006 * LaOFeP (Tc 5 K): Kamihara, Y. et al., J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 10012. * LaONiP (Tc 3 K) Watanabe, T. et al., Inorg. Chem. 2007,

23、 46, 7719,68,68,铁基“高温”超导,2008年2月23日，日本科学技术振兴机构和东京工业大学联合发布公报称，东京工业大学教授细野秀雄的研究小组合成了氟掺杂镧氧铁砷化合物 。该化合物是一种由绝缘的氧化镧层和导电的砷铁层交错层叠而成的结晶化合物。纯粹的这种物质没有超导性能，但如果把化合物中的一部分氧离子被氟离子取代，它就开始表现出超导性，并且在26K（零下247摄氏度）时具有超导特性。,69,LaO1-xFxFeAs, Tc = 26 K,Y. Kamihara, Tokyo Institute of Technology J. Am. Chem. Soc., ASAP Articl

24、e, 10.1021/ja800073m S0002-863(80)00073-X Web Release Date: February 23, 2008,70,70,中国的小组迅速跟进！,2008-3-3：物理所王楠林组宣布 合成 Tc= 26 K 的La1-xFxFeAs 给出超导的 基本性质， Hc2(0) 60 T 2008-3-6: 物理所闻海虎组也宣布成功 ！ 接下来： 科大的小组：Sm1-xFxFeAs, Tc = 41 K; 物理所： Pr1-xFxFeAs, Tc = 52 K Nd1-xFxFeAs, Tc = 51 K Ce1-xFxFeAs, Tc = 42 K,71,

25、71,科学杂志评述：新超导将中国物理学家推到最前沿,4月25日，科学杂志在凝聚态物理专栏以“新超导将中国物理学家推到最前沿”为题，就中国物理学家在铁基新超导研究方面的重要贡献发表评述。 文中提到，美国普林斯顿大学的理论物理学家、诺贝尔物理学奖获得者Philip Anderson指出：“如果新超导体的工作机制与旧的不一样，那么其意义可能更加重大。如果它真的一种全新的机制，上帝才知道它将会走到何处”.,72,72,Zhejiang Univs work.,28 April,Tc = 56.5 K,73,73,New High-Tc Superconductors,LaFeAsO, 1111, 56

26、 K,BaFe2As2, 122, 38 K,74,75,Building Blocks,76,Mechanism of HTSC?,揭示高温超导机理 = 诺贝尔物理学奖 发现室温超导体= 诺贝尔物理学奖,2008-9-11,77,77,Nobel Prizes in the area of SUPERCONDUCTIVITY,1911 Discovery of superconductivity 1950-1957: GLAG Theory 1957 BCS Theory 1962 Josephson Effect 1986 A. Mller and G. Bednorz: discover

27、y of HTSC ?,2008-9-11,78,78,超导体的应用,1. 超导强电应用 物理基础: （1） r=0 (无焦尔热损耗) 2）(Tc，Jc, Hc2)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,79,79,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。,美国Janis公司的14T超导磁体,80,超导磁体,80,超导悬浮高速列车,时速达500km/hr

28、s， 安全、稳定， 为下一代的交通工具.,81,81,Yamanashi Maglev Test Line日本山梨试验线,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 581 km/h 的世界记录.,82,82,日本磁浮列车MagLev的原理,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 5 Tesla的强磁场. 超导线圈与导轨上的铜线圈之间的距离只有 8 cm.,83,83,导轨线圈,导轨上有3套常规的铜线圈, 分别用于浮力, 推进力, 和侧面

29、稳定.,84,84,MLU002N 于1993年建成，最高载人时速411公里/小时。,85,85,高温超导磁悬浮实验车 “世纪号”,“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.,86,86,超导贮能装置,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.,87,87,超导核磁共振成像,目前都采用 超导磁体, 提高分辨率. 液氦 冷却! 零下 26

30、9 度.,88,88,美国Fermi实验室超导对撞机,89,89,传统电缆由于有电阻，电流密度只有 300400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。,90,电力输送的新星超导电缆,90,高温超导电缆,北京云电英纳超导电缆有限公司,91,91,人造小太阳: 超导托卡-马克核聚变实验装置 (EAST),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

31、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.,92,92,国际热核试验堆（ITER）计划,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、 (加) 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,2006年11月21日,法国巴黎总统府爱丽舍宫,93,93,超导变压器,1. 不存在常

32、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。专家预计，超导变压器可望在5-10年内实现产业化 .,94,94,其它强电应用,超导电机 超导故障限流器 超导贮能 超导电磁推进装置,95,95,超导舰艇电磁推进装置,超导体的强电应用: 超导线圈产生强磁场 原理: 利用磁场对电流的作用洛伦兹力 F = I B,B,I,F,96,电磁推进器的原理,牛顿第3定律: 作用力与反作用力大小相等,方向相反,B,I,F,97,电磁推进的优点,取代了传统螺旋桨、轴系、减速齿轮机结构，极大地降低了噪声； 推进器的磁体、电极等相对静止的固定装置，不受旋转机械极限功率的限制，可制造超大功率的高速舰船，理论航行速度可达 100 节； 操船简便灵活，改变电极电流的方向和大小就可以改变船推力的方向及大小； 布局灵活，没有贯穿大半船体的传动轴系，可充分利用舱室攻坚，可兼作水下电磁发射（鱼雷和导弹），没有了气动发射的巨大噪声，省去传统的气动发射装置。,98,试验船 “大和1号”,日本造船振兴财团 1985年成立“超导电磁推进船开发研究委员会” 1989开始研制,1