超導電性SuperconductivityPPT課件

1、9.1 超導電性的發(fā)現(xiàn)及超導體的基本性質(zhì)超導電性的發(fā)現(xiàn)及超導體的基本性質(zhì)一、零電阻現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)一、零電阻現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)l1908年荷蘭物理學家昂內(nèi)斯（K. Onnes）實現(xiàn)了氦的液化。l1911年昂內(nèi)斯在研究Hg的低溫電阻特性時，意外發(fā)現(xiàn)零電阻現(xiàn)象lFile等利用核磁共振方法測量超導螺線管內(nèi)的電流衰變，得出其衰變時間不小于10萬年超導零電阻現(xiàn)象被確認第1頁/共44頁二、邁斯納（二、邁斯納（MeissnerMeissner）效應）效應n 1933年Meissner和Ochsenfeld發(fā)現(xiàn)，無論是在磁場中降溫使樣品進入零電阻態(tài)，還是已經(jīng)是零電阻態(tài)的樣品移入磁場中，樣品中的磁感應強度均為零，即B0.-稱

2、為邁斯納效應邁斯納效應n 邁斯納效應說明超導體是完全抗磁體B-磁感應強度，M-磁化強度，H-磁場強度第2頁/共44頁u 邁斯納效應是超導體獨立于零電阻效應的物理現(xiàn)象對于零電阻導體而言：E0理想導體內(nèi)B的變化超導體內(nèi)B的變化第3頁/共44頁三、超導體的臨界參數(shù)三、超導體的臨界參數(shù)第4頁/共44頁9.2 9.2 超導電性研究歷史超導電性研究歷史第5頁/共44頁9.3 9.3 超導體的實驗研究超導體的實驗研究一、超導體晶體結構研究一、超導體晶體結構研究n 19101950：Bragg方程和Laue方程已經(jīng)廣泛應用，XRD晶體結構研究極為普遍n XRD衍射結果表明超導態(tài)與正常態(tài)的晶體結構完全相同n 超

3、導態(tài)是熱力學上的穩(wěn)定狀態(tài)第6頁/共44頁二、超導體比熱二、超導體比熱第7頁/共44頁三、超導體能隙的紅外吸收光譜研究三、超導體能隙的紅外吸收光譜研究n 超導能隙如果存在，即可用紅外吸收光譜表征第8頁/共44頁四、超導體熵四、超導體熵Sn超導態(tài)和正常態(tài)熵的比較第9頁/共44頁五、超導體的同位素效應五、超導體的同位素效應第10頁/共44頁9.4 9.4 超導轉(zhuǎn)變的熱力學分析超導轉(zhuǎn)變的熱力學分析一、超導體自由能一、超導體自由能n 如果將超導體看成是T,H 為強度量的熱力學體系，則超導體的摩爾自由能及其微分形式如下：n 溫度為T時：n 在H Hc（T）相變線上：第11頁/共44頁二、超導轉(zhuǎn)變的潛熱和比

4、熱變化二、超導轉(zhuǎn)變的潛熱和比熱變化第12頁/共44頁9.5 9.5 超導電性的唯象理論超導電性的唯象理論一、二流體模型一、二流體模型2. 正常電子濃度和超導電子濃度皆是溫度的函數(shù), 溫度大于TC 時，所有電子都是正常電子3. 超導電子是電子的一種有序狀態(tài)，其有序度可用下式表示：第13頁/共44頁二、倫敦理論二、倫敦理論1935年London 兄弟依據(jù)二流體模型提出的一種描述超導現(xiàn)象的唯象理論1. 零電阻特性如單位體積內(nèi)有nS個電子以速度vS運動，則超導電流密度JS為：第14頁/共44頁二、倫敦理論二、倫敦理論2. 邁斯納效應= 0第15頁/共44頁第16頁/共44頁三、金茲堡朗道理論三、金茲堡

5、朗道理論 雖然倫敦理論取得了偉大成功，但是在與實驗對比時，還存在差距。其基本原因是在倫敦理論中假定了超導電流的電子數(shù)nS只依賴于溫度。我們知道磁場可以對超導電性有很大影響。因而可以預期磁場能改變超導電子的數(shù)目，因而，nS一般來說不僅是溫度T的函數(shù)，而且也是磁場B 和空間位置r 的函數(shù)。 1950年，Gingzburg-Landau從超導態(tài)是比正常態(tài)更為有序的觀點出發(fā)，結合Landau的相變理論提出超導體的有序度可用超導電子的有效波函數(shù) 來描述。1. 1. 無磁場時，超導體的無磁場時，超導體的G G- -L L自由能自由能 ( r ) 為 有 序 度 參 量 ， 正 常 相(r)=0；有序相的超

6、導相(r)0，且| (r) |2標志了有序的程度。第17頁/共44頁第18頁/共44頁1. 無磁場時，超導體的無磁場時，超導體的G-L自由能自由能第19頁/共44頁第20頁/共44頁第21頁/共44頁第22頁/共44頁第23頁/共44頁9.6 9.6 超導電性的微觀理論圖象超導電性的微觀理論圖象第24頁/共44頁一、電子聲子如何相互作用？一、電子聲子如何相互作用？-庫柏（庫柏（Cooper）對的形成）對的形成第25頁/共44頁何種電子可以形成庫柏對？何種電子可以形成庫柏對？泡利不相容原理通過交換聲子形成庫柏對的電子只能位于費米球以外聲子的能量決定k的大小第26頁/共44頁何種電子最易形成庫柏對

7、？何種電子最易形成庫柏對？第27頁/共44頁二、超導能隙是如何形成的？二、超導能隙是如何形成的？n 盡管電子之間的相互作用是排斥的，但是由于庫柏對借助聲子交換形成，具有凈的的相互吸引，所以能量是負的；n 庫柏對一旦形成，體系能量就下降，而且固體中的庫柏對越多，體系的能量愈低；n 拆散一個庫柏對需要一個最低能量，所以超導態(tài)和正常態(tài)存在能隙；n 由于溫度越高庫柏對越易拆散，能隙是溫度的函數(shù)，溫度越高，能隙越小，當TTC 時，能隙為零。第28頁/共44頁三、如何基于庫柏對的概念描述超導電性？三、如何基于庫柏對的概念描述超導電性？n 當超導體為非載流狀態(tài)時，無論是庫柏對還是正常態(tài)電子在動量空間分布是均

8、勻的，沒有擇優(yōu)方向，所以無電流存在；n 在載流情況下，庫柏對的質(zhì)心動量不為零，所有庫柏對都獲得了一個大小相等的質(zhì)心動量；n 聲子對庫柏對中電子的散射只是將一個庫柏對變成了另一個庫柏對，并改變庫柏對的整體動量，所以載流庫柏對所產(chǎn)生的電流是無電阻的；n 拆散一個庫柏對需要一個最低能量，所以較小的電流密度的能量不足以拆散庫柏對。第29頁/共44頁9.7 9.7 高溫超導體簡介高溫超導體簡介高溫氧化物超導體(Tc77K)第30頁/共44頁高溫氧化物超導體的結構特點： 具有層狀鈣鈦礦型結構 晶格結構中存在Cu-O 層面高溫超導體的導電平面 氧含量和分布對性能有重要影響第31頁/共44頁高溫氧化物超導體的

9、反常特性（1） 電阻率的溫度特性：線性關系（2） 霍爾系數(shù)的溫度特性：隨溫度上升而單調(diào)下降（3） 光電導的反常特性（4） 超導能隙的各向異性（5） 電子電子關聯(lián)性（6） 臨界磁場高，相干長度卻很短第32頁/共44頁高溫超導材料的制備第33頁/共44頁9.8 9.8 超導電性的應用舉例超導電性的應用舉例超導體圓環(huán)置于磁場中，降溫至材料臨界溫度以下，撤去磁場，由于電磁感應，圓環(huán)中有感生電流產(chǎn)生。只要溫度保持在臨界溫度以下，電流便會持續(xù)。大尺度、強磁場、低消耗1、超導磁體2、超導電纜3、超導儲能電能在零電阻輸送，完全沒有損耗第34頁/共44頁第35頁/共44頁第36頁/共44頁第37頁/共44頁3.

10、 3. 超導磁懸浮列車超導磁懸浮列車利用超導磁體產(chǎn)生的強磁場，列車運行時與布置在地面上的線圈相互作用，產(chǎn)生電動斥力的原理將列車懸起，懸浮的氣隙較大，一般為100 mm 100 mm 左右。時速可達每小時500500公里以上。常導型：超導型：利用普通直流電磁鐵電磁吸力的原理將列車懸起，懸浮的氣力的原理將列車懸起，懸浮的氣隙小，一般為10 mm 10 mm 左右。時速可達每小時400-500 400-500 公里。第38頁/共44頁日本研制的磁懸浮列車日本研制的磁懸浮列車1972年， 日本， 第一輛超導磁懸浮原理車1979年, 日本, 時速504公里1999年4月， 日本， 時速552公里第39頁/共44頁中國研制的高溫超導磁懸浮實驗車中國研制的高溫超導磁懸浮實驗車第40頁/共44頁上海磁浮列車上海磁浮列車第41頁/共44頁高溫超導實用化高溫超導實用化 誘人前景誘人前景第42頁/共44頁If winter comes , can