第八講超導材料

第七章超導材料7.1超導材料的發(fā)展簡史荷蘭：卡末林·昂內(nèi)斯(KamerlinghOnnes，1853-1926)1908年液化了地球上，最后一種“永久氣體-氦氣”，且獲得了接近絕對零度的低溫：4.25K～1.15K。它標志著所有物質(zhì)都可以存在于氣液固的狀態(tài)。1911年他用液氦將水銀冷凝成固態(tài)導線（-40℃），并將溫度降低到－269℃（4.2K）左右時，水銀導線電阻突然完全消失，首次發(fā)現(xiàn)了超導體的零電阻。昂內(nèi)斯獲1913年諾貝爾物理學獎持久電流實驗鉛線圈NS把一個鉛制圓圈放入杜瓦瓶中，瓶外放一磁鐵，然后把液氦倒入杜瓦瓶中使鉛冷卻成為超導體，最后將瓶外磁鐵突然撤除，鉛圈內(nèi)便會產(chǎn)生感應電流，并且此電流將持續(xù)流動下去，最長持續(xù)時間達二年半，還沒有電流衰減現(xiàn)象，撤液氦，實驗終止。1933年德國物理學家邁斯納等發(fā)現(xiàn)：在超導態(tài)下，超導體內(nèi)部的磁場強度H總為零，即具有完全抗磁性，這種現(xiàn)象就稱為邁斯納效應。這就是所謂的I型超導體，主要是金屬超導體。完全抗磁性的原因常規(guī)導體NorthSouth超導體NorthSouth外加磁場使超導體表面產(chǎn)生感應電流，該電流在超導體表面產(chǎn)生相反磁場，與外磁場抵消，使超導體內(nèi)部磁場為零。蘇聯(lián)科學家阿布里科索夫在1953年發(fā)現(xiàn)：另一種稱II型超導體，主要是合金和陶瓷超導體，它允許磁場通過。今天幾乎所有產(chǎn)生強大磁場的超導磁鐵都是由第二類超導體制造的。如果沒有強大的磁場，就沒有磁共振成像技術。2003年獲諾貝爾物理獎1950年蘇聯(lián)的京茨堡(34歲)和朗道提出：描述超導體特性的理論，描述了磁場中的超導材料進入超導態(tài)的行為，可以準確地預測諸如超導體所能承載最大電流等等的特性。1962年，朗道因物質(zhì)凝聚態(tài)和超流超導現(xiàn)象的貢獻而獲諾貝爾物理學獎。超流動性在常人看來是非常奇異的現(xiàn)象：如果你把液氦注入一個敞口的容器，那么液氦會“自動地”溢出容器。萊格特：只用了不到三個星期，就對朗道“超流超導”現(xiàn)象給出物理解釋。萊格特卻和京茨堡一樣不太走運。1996年，諾貝爾物理學獎授予了當年康奈爾大學發(fā)現(xiàn)氦3超流動性的三個人，萊格特卻榜上無名。

阿布里科索夫(AlexeiA.Abrikosov)京茨堡(VitalyL.Ginzburg)萊格特(AnthonyJ.Leggett)共同獲2003年的諾貝爾物理學獎。阿布里科索夫京茨堡萊格特1957年美國人巴丁、庫柏和施里弗提出了BCS理論，微觀上解釋了超導機制。標志著現(xiàn)代超導電性理論階段的開始。1972年獲得了諾貝爾物理學獎（3人）

巴丁還因發(fā)明世界上第一支晶體管于1956獲諾貝爾物理學獎。巴丁（左）、庫珀、施里弗（右）1962年英國22歲的約瑟夫森根據(jù)“BCS”的理論預言，提出了“約瑟夫森效應”約瑟夫森則獲得1973(33歲)年度諾貝爾物理獎在薄絕緣層膜隔開兩種超導材料之間有電流通過，即“電子對”能穿過薄絕緣層(隧道效應)；同時還產(chǎn)生一些特殊的電磁現(xiàn)象，如電流通過薄絕緣層膜而無需加電壓，倘若加電壓，電流反而停止，產(chǎn)生高頻振蕩。這種超導物理現(xiàn)象稱為“約瑟夫森效應”。1973年同時獲諾貝爾獎的有三人：約瑟夫森因創(chuàng)立“超導電流通過勢壘的約瑟夫森”效應；日本科學家江崎嶺于奈因發(fā)現(xiàn)半導體中隧道效應，并發(fā)明隧道二極管；美國科學家賈埃沃因發(fā)現(xiàn)超導體的隧道結、單電子隧道效應而共同獲得諾貝爾物理學獎。60年代開始轉向對超導新材料的開發(fā)1973年，人們發(fā)現(xiàn)了超導合金――鈮鍺合金，其臨界超導溫度為23.2K，該記錄保持了13年。目標：開發(fā)高臨界溫度的超導體材料，為超導體的大規(guī)模應用創(chuàng)造條件。美國IBM公司瑞士實驗室，德國物理學家柏諾茲和瑞士物理學家繆勒從1983年開始，集中力量研究稀土氧化物元素的超導電性。1986年他們終于發(fā)現(xiàn)一種氧化物材料（鑭-鋇-銅-氧LaBaCuO）具有35K高溫超導性，打破傳統(tǒng)“氧化物陶瓷是絕緣體”的觀念。此后每隔幾天就有新超導材料誕生。柏諾茲和繆勒獲1987年諾貝爾物理獎。這一發(fā)現(xiàn)導致超導研究的重大突破。1986年底，美國貝爾實驗室研究“氧化物超導材料”，超導臨界溫度達40K，跨越液氫“溫度壁壘(40K)”

。1987年2月，美國華裔科學家朱經(jīng)武和中國科學家趙忠賢相繼在釔-鋇-銅-氧系的材料上，把超導臨界溫度提高到90K以上，液氮禁區(qū)(77K)也奇跡般地被突破。1987年底，鉈-鋇-鈣-銅-氧系材料又把臨界超導溫度記錄提高到125K.從1986－1987年，短短一年多的時間里，臨界超導溫度竟然提高了100K以上，在材料發(fā)展史，乃至科技發(fā)展史上都堪稱一大奇跡！超導臨界溫度提高情況：公認最高Tc=138K;還沒有尋找到充分地理論解釋；在不到100年歷史中，有關超導和超流體的研究，已有16位諾貝爾獎的獲得者。2001年發(fā)現(xiàn)MgB2作為廉價超導開發(fā)：Tc=39K比金屬化合物的最高Tc=23K提高了16K2005年美國科學雜志列出：未解決的125個科學問題38、是否有解釋所有相關電子系統(tǒng)的統(tǒng)一理論？

高溫超導體和帶有巨磁致電阻效應的材料，其性質(zhì)都是由電子的集體行為而不是單個電子的行為決定的。目前仍然沒有一個通用的理論體系來理解這些相關的電子系統(tǒng)。42、高溫超導特性背后的電子成對機制是什么？在超導體中的電子是成對運動的。在二十年的努力研究之后，仍然沒有人知道是什么使得電子在結構復雜的高溫超導材料中被約束在一起。哥德爾不完備性定理：如果一個形式理論T足以容納數(shù)論并且無矛盾，則T必定是不完備的。也就是說，存在著有意義的陳述從屬于這些系統(tǒng)，卻不能在系統(tǒng)內(nèi)部得出證明。然而非形式的論證可以證明其正確性。勒文海姆-斯科倫定理證實：對于一個給定的公理系統(tǒng)，可以存在完全不同的解釋或模型，而這無須加入任何新的公理。當然必須先得出該公理系統(tǒng)是不完備的；否則的話，完全不同的解釋是不可能的。而且為了不被所有的解釋所共同包容，關于某個解釋的一些有意義陳述也必定是不可判定的。7.2超導材料的應用大致可分為三類：1、大電流應用（強電應用）：穩(wěn)定電網(wǎng)的設備-超導限流器和變壓器，磁體和儲能系統(tǒng)，以及大電流運輸；2、電子學應用（弱電應用）：微弱信號探測，心磁和腦磁分部(約瑟夫森效應）3、抗磁性應用：磁懸浮列車和熱核聚變反應堆在高溫超導體出現(xiàn)之前，在液氦溫度下使用的低溫超導材料已實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。以NbTi、Nb3Sn為代表的實用超導材料在核磁共振人體成像、超導磁體及大型加速器磁體等多個領域獲得了應用。磁懸浮列車

目前，美國正研制地下真空隧道的磁懸浮超音速列車。這種神奇“行星列車”，設計最高時速為2.25萬公里，是音速的20多倍。它橫穿美國大陸只需21分鐘，而噴氣式客機則需5小時。根據(jù)吸引和排斥原理，磁懸浮列車有兩個發(fā)展方向：德國：常規(guī)磁鐵吸引式懸浮系統(tǒng)－－EMS系統(tǒng)，利用常規(guī)電磁鐵與一般鐵性物質(zhì)相吸引作用，把列車吸引上來，懸空約為10毫米左右。時速400-500公里/小時；日本：排斥式懸浮系統(tǒng)－－EDS系統(tǒng)，使用超導磁懸浮原理，使車輪和鋼軌之間產(chǎn)生排斥力，列車懸空運行，懸浮氣隙約100毫米左右，時速達500公里/h以上。

(a)常導磁吸型；

(b)超導磁斥型

視頻：1、磁懸浮列車發(fā)明人（0:30~2:40)2、磁懸浮列車原理超導(1:37)2000年12月31日，世界上第一輛載人“高溫超導磁懸浮實驗車”在西南交通大學誕生。該車全部采用國產(chǎn)熔融織構法制備的YBaCuO高溫超導體塊材，研制成功的液氮低溫容器工作時間大于6小時。2005年5月14日—20日首屆成都科技節(jié)上，世界首輛載人高溫超導磁懸浮實驗車亮相紅星路。在裝入三大瓶液氮后，車體便能浮起來，旁人只需輕輕一推，車輛便沿著16米長的軌道平穩(wěn)地懸浮滑行起來。核能實驗裝置利用核能有兩種方式：核裂變：一個原子核分裂成幾個較小原子核的現(xiàn)象。像鈾、釷等原子才能發(fā)生核裂變。核聚變：聚變時，由較輕原子核(氘和氚)聚合成較重原子核，釋放出能量。實現(xiàn)核聚變的方法有兩種磁場約束法：利用通過強大電流所產(chǎn)生的強大磁場，把等離子體約束在很小范圍內(nèi)，產(chǎn)生1億～2億℃的高溫，從而控制輕核聚變-“托卡馬克”裝置。慣性約束法：把氘和氚的混合氣體或固體，裝入直徑約幾毫米的小球內(nèi)。從外面均勻射入激光束或粒子束，球面因吸收能量而向外蒸發(fā)，受它的反作用，球面內(nèi)層向內(nèi)擠壓，并伴隨著溫度的急劇升高。達到幾十億度時，小球內(nèi)氣體便發(fā)生爆炸，并產(chǎn)生大量熱能。中國新一代全超導核聚變實驗裝置世界領先安徽省合肥市中科院等離子體研究所

1998年國家“九五”重大科學工程，投資1.65億元。視頻：1、人類可能再造太陽熱核聚變反應大揭秘（2:40)，55年建立了第一個核裂變電站2、中國新全超導核聚變實驗裝置世界領先（2:06)3、全超導核聚變實驗裝置完成關鍵實驗(1:27)2002年我國研制成功第一臺移動通用的高溫超導濾波器系統(tǒng)，并于2004年成功應用于中國聯(lián)通基站，使我國成為繼美國之后，將高溫超導應用于移動通信的第二個國家。超導濾波器在中國聯(lián)通唐山基站投入運行2004年首次將用Bi系線材制成的高溫超導電纜(33m長，三相，2000A，25kV)在昆明并網(wǎng)成功。這是世界上第三組高溫超導電纜并網(wǎng)運行。這些研究成果將對我國信息、材料、電力、國防、能源以及航空航天產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生重要的影響。7.3超導材料的基本物理性質(zhì)（1）零電阻（2）抗磁性-邁斯納效應

MeissnerEffectMagneticLevitation—磁懸?。?）隧道躍遷-約瑟夫森效應（4）第I類、第II類超導體

FluxTrappingEffect–

磁通量(磁力線）捕獲效應）（1）零電阻零電阻實驗-持久電流實驗：一個鉛制圓圈放入杜瓦瓶中，瓶外放置磁鐵，液氦倒入瓶中使鉛成為超導體，把磁鐵突然撤除，鉛圈內(nèi)便會產(chǎn)生感應電流，此電流將持續(xù)流動下去。其中電流持續(xù)時間最長的一次為兩年半時間，內(nèi)持續(xù)電流沒有絲毫減弱的跡象，液氦供應中斷迫使實驗才停止。后來，費勒和密爾斯利用核磁共振方法測得結果表明：超導電流持續(xù)時間不少于１０萬年。A臨界溫度Tc電阻突然消失的溫度被稱為超導體的臨界溫度Tc。超導臨界溫度Tc與樣品純度無關、但是越均勻純凈的樣品超導轉變時的電阻陡降越尖銳。

逐漸增大磁場到達一定值后，超導體會從超導態(tài)變?yōu)檎B(tài)，把破壞超導電性所需的最小磁場稱為臨界磁場，記為Hc。有經(jīng)驗公式：B.臨界磁場Hc正常態(tài)HHc(0)TcT超導態(tài)C.臨界電流Ic

超導體無阻載流的能力也是有限的，當通過超導體中的電流達到某一特定值時，又會重新出現(xiàn)電阻，使其產(chǎn)生這一相變的電流稱為臨界電流，記為Ic。特指每厘米樣品長度上出現(xiàn)電壓降為1V/cm時，所輸送的電流。Ic(V)IV失超正常態(tài)IIc(0)TcT超導態(tài)Ic與溫度有關：(2)抗磁性-邁斯納效應

邁斯納效應又叫完全抗磁性，超導體一旦進入超導狀態(tài)，體內(nèi)的磁通量將全部被排出體外，磁感應強度恒為零，且不論對導體是先降溫后加磁場，還是先加磁場后降溫，只要進入超導狀態(tài)，超導體就把全部磁通量排出體外。NNS降溫降溫加場加場S注：S表示超導態(tài)N表示正常態(tài)觀察邁納斯效應的磁懸浮試驗在錫盤上放一條永久磁鐵，當溫度低于錫的轉變溫度時，小磁鐵會離開錫盤飄然升起，升至一定距離后，便懸空不動了，這是由于磁鐵的磁力線不能穿過超導體，在錫盤感應出持續(xù)閉合電流的磁場，與磁鐵之間產(chǎn)生了排斥力，磁體越遠離錫盤，斥力越小，當斥力減弱到與磁鐵的重力相平衡時，就懸浮不動了。超導體-勢壘-超導體之間，不僅電子對能夠以隧道效應穿過絕緣層，并在勢壘兩邊電壓為零情況下，產(chǎn)生直流超導電流。此現(xiàn)象叫直流約瑟夫森效應在勢壘兩邊存有一定電壓降V0

時，還會有類似于特定頻率的“交流超導電流”存在。1μV直流電壓降產(chǎn)生483.6MHz振蕩的電磁輻射(該頻率被稱為：約瑟夫森頻率)。此現(xiàn)象稱為交流約瑟夫森效應。(3)隧道躍遷-約瑟夫森效應

（Josephsoneffect

）超導體絕緣體的厚度：10?超導電子學-弱電應用約瑟夫森器件-超導磁強計、混頻器、高靈敏度的檢流計

微波和遠紅外線的探測器

第I類超導體：完全抗磁性的超導體(4)第I類、第II類超導體正常態(tài)HHc(0)TcT超導態(tài)金屬超導體屬于I類第II類超導體有兩臨界磁場：磁場在HC1以下，是超導態(tài)，完全抗磁；磁場在HC1和HC2之間時，是超導態(tài)，但磁場可以通過導體；H>HC2時，才會變成普通的常態(tài)有兩個臨界磁場的就叫第II類超導體利用這樣的方法，人們終于在1961年使用非理想第二類超導體“鈮三錫(Nb3Sn)”，首次制成第一個強磁場超導磁體

。隨著人們對第二類超導體認識的深入，超導應用序幕終于被拉開了?；衔锖脱趸锍瑢w都屬于II類超導體在磁場Hc1和Hc2之間，由超導態(tài)和常態(tài)組成。7.4超導的基本理論解釋超導現(xiàn)象的理論有兩大類：一種是宏觀的超導電磁理論：包括：二流體模型、倫敦方程、京茲堡-朗道另一種是微觀超導理論：主要是BCS理論基本概念：同位素效應、超導能隙、庫柏電子對、相干長度一、超導的宏觀理論1.二流體模型(1934年）超導體中存在兩種狀態(tài)電子，它們彼此獨立地流動。一種是正常電子，另一種是超導電子對。在正常狀態(tài)時，僅有正常電子，為正常導體；進入超導態(tài)時，出現(xiàn)超導電子對，它們可不受任何阻礙地在超導體中流動，T越低，超導電子對就越多。T=0K時，則只有超導電子。2、倫敦方程（1935年）倫敦在二流體模型的基礎上建立了超導體的電磁理論。提出兩個描述超導電流與電磁場關系的方程，與麥克斯韋方程組構成了超導體電動力學基礎。倫敦方程可以概括零電阻效應和邁斯納效應，并預言了超導體表面上的磁場穿透深度。3、京茲堡-朗道理論（1950年）將朗道的二級相變理論應用于超導體，認為超導態(tài)與正常態(tài)間的相互轉變是二級相變。（即：相變時無體積變化，也無相變潛熱-1937年朗道提出的）再引入一個波函數(shù)，應用熱力學理論建立了關于ψ的京茨堡-朗道方程。作用：(1)可計算臨界磁場、相干長度及穿透深度與溫度的關系等(2)給出了區(qū)分第一類超導體和第二類超導體的判據(jù)二、超導的微觀理論基本概念：1、同位素效應(1950年)超導體的轉變溫度Tc與同位素質(zhì)量的平方根成反比。同位素質(zhì)量越大，轉變溫度越低。這一效應叫做同位素效應。結論：同位素效應說明：超導不僅與電子狀態(tài)有關，也與金屬離子晶格有關(原子核內(nèi)中子的磁懦極矩)。因而，把晶格振動（其量子稱為聲子）與電子聯(lián)系起來了，告訴人們電子-聲子的相互作用與超導電性密切相關。2、超導能隙實驗證明：在超導體的電子能譜中，有一小塊空白的區(qū)域，不允許電子具有這塊區(qū)域中的能量。這個不能有電子存在的能量間隔就叫超導能隙。Δ≈10-3~10-4eV2Δ 占滿 空帶 EF 占滿 能隙 空帶 EF 3、庫柏電子對庫珀電子對的形成：當電子A在晶格間運動時，以庫侖力吸引鄰近晶格離子，使晶格離子稍稍靠攏過來，并形成一個正電荷相對集中的小區(qū)域。由于這些離子偏離平衡位置而產(chǎn)生振動，以波的形式在晶格中傳播，該波被稱為格波，其量子稱為聲子。形成格波的過程相當于發(fā)出一個聲子。同時這個以A為中心的正電荷區(qū)又可以吸到另一個運動著的電子B，將動量和能量傳遞給這個電子，這相當于B電子吸引了聲子。結果：兩個電子交換了一個聲子，使兩個電子間產(chǎn)生了間接的吸引力，形成一個“庫柏電子對”。這個過程表示如下：庫珀對：超導體中兩個電子動量與自旋均等值，旋向相反。每一庫珀對的動量之和為零。在外電場作用下，庫珀對都獲得相同的動量，朝同一方向運動，不會受到晶格的任何阻礙，形成幾乎沒有電阻的超導電流。當T>Tc時，熱運動迫使庫珀對被拆散為正常電子，超導態(tài)轉變?yōu)檎B(tài)。這種有規(guī)律運動電子對可以毫無阻力地流過導體，就像電影院散場時有秩序的人群可以走得快，而沒有秩序的人群則往往被阻塞一樣。“庫柏對”電子有序運動的宏觀表現(xiàn)，就是我們所觀察到的超導體中電阻為零的現(xiàn)象。超導能隙與庫柏對：拆散一個電子對（庫珀對）產(chǎn)生兩個單電子至少需要能隙寬度為2Δ的能量。庫柏電子對是產(chǎn)生超導能隙的根本原因。4、相干長度庫柏電子對之間存在一定長度的距離。相干長度：幾百到幾千個原子的間距5、BCS超導理論處在超導態(tài)的電子，不是一個個單獨地存在，而是匹配成庫珀對而存在著；配對的電子，其自旋方向相反，動量大小相等，運動方向相同，兩電子動量差為零；庫珀