固體物理-固體的磁性和超導(dǎo)電性

第6章固體的磁性和超導(dǎo)電性6-1固體磁性的基本原理6-2固體磁性的種類6-3核磁共振和自旋電子學(xué)6-4超導(dǎo)電現(xiàn)象及理論6-5超導(dǎo)電材料掌握了解6-1固體磁性的基本原理磁化率原子磁矩自旋–軌道耦合洪特定則6-1磁化率

6-1磁化作用與電極化作用的比較磁化性質(zhì)電極化性質(zhì)真空固體極化總強(qiáng)度物理量6-1原子磁矩的產(chǎn)生

6-1自旋–軌道耦合

6-1量子化的原子磁矩

6-1洪特定則

6-1洪特定則

過渡金屬離子的兩個4s電子被電離，未滿的3d殼層暴露在最外面，直接受到其他原子的影響，其軌道運動常被破壞，導(dǎo)致軌道角動量發(fā)生“猝滅”，只剩下自旋角動量。

含未滿4f殼層的三價稀土元素離子中，4f殼層外還有5s、5p滿殼層，屬于內(nèi)殼層，較少受到其它原子的影響，所以較好地符合洪特定則。6-2固體磁性的種類順磁性抗磁性鐵磁性反鐵磁性亞鐵磁性6-2抗磁性

加磁場前加磁場時撤去磁場6-2順磁性

加磁場前加磁場時撤去磁場6-2鐵磁性：磁疇與磁化

增加磁場時加磁場前飽和磁化6-2鐵磁性：剩磁與磁滯

飽和磁化撤去磁場

6-2反鐵磁性和亞鐵磁性當(dāng)原子間的交換作用使各相鄰固有磁矩的排列方向相反時：各原子的固有磁矩大小相等，

則這些固有磁矩相互抵消，宏

觀上不表現(xiàn)出磁化現(xiàn)象，稱為

反鐵磁性各原子的固有磁矩大小不等，

則這些固有磁矩不能完全抵消，

宏觀上表現(xiàn)出磁化現(xiàn)象，稱為

亞鐵磁性反鐵磁體大多是金屬化合物，如NiO2、CuO、CrO2等，也有少量金屬，如Cr、α-Mn等亞鐵磁體絕大部分是金屬氧化物，一般稱為鐵氧體，如Fe3O4（天然磁石）6-2溫度對物質(zhì)磁性的影響

6-3核磁共振和自旋電子學(xué)核磁共振自旋極化磁電阻效應(yīng)6-3核磁共振

6-3核磁共振領(lǐng)域的諾貝爾獎核磁共振領(lǐng)域曾產(chǎn)生過5次諾貝爾獎：1944年物理學(xué)獎，拉比(I.I.Rabi)，發(fā)現(xiàn)原子核磁性和核磁共振；1952年物理學(xué)獎，布洛赫(F.Bloch)和珀塞爾(E.M.Purcell)，分別在固體和液體中發(fā)現(xiàn)核磁共振現(xiàn)象并分別建立測量方法；1966年物理學(xué)獎，卡斯特勒(A.Kastler)，發(fā)明光磁雙共振，極大提高測量靈敏度；1991年化學(xué)獎，恩斯特(R.R.Ernst)，將傅里葉譜和核磁共振技術(shù)結(jié)合，極大提高分辨率，并發(fā)展二維核磁共振譜；2003年醫(yī)學(xué)獎，勞特布爾(P.C.Lauterbur)和曼斯菲爾德(P.Mansfield)，發(fā)展核磁共振成像(MRI)技術(shù)。6-3核磁共振的應(yīng)用核磁共振波譜是將核磁共振現(xiàn)象應(yīng)用于分子結(jié)構(gòu)測定的一項技術(shù)，與紫外光譜、紅外光譜和質(zhì)譜并稱有機(jī)化學(xué)“四大名譜”，可以提供分子中化學(xué)官能團(tuán)的數(shù)目和種類以及許多紅外光譜無法提供的信息。目前對的研究主要集中在1H和13C兩類原子核的圖譜。6-3核磁共振的應(yīng)用核磁共振成像(MRI)技術(shù)通過識別水分子中氫原子信

號的分布來推測水分子在人體內(nèi)

的分布，進(jìn)而探測人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)

的技術(shù)，是一種非介入探測技術(shù)。

對人體沒有輻射影響，能夠比超

聲探測技術(shù)顯示更多細(xì)節(jié)。核磁共振探測(MRS)技術(shù)MRI技術(shù)在地質(zhì)勘探領(lǐng)域的延伸，通過對地層中水分布信息的探測，可以確定某一地層下是否有地下水存在，地下水位的高度、含水層的含水量和孔隙率等地層結(jié)構(gòu)信息。已經(jīng)成為傳統(tǒng)的鉆探探測技術(shù)的補(bǔ)充手段，并且應(yīng)用于滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)防工作中。6-3自旋極化由于交換作用，鐵磁體中會形成磁疇，產(chǎn)生自發(fā)磁化。自發(fā)磁化是由于自旋向上與向下的電子數(shù)密度不相等，所以又叫自旋極化。利用自旋極化原理制作的器件不但可以利用磁場控制輸出狀態(tài)，還能實現(xiàn)電壓和電流放大功能，表現(xiàn)出晶體管的特性。這種器件是由自選狀態(tài)決定信息的傳遞與變化，稱之為自旋晶體管。自旋晶體管不但可用作存儲元件，還可組成邏輯電路和處理器，同時具有存儲和運算功能。較之硅材料半導(dǎo)體原件，速度較慢，但具有功耗低、密度高、耐輻射、溫度敏感性低和利用磁滯性質(zhì)具有記憶功能等優(yōu)點。6-3磁電阻效應(yīng)材料磁化狀態(tài)的變化會導(dǎo)致電阻值改變，稱為磁電阻效應(yīng)。1856年，W.Thomson首先在鐵磁材料中發(fā)現(xiàn)各向異性磁電阻(AMR)效應(yīng)；1979年，IBM利用AMR效應(yīng)制備薄膜磁頭，取代感應(yīng)式磁頭，提高磁盤記錄密度數(shù)十倍；1988年法國物理學(xué)家費爾(A.Fert)和德國物理學(xué)家格林貝格(P.Grünberg)分別獨立發(fā)現(xiàn)巨磁阻(GMR)效應(yīng)（非常弱的磁性變化就能導(dǎo)致磁性材料發(fā)生非常顯著的電阻變化），并共同獲得2007年諾貝爾物理學(xué)獎；1997年，IBM制作出GMR效應(yīng)磁頭，再次將硬盤記錄密度提高上百倍；目前，利用隧穿磁電阻(TMR)效應(yīng)制作的讀出磁頭已實現(xiàn)了硬盤單張3.5英寸磁碟1TB容量的商業(yè)化應(yīng)用。6-4超導(dǎo)電現(xiàn)象及理論零電阻現(xiàn)象完全抗磁性超導(dǎo)體的臨界參數(shù)BCS理論6-4零電阻現(xiàn)象

0.1500.1250.1000.0750.0500.02504.0004.40T/KR/Ω6-4超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度

典型超導(dǎo)合金高溫超導(dǎo)氧化物NbTi9.5YBa2Cu3O7-δ90NbZr11Bi2Sr2CaCu2O885PbIn3.4~7.3Tl2Ba2Ca2Cu3O10125PbBi8.5HgBa2Ca2Cu3O101366-4完全抗磁性1933年邁斯納和奧森菲爾德發(fā)現(xiàn)，無論是在磁場中降溫使樣品進(jìn)入零電阻態(tài)，還是將已經(jīng)是零電阻態(tài)的樣品移入磁場中，樣品中的磁感應(yīng)強(qiáng)度均為零，稱為邁斯納效應(yīng)邁斯納效應(yīng)說明超導(dǎo)體是完全抗磁體6-4與理想導(dǎo)體的區(qū)別若建立當(dāng)溫度低于某值時僅僅是電阻為零、電導(dǎo)趨于無窮大的“理想導(dǎo)體”模型，則可發(fā)現(xiàn)，在外磁場作用下將理想導(dǎo)體降溫至電阻為零的狀態(tài)再撤去外磁場，則理想導(dǎo)體中仍保留同樣大小的磁通量，這和超導(dǎo)體實驗現(xiàn)象不符。完全抗磁性是超導(dǎo)體獨立于電阻為零之外的基本特性！6-4超導(dǎo)體的臨界參數(shù)和類型

超導(dǎo)態(tài)正常態(tài)6-4BCS理論BCS理論由巴丁(J.Bardeen)、庫珀(L.Cooper)、施萊弗(J.Schrieffer)三人共同建立，三人因此共享1972年諾貝爾物理學(xué)獎。不同于以往從實驗現(xiàn)象出發(fā)作出假定或建立模型的唯象理論，BCS理論從電子

–聲子相互作用出發(fā)，給出了描述超導(dǎo)電性的完整理論，回答了超導(dǎo)電性的來源和起因。BCS理論認(rèn)為，金屬中自旋和動量相反的電子可以借聲子為媒介配對，形成所謂“庫珀對”。在很低的溫度下，這個庫珀對的結(jié)合能可能高于晶格原子振動的能量，這樣，電子對將不會和晶格發(fā)生能量交換，庫珀對在晶格當(dāng)中可以無損耗的運動，也就沒有電阻，形成所謂“超導(dǎo)”。6-5超導(dǎo)電材料常規(guī)超導(dǎo)元素、合金和化合物高溫超導(dǎo)體超導(dǎo)材料的應(yīng)用6-5常規(guī)超導(dǎo)元素、合金和化合物常規(guī)的元素、合金和化合物超導(dǎo)體的臨界溫度較低，大多需要液氦冷卻條件，這就限制了其應(yīng)用超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料(Nb3Al)4Nb3Ge20.05NbN16.1Nb3Sn18V3Ga14.6NbN0.72C0.2817.9Mo0.92Hf0.05C0.7514.2Nb3Al17.5Nb9.2V3Si17.1Pb7.26-5高溫超導(dǎo)體

6-5高溫氧化物超導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)特點具有層狀鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)氧空位化學(xué)計量數(shù)變化范圍很大，以至于導(dǎo)致晶格畸變晶格結(jié)構(gòu)中存在二維CuO4層面，作為高溫超導(dǎo)體的導(dǎo)電平面而至關(guān)重要氧含量和分布對性能有重要影響6-5高溫氧化物超導(dǎo)體的反常特性電阻率的溫度特性：線性關(guān)系霍爾系數(shù)的溫度特性：隨溫度上升而單調(diào)下降光電導(dǎo)的反常特性超導(dǎo)能隙的各向異性電子–電子關(guān)聯(lián)性臨界磁場高，相干長度卻很短這些反常特性無法用低溫超導(dǎo)理論（BCS理論）來解釋，對超導(dǎo)理論的研究提出了新課題和新的研究方向。6-5超導(dǎo)電性的應(yīng)用舉例超導(dǎo)磁體大尺度、強(qiáng)磁場、低消耗超導(dǎo)電纜電能在零電阻輸送，完全沒有損耗超導(dǎo)儲能超導(dǎo)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(yīng)，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)。6-5磁懸浮列車常導(dǎo)型磁懸浮