建筑工程类超导材料1(课堂讲义)

1、第三章 超导材料第一节第一节 超导电性的发展历史超导电性的发展历史第二节第二节 超导体的基本物理性质超导体的基本物理性质第三节第三节 传统超导体的超导电性理论传统超导体的超导电性理论第四节第四节 两类超导体两类超导体第五节第五节 超导隧道效应超导隧道效应第六节第六节 超导材料的进展及高超导材料的进展及高Tc在追求在追求第七节第七节 几种超导材料几种超导材料1.1 深刻的历史背景 低温的获得 低温下电阻变化的争端1.2 超导发展简史第一节 超导电性的发展历史10310410131012109108107106105亚核现象亚核现象中子中子-质子质子最热星球内部最热星球内部氢弹氢弹太阳内部太阳内部

2、日冕日冕原子弹原子弹等离子体等离子体太阳表面太阳表面铁的熔点铁的熔点101000-250-269-273 0水的沸点水的沸点人体温度人体温度水的冰点水的冰点空气液化点空气液化点氦气液化点氦气液化点绝对零度绝对零度摄氏温度摄氏温度开氏温标开氏温标超高温超高温生命温区生命温区低温低温CK地球上曾达到的最高温度地球上曾达到的最高温度地球上自然存在的最冷的地方地球上自然存在的最冷的地方生命温区生命温区1.1 深刻的历史背景：深刻的历史背景： 低温的获得低温的获得获得低温的方法：获得低温的方法：（1）气体绝热膨胀，对外做功）气体绝热膨胀，对外做功（2）利用挥发性的液体，把它的蒸汽迅速在抽去，）利用挥发性

3、的液体，把它的蒸汽迅速在抽去， 液体跟着蒸发，温度就降低液体跟着蒸发，温度就降低干冰干冰（固体二氧化碳固体二氧化碳）醚的混合物醚的混合物：-110C的低的低温温 法拉第法拉第：氯气，二氧化碳，硫化氢，氯化氢，氨等氯气，二氧化碳，硫化氢，氯化氢，氨等 O2, N2, H2, He焦耳焦耳-汤姆逊效应汤姆逊效应 :经过多孔物质膨胀后的气体，其温度随两端压强差值而经过多孔物质膨胀后的气体，其温度随两端压强差值而成正比的变化。成正比的变化。 在常温常压在常温常压：空气，空气，O2，CO2经过绝热膨胀降温经过绝热膨胀降温 H2则升温。则升温。 存在一个转化温度存在一个转化温度： 为人们征服永久气体指明了

4、方向为人们征服永久气体指明了方向0K180K80K77K20K1908年：年：He 4.2K1884年：年： N21898年：年：H21877 年：年：O21906年：年：Onnes H2杜瓦：杜瓦： 温度越低，电阻越低，温度越低，电阻越低，电阻在绝对零度为零电阻在绝对零度为零开尔文：纯金属电阻在低温开尔文：纯金属电阻在低温下某个温度时，达到最小值，下某个温度时，达到最小值，随着温度进一步降低，电阻随着温度进一步降低，电阻反而增大反而增大 低温下电阻变化的争端低温下电阻变化的争端 格罗宁根大学格罗宁根大学 海德堡海德堡 博士学位博士学位 莱顿大学物理系教授莱顿大学物理系教授1908 液化液化H

5、e1911 Hg的超导现象的超导现象1913 诺贝尔奖诺贝尔奖知识来自测量知识来自测量Heike Kamerlingh Onnes (1853-1926) Hg电阻随温度的变化电阻随温度的变化开尔文观点开尔文观点Pt趋于常数（杂质）趋于常数（杂质）Hg4.19K仪器精密度仪器精密度论水银电论水银电阻消失速度阻消失速度 Hg电阻随温度的变化电阻随温度的变化l1911年，昂纳斯首次观察到超导电性。年，昂纳斯首次观察到超导电性。l1933年，迈斯纳效应。年，迈斯纳效应。l1957年，巴丁、库柏和施瑞弗基于电年，巴丁、库柏和施瑞弗基于电子和声子的相互作用，建立了成功的子和声子的相互作用，建立了成功的微

6、观理论微观理论l50年代末和年代末和60年代初，第年代初，第类超导体类超导体及其约瑟夫森效应的发现，促使超导及其约瑟夫森效应的发现，促使超导电性的应用开始逐步地成为一门新技电性的应用开始逐步地成为一门新技术，即低温超导电技术。术，即低温超导电技术。l从从60年代到年代到80年代，探索能在液氮温年代，探索能在液氮温区甚至能在室温下工作的高温超导体。区甚至能在室温下工作的高温超导体。1993年年5月司麒麟月司麒麟(ASchilling)和普特林和普特林(SNRutilin)等人又成等人又成功地合成了功地合成了Hg-Ba-Ca-Cu-O氧氧化物超导体，其超导转变温度化物超导体，其超导转变温度达达13

7、4K。液氦温度液氦温度4.2K液氮温度液氮温度77K自从高温氧化物超导体自从高温氧化物超导体被发现以来，在材料、被发现以来，在材料、机制以及应用三个方面机制以及应用三个方面的研究及开发工作都有的研究及开发工作都有了很大的进展。新的超了很大的进展。新的超导材料不断被发现，从导材料不断被发现，从而不断给出更多的揭示而不断给出更多的揭示高温超导电性的新的信高温超导电性的新的信息。息。 J. G. BednorzK. A. Muller发现在发现在La-Ba-Cu-O化合物在化合物在35K下的超导现象下的超导现象1987年的诺贝尔物理学奖年的诺贝尔物理学奖朱经武朱经武赵忠贤赵忠贤1987年年2月朱经武

8、等在美国宣布发现月朱经武等在美国宣布发现Tc上升到液氮温区的氧上升到液氮温区的氧化物超导体化物超导体(Tc90K)，赵忠贤等注意到，赵忠贤等注意到La-Sr-Cu-O体系的体系的掺杂效应，发现掺杂效应，发现Tc90K的的Y-Ba-Cu-O化合物化合物第一节第一节 超导电性的发展历史超导电性的发展历史第二节第二节 超导体的基本物理性质超导体的基本物理性质 2.1 零电阻效应零电阻效应2.2 完全抗磁性完全抗磁性-迈纳斯效应迈纳斯效应第三节第三节 传统超导体的超导电性理论传统超导体的超导电性理论第四节第四节 两类超导体两类超导体第五节第五节 超导隧道效应超导隧道效应第六节第六节 超导材料的进展及高

9、超导材料的进展及高Tc在追求在追求第七节第七节 几种超导材料几种超导材料第二节 超导体的基本物理性质2.1 零电阻效应 电阻真的是零吗？电阻真的是零吗？最新研究表明，即使有电阻，也小于最新研究表明，即使有电阻，也小于10-29m4.2K下，下，Cu的电阻率：的电阻率： 10-11m是否可以随心所欲的传输电流？是否可以随心所欲的传输电流？A. 临界温度临界温度Tc ： 电阻突然消失的温度电阻突然消失的温度超超导导金金属属临临界界温温度度L Le ea ad d ( (P Pb b) )7 7. .1 19 96 6 K KL La an nt th ha an nu um m ( (L La a

10、) )4 4. .8 88 8 K KM Me er rc cu ur ry y ( (H Hg g) )4 4. .1 15 5 K KT Ti in n ( (S Sn n) )3 3. .7 72 2 K KA Al lu um mi in nu um m ( (A Al l) )1 1. .1 17 75 5 K KM Mo ol ly yb bd de en nu um m ( (M Mo o) )0 0. .9 91 15 5 K KZ Zi in nc c ( (Z Zn n) )0 0. .8 85 5 K KZ Zi ir rc co on ni iu um m ( (Z Z

11、r r) )0 0. .6 61 1 K KC Ca ad dm mi iu um m ( (C Cd d) )0 0. .5 51 17 7 K KT Ti it ta an ni iu um m ( (T Ti i) )0 0. .4 40 0 K KT Tu un ng gs st te en n ( (W W) )0 0. .0 01 15 54 4 K KP Pl la at ti in nu um m ( (P Pt t) )* *0 0. .0 00 01 19 9 K KR Rh ho od di iu um m ( (R Rh h) )0 0. .0 00 00 03 32

12、25 5 K K纯金属的超导临界温度纯金属的超导临界温度液氦温度液氦温度4.2K液氢温度液氢温度20K液氮温度液氮温度77K)1 ()(220TcTIcTIc式中式中 Ic0 是绝对零度时的临界电流。是绝对零度时的临界电流。B. 临界电流Ic 实验还表明，即使温度在临界温度以下，超导体中通过足够强的电流也会破坏超导电性，导致破坏超导电性所需要的电流称作临界电流临界电流Ic。Ic是温度的函数临界电流随温度变化的关系：为什么临界电流会破坏超导状态呢？为什么临界电流会破坏超导状态呢？C. 临界磁场临界磁场Hc实验发现，超导电性可以被外加磁场实验发现，超导电性可以被外加磁场破坏。对处于超导态的超导体施

13、加一个破坏。对处于超导态的超导体施加一个磁场，当磁场强度高于某个数值磁场，当磁场强度高于某个数值Hc时时, ，超导态被破坏。把破坏超导态的最小磁超导态被破坏。把破坏超导态的最小磁场强度称为临界磁场。场强度称为临界磁场。Hc(T)与温度有如下关系：与温度有如下关系：式中式中HC0 是绝对零度时的临界磁场。是绝对零度时的临界磁场。)/1 (220TcTHcHc金属超导体临界磁场与温度的关系金属超导体临界磁场与温度的关系 电流破坏超导电性 磁场破坏超导电性 关系？ 当通过样品的电流当通过样品的电流Ic在样品表面产生的磁场达到在样品表面产生的磁场达到Hc，既，既临界磁场时，超导状态被破坏。产生临界磁场

14、的电流即临界磁场时，超导状态被破坏。产生临界磁场的电流即超导态允许流动的最大电流。超导态允许流动的最大电流。 临界电流和温度及磁场的关系临界电流和温度及磁场的关系 临界温度（临界温度（Tc）、临界电流）、临界电流（Ic ）和临界磁场（）和临界磁场（Hc ）是）是“约束约束”超导现象的三大临界超导现象的三大临界条件。条件。三者具有明显的相关性，只三者具有明显的相关性，只有当超导体同时处于三个临有当超导体同时处于三个临界条件以内，即处于如图所界条件以内，即处于如图所示的三角锥形曲面内侧，才示的三角锥形曲面内侧，才具有超导电性。临界值越高，具有超导电性。临界值越高，实用性就强，利用价值就越实用性就强

15、，利用价值就越高。高。 理想导体：理想导体： =0，= J= E tBE0tBBB0E=0迈纳斯迈纳斯(Meissner) 效应效应1933年，德国物理学家迈斯纳年，德国物理学家迈斯纳(WMeissner)和奥森菲尔德和奥森菲尔德(ROchsenfeld)对锡单晶球超导体对锡单晶球超导体做磁场分布测量时发现在磁场中把做磁场分布测量时发现在磁场中把金属冷却进入超导态时，超导体内金属冷却进入超导态时，超导体内的磁通线似乎一下子被排斥出去，的磁通线似乎一下子被排斥出去，保持体内磁感应强度保持体内磁感应强度B等于零。等于零。处在超导态的物体完全排斥磁场，处在超导态的物体完全排斥磁场，即磁力线不能进入超

16、导体内部，这即磁力线不能进入超导体内部，这个性质叫完全抗磁性，通常叫做迈个性质叫完全抗磁性，通常叫做迈斯纳效应。斯纳效应。超导体内磁感应强度超导体内磁感应强度B总是等于零总是等于零1/HM)(0MHB0BMH超导体内的磁化率为超导体内的磁化率为-1，也就是说，超导体是完全抗磁体。，也就是说，超导体是完全抗磁体。迈斯纳效应产生的原因迈斯纳效应产生的原因当超导体处于超导态时，在磁场的作用下，表面产生当超导体处于超导态时，在磁场的作用下，表面产生无损耗感应电流，这个电流产生的磁场与原磁场的大小相无损耗感应电流，这个电流产生的磁场与原磁场的大小相等，方向相反，因而总合成磁场为零。等，方向相反，因而总合

17、成磁场为零。即，无损感应电流对外加磁场起着屏蔽的作用，因此即，无损感应电流对外加磁场起着屏蔽的作用，因此又称为抗磁性屏蔽电流。又称为抗磁性屏蔽电流。这一现象与过程无关也就是说，将先将锡球冷却到超这一现象与过程无关也就是说，将先将锡球冷却到超导状态，然后在加上外加磁场，锡球同样出现了抗磁性。导状态，然后在加上外加磁场，锡球同样出现了抗磁性。迈斯纳效应的意义：否定了超导体是理想导体观点迈斯纳效应的意义：否定了超导体是理想导体观点衡量一种材料是否具有超导电性必须看是否同时具有衡量一种材料是否具有超导电性必须看是否同时具有零电阻和迈斯纳效应。零电阻和迈斯纳效应。 根据上述超导材料的两个基本特征，可根据

18、上述超导材料的两个基本特征，可以看出：以看出：超导体是指某种物质冷却到某一温度时超导体是指某种物质冷却到某一温度时电阻突然变为零，同时物质内部失去磁通成电阻突然变为零，同时物质内部失去磁通成为完全抗磁性的物质。为完全抗磁性的物质。第一节第一节 超导电性的发展历史超导电性的发展历史第二节第二节 超导体的基本物理性质超导体的基本物理性质第三节第三节 传统超导体的超导电性理论传统超导体的超导电性理论 3.1 唯象理论唯象理论 3.2 传统超导体的微观机制传统超导体的微观机制第四节第四节 两类超导体两类超导体第五节第五节 超导隧道效应超导隧道效应第六节第六节 超导材料的进展及高超导材料的进展及高Tc在

19、追求在追求第七节第七节 几种超导材料几种超导材料第三节 传统超导体的超导电性理论3.1 唯象理论二流体模型： 为了解释超导体的热力学性质，戈特（C.J.Gorter）和卡西米尔（H.B.G.Casimir）于1934年提出了超导态的二流体模型。 二流体模型包括以下三个假设：金属处于超导态时，共有化电子（总数为金属处于超导态时，共有化电子（总数为N）可分成两部分：正常电子可分成两部分：正常电子Nn和超导电子和超导电子Ns，分，分别构成正常流体和超导电子流体，它们占有同别构成正常流体和超导电子流体，它们占有同一体积，彼此独立地运动，两种电子的相对数一体积，彼此独立地运动，两种电子的相对数目是温度的

20、函数。目是温度的函数。正常电子流体的性质与普通金属中的自正常电子流体的性质与普通金属中的自由电子气相同，熵不等于零。正常电子因由电子气相同，熵不等于零。正常电子因受晶格振动的散射而会产生电阻。受晶格振动的散射而会产生电阻。超导电子流体由于其有序性而对熵超导电子流体由于其有序性而对熵的贡献为零。超导电子不会受晶格散的贡献为零。超导电子不会受晶格散射，不产生电阻。射，不产生电阻。二流体模型对超导体零电阻特性的解释是：二流体模型对超导体零电阻特性的解释是：当当TTc时时,开始出现超导电子，随着温度开始出现超导电子，随着温度T的减的减小，更多的正常电子转变为超导电子；小，更多的正常电子转变为超导电子；

21、T=0K时，所有电子均成为超导电子。超导电时，所有电子均成为超导电子。超导电子的运动是无阻的，超导导体内部的电流完全子的运动是无阻的，超导导体内部的电流完全来自超导电子的贡献，它们对正常电子起到了来自超导电子的贡献，它们对正常电子起到了短路的作用，正常电子部承载电流，因而没有短路的作用，正常电子部承载电流，因而没有电阻。电阻。B. 伦敦方程伦敦方程1935年年 伦敦兄弟（伦敦兄弟（F.London，HLondon)根据零电阻效应和迈斯纳效应根据零电阻效应和迈斯纳效应一个方程给出零电阻效应一个方程给出零电阻效应一个反映超导电流和磁场的关系，预言了超导体的一个反映超导电流和磁场的关系，预言了超导体

22、的表面穿透深度。表面穿透深度。EmenJtss2伦敦第一方程伦敦第一方程式中，式中，m m是电子质量，是电子质量，J Js s为超导电流密度，为超导电流密度，n ns s是超导电子密度。是超导电子密度。由上式可见：在由上式可见：在下，超导体中的下，超导体中的为为常值时，常值时，则则E E0 0。即，在稳态下，超导体内的即，在稳态下，超导体内的等于零，等于零，因此，它说明了因此，它说明了。0sJtEmenJtss2伦敦第二方程伦敦第二方程式中，式中， (m(mn ns se e2 2) )。 m m是是，J Js s为为，n ns s是是BJs)( 设超导体占据设超导体占据x0的空的空间，间，x

23、0的区域为真空。的区域为真空。B以以为零，为零，在超导体内部，在超导体内部，x 处处 ， B为零。为零。磁场在超导体中的磁场在超导体中的和和伦敦第一方程和伦敦第二方程可以概括伦敦第一方程和伦敦第二方程可以概括和和，并预言了超导体表面上的，并预言了超导体表面上的 L。在在0 K0 K下的磁场穿透深度下的磁场穿透深度 l l92Tl47Ni(3845)Hg39Pb50Al51 Sn穿透深度穿透深度 L（nm）物质物质皮帕德穿透深度皮帕德穿透深度1950年金兹堡年金兹堡(Ginsberg)和朗道和朗道(Landau)将将朗道的朗道的应用于超导体，构成金兹堡应用于超导体，构成金兹堡朗道理论。朗道理论。

24、该理论也能预言该理论也能预言，并且还可以反映，并且还可以反映的一系列特征。的一系列特征。 该理论预言了第二类超导体的磁通格子的存在该理论预言了第二类超导体的磁通格子的存在以及混合态详尽的磁性质（阿布里柯索夫理论）。以及混合态详尽的磁性质（阿布里柯索夫理论）。C. 金兹堡金兹堡-朗道理论朗道理论第一节第一节 超导电性的发展历史超导电性的发展历史第二节第二节 超导体的基本物理性质超导体的基本物理性质第三节第三节 传统超导体的超导电性理论传统超导体的超导电性理论 3.1 唯象理论唯象理论 3.2 传统超导体的微观机制传统超导体的微观机制第四节第四节 两类超导体两类超导体第五节第五节 超导隧道效应超导

25、隧道效应第六节第六节 超导材料的进展及高超导材料的进展及高Tc在追求在追求第七节第七节 几种超导材料几种超导材料3.2 传统超导体的微观机制 二流体模型、伦敦方程和金兹堡二流体模型、伦敦方程和金兹堡-朗道理论：朗道理论：可以解释超导电性的宏观性质可以解释超导电性的宏观性质无法给出超导电性的微观图像无法给出超导电性的微观图像20世纪世纪50年代初，同位素效应、超导能隙年代初，同位素效应、超导能隙等关键性的发现等关键性的发现4.1264.1434.1504.1564.1614.177Tc/K203.4202.4200.7200.6199.7198Hg原子量原子量MHg同位素的临界温度同位素的临界温

26、度1950年，年，E. Maxwell和和C. A. Raynold各自独立地各自独立地测量了测量了的的，结果发现：，结果发现：A. 同位素效应同位素效应。对。对实验数据处理后得到原子质量实验数据处理后得到原子质量M和临界温度和临界温度Tc的简单的简单关系：关系： M Tc=常数常数 （ ） 其中，其中， =0.50 0.03 这种这种就是就是同位素效应。同位素效应。MTc10.478Pb0.500Zn0.490Tl0.505Sn0.504Hg 元素元素几种元素的几种元素的 值值 原子质量原子质量：晶体的性质晶体的性质 临界温度临界温度Tc：电子性质：电子性质把把联系起来了。联系起来了。 电子

27、-声子相互作用晶格振动晶格振动 声子声子电子与晶格相互作用电子与晶格相互作用 就是电子与声子的相互就是电子与声子的相互作用作用弗洛里西：弗洛里西：导电性良好的碱金属和贵金属都不是超导体，导电性良好的碱金属和贵金属都不是超导体，常温下导电性能不好的材料，在低温下却有可能成为常温下导电性能不好的材料，在低温下却有可能成为超导体超导体电子与晶格点阵相互作用，是高温下引起电阻的原因，电子与晶格点阵相互作用，是高温下引起电阻的原因，而在低温下却导致超导电性。而在低温下却导致超导电性。B. 超导能隙超导能隙当金属处于超导态时，超导态的电子能谱与正常金当金属处于超导态时，超导态的电子能谱与正常金属不同属不同在费米能在费米能EF附近出现了一个半宽度为附近出现了一个半宽度为