电子功能与元器件超导材料

1、LOGO神奇的超导1-3 超导材料LOGO21.超导现象的发现2.超导体的主要特征3.超导电性机制4.约瑟夫逊效应5.超导材料的发展6.超导体的应用1-3 超导材料LOGO超导的发现超导的发现 0 K 附近的电阻率是如何变化的？附近的电阻率是如何变化的？荷兰物理学家荷兰物理学家H. K. Onnes：低温物理的研究：低温物理的研究低温的进展：低温的进展：1983南极的温度：南极的温度：-89.21895 年空气液态温度：年空气液态温度：-192（81K）1898 年氢气液化温度年氢气液化温度-253（20K）1908 年，年，Onnes 得到液得到液He温度：温度：-268.75 （4.25K

2、） 1-3 超导材料LOGO41-3 超导材料 1.1.超导现象的发现超导现象的发现 19081908年年，荷兰物理学家卡末林，荷兰物理学家卡末林昂内斯昂内斯 ( ( Hei-keHei-ke KamerlinghKamerlingh OnnesOnnes，185318531926 )1926 )首次液化了氦气首次液化了氦气 。人们人们 第一次达到了当时地球上的第一次达到了当时地球上的 最低最低 温度，大约温度，大约 4.2 K 4.2 K 左右。左右。 19111911年年，昂内斯和他的学生一起，选择了当时最容，昂内斯和他的学生一起，选择了当时最容易提纯的水银作为实验材料，在液氦的温度下进行

3、了认易提纯的水银作为实验材料，在液氦的温度下进行了认真的研究。实验的结果使他们大吃一惊。当温度降到真的研究。实验的结果使他们大吃一惊。当温度降到 4.2 K 4.2 K 左右时，水银的电阻竟然突然地消失了！左右时，水银的电阻竟然突然地消失了！ 19131913年，年，昂内斯因对物质低温性质的研究和液氦昂内斯因对物质低温性质的研究和液氦的制备而获得诺贝尔物理学奖。的制备而获得诺贝尔物理学奖。LOGO51-3 超导材料2.2.超导体的主要特征超导体的主要特征1.1.完全导电性（零电阻效应）完全导电性（零电阻效应） 某些物质在一定值的温度下，电阻突然变到零，或某些物质在一定值的温度下，电阻突然变到零

4、，或 者者说电阻完全消失说电阻完全消失 ，这种状态称为超导态，这种状态称为超导态 ( super-conducting state )，而具有这种特性的物质就称为超导，而具有这种特性的物质就称为超导体体 ( superconductor ) 。超导临界温度超导临界温度： 超 导 体 在 刚 刚 进 入 超 导 态 的 温 度 叫 作超 导 体 在 刚 刚 进 入 超 导 态 的 温 度 叫 作 ( superconducting critical temperature )，用，用 Tc 表示。表示。即即TTc时，超导体出于正常态时，超导体出于正常态。LOGO61.常导体的常导体的“零零”电阻

5、比超导体的电阻比超导体的“零零”电电 阻的值要大很多。阻的值要大很多。（最纯净的铜的剩余电阻为（最纯净的铜的剩余电阻为 10 10-9-9cmcm数量级，水银超导体数量级，水银超导体1010-24-24cmcm数量级）数量级）2.2.常导体的电阻随温度渐变至常导体的电阻随温度渐变至“零零”，而超，而超 导体的电阻随温度下降几乎是跃变至导体的电阻随温度下降几乎是跃变至 “零零”的。的。3.3.超导体的超导体的“零零”电阻是指直流电阻。电阻是指直流电阻。1-3 超导材料如何理解超导体的如何理解超导体的“零电阻零电阻”超导体的超导体的“零零”电阻和常导体的电阻和常导体的“零零”电阻的电阻的含义是有根

6、本区别的含义是有根本区别的. .常导体的电阻率随温度的变化曲线常导体的电阻率随温度的变化曲线水银电阻率随温度的变化水银电阻率随温度的变化LOGOv 导体没有了电阻，电流流经超导体时就不发生热损耗，电导体没有了电阻，电流流经超导体时就不发生热损耗，电流可以毫无阻力地在导线中形成强大的电流，从而产生超流可以毫无阻力地在导线中形成强大的电流，从而产生超强磁场强磁场v 为了进一步证实这一发现，他们用固态的水银做成环路，为了进一步证实这一发现，他们用固态的水银做成环路，并使磁铁穿过环路使其中产生感应电流。在通常情况下，并使磁铁穿过环路使其中产生感应电流。在通常情况下，只要磁铁停止运动由于电阻的存在环路中

7、的电流会立即消只要磁铁停止运动由于电阻的存在环路中的电流会立即消失。但当水银环路处于失。但当水银环路处于4K4K之下的低温时，即使磁铁停止了之下的低温时，即使磁铁停止了运动，感应电流却仍然存在。这种奇特的现象能维持多久运动，感应电流却仍然存在。这种奇特的现象能维持多久呢？他们坚持定期测量，经过一年的观察他们得出结论，呢？他们坚持定期测量，经过一年的观察他们得出结论，只要水银环路的温度低于只要水银环路的温度低于4K4K，电流会长期存在，并且没有，电流会长期存在，并且没有强度变弱的任何迹象。强度变弱的任何迹象。神奇的超导神奇的超导LOGO2021-11-201-3 超导材料LOGO91-3 超导材

8、料 1933 1933 年，德国物理学家迈斯纳年，德国物理学家迈斯纳( (W.F.MeissnerW.F.Meissner) )和奥克逊菲尔德和奥克逊菲尔德(R. (R. OchsenfeldOchsenfeld ) ) 对锡单晶体超导对锡单晶体超导体做磁场分布测量时，在小磁场中把金属冷却进入超体做磁场分布测量时，在小磁场中把金属冷却进入超导态时，超导体内的磁感应线似乎一下子被导态时，超导体内的磁感应线似乎一下子被“排斥排斥”出去，保持体内磁感应强度出去，保持体内磁感应强度B B = 0 = 0 。实验表明，不论。实验表明，不论在进入超导态之前金属体内有没有磁感应线在进入超导态之前金属体内有没

9、有磁感应线 ，当它，当它进入超导态后，只要外磁场进入超导态后，只要外磁场 B B0 0 B Bc c，超导内，超导内 B B 总总是等于零，即是等于零，即 B B = 0 = 0 。由此可求得金属在超导态的。由此可求得金属在超导态的相对磁导率相对磁导率r r = = 1 (1 (r r 0 0 ，抗磁质，物质具，抗磁质，物质具有抗磁性有抗磁性) )，超导体具有完全抗磁性，超导体具有完全抗磁性(perfect (perfect diamagnetism)diamagnetism)。人们把这一效应称为迈斯纳效应。人们把这一效应称为迈斯纳效应 ( (MeissnerMeissner effect)

10、effect) 。2.2.迈斯纳效应的发现迈斯纳效应的发现 LOGO 产生这一现象的原因，是由于超导体的完产生这一现象的原因，是由于超导体的完全抗磁性，使小磁铁的磁力线无法穿透超全抗磁性，使小磁铁的磁力线无法穿透超导体，磁场发生畸变，便产生了一个向上导体，磁场发生畸变，便产生了一个向上的浮力。进一步的研究表明：处于超导态的浮力。进一步的研究表明：处于超导态的物体，外加磁场之所以无法穿透它的内的物体，外加磁场之所以无法穿透它的内部，是因为在超导体的表面感生一个无损部，是因为在超导体的表面感生一个无损耗的抗磁超导电流，这一电流产生的磁场，耗的抗磁超导电流，这一电流产生的磁场，恰巧抵消了超导体内部的

11、磁场。恰巧抵消了超导体内部的磁场。 LOGO1-3 超导材料 这种情况就这种情况就象是在超导盘下象是在超导盘下方，有一块相同方，有一块相同的镜象磁铁存在的镜象磁铁存在一样。根据这种一样。根据这种原理，可以利用原理，可以利用超导体做成无摩超导体做成无摩擦轴承、高精度擦轴承、高精度的导航用超导陀的导航用超导陀螺仪以及磁悬浮螺仪以及磁悬浮列车等。列车等。LOGO121-3 超导材料根据超导体完全抗磁性的性质 ，人们曾设计了一个有趣的实验 ，如果把一块磁铁放在一个超导体做成的盘子中 ，由于磁铁的磁力线无法穿透超导体 ，两者之间将产生一个斥力，磁铁就会悬浮起来。完全抗磁性的应用完全抗磁性的应用LOGOt

12、consBBEttan, 0*BtconsBBEttan, 0*BtconsBBEttan, 0*BtconsBBEttan, 0*BtconsBEttan*B超导体的迈斯纳效应与零电阻是相互独立的特性。超导体的迈斯纳效应与零电阻是相互独立的特性。J = E ， , E 0由超导性只能导出磁场为常量，而不能导出磁场被由超导性只能导出磁场为常量，而不能导出磁场被排出的结论。因而两个性质是独立的。排出的结论。因而两个性质是独立的。完全导电性（零电阻效应）和完全抗磁性是超导完全导电性（零电阻效应）和完全抗磁性是超导体最基本的两个性质体最基本的两个性质 ，其数学表达式为：，其数学表达式为：E=0 B=

13、0E=0 B=0衡量一种材料是否具有超导性必须看是否同时有零衡量一种材料是否具有超导性必须看是否同时有零电阻效应和迈斯纳效应。电阻效应和迈斯纳效应。LOGO141-3 超导材料 当超导体处于超导态时，当外磁场强度超过某一数当超导体处于超导态时，当外磁场强度超过某一数值值HcHc时，超导电性被破坏，超导体会突然就变成正常导时，超导电性被破坏，超导体会突然就变成正常导体，出现了电阻。体，出现了电阻。HcHc被称为临界磁场强度被称为临界磁场强度。临界磁场是温度的函数。临界磁场是温度的函数。Hc ( T ) = Hc ( 0 ) 1 ( T Tc ) 2 Hc ( 0 ) 为为 T 0 时的临界磁场。

14、时的临界磁场。T = Tc 时，时，Hc = 0，T 0 时，时， Hc 达到最大值。高于临界值是一达到最大值。高于临界值是一般导体，低于此数值时成为超般导体，低于此数值时成为超导体。导体。v（3）临界磁场强度：）临界磁场强度：LOGO2021-11-20 当通过超导体的电流超过一定的数值当通过超导体的电流超过一定的数值IcIc后，后，超导电性也可被破坏。超导电性也可被破坏。 Ic 的大小随温度的大小随温度 T 的高低而变化，在的高低而变化，在 Tc 下，下， Ic 为零。为零。（4）临界电流）临界电流 IcLOGO161-3 超导材料1.1.第一类超导体：只有一个临界磁场第一类超导体：只有一

15、个临界磁场 H Hc c 和正常态、超导态两和正常态、超导态两种状态的超导体叫第一类超导体。种状态的超导体叫第一类超导体。2. 2. 第二类超导体：具有两个临界磁场第二类超导体：具有两个临界磁场 H Hc1c1、H Hc2 c2 ，并且可以经，并且可以经 历超导态、混合态和正常态这三种状态的超导体，叫第二历超导态、混合态和正常态这三种状态的超导体，叫第二 类超导体。类超导体。超导体的分类超导体的分类LOGOv在在Hc1与与Hc2之间，导体的状态既不完全是麦斯纳之间，导体的状态既不完全是麦斯纳效应，也不完全是正常态，而是两者之间，具有效应，也不完全是正常态，而是两者之间，具有一定的抗磁性，当一定

16、的抗磁性，当H大于大于Hc2时，成为正常态导体时，成为正常态导体。第一类超导体的。第一类超导体的Hc2都比较小，第二类超导体都比较小，第二类超导体的的Hc2比较大，而且超导电流也比较大，具有很比较大，而且超导电流也比较大，具有很大的实用价值。大的实用价值。LOGO1-3 超导材料3.超导电性机制在常导体中，传导电流的是准电子，在外力作用下，电子在做定在常导体中，传导电流的是准电子，在外力作用下，电子在做定向运动的过程中遇到晶格原子或杂质和缺陷的碰撞，以至阻碍了向运动的过程中遇到晶格原子或杂质和缺陷的碰撞，以至阻碍了电子的定向运动，这种阻力称之为电阻。电子的定向运动，这种阻力称之为电阻。晶格振动

17、散射晶格振动散射杂质和缺陷散射杂质和缺陷散射常规电阻机制常规电阻机制温度较高温度较高温度较低温度较低LOGOv传统超导体的微观机制传统超导体的微观机制1. 二流体模型（宏观模型）二流体模型（宏观模型） 荷兰物理学家戈特和卡西米尔两个人在热力学理论的荷兰物理学家戈特和卡西米尔两个人在热力学理论的基础上提出。基础上提出。超导体中的两种电子：超导体中的两种电子：（1）正常的电子）正常的电子 （2）超导电子超导电子。两种电子象两种流体一样在超导体中流动。在正常态时，只有正两种电子象两种流体一样在超导体中流动。在正常态时，只有正常电子，所以它的行为就和正常导体一样，存在电阻。当常电子，所以它的行为就和正

18、常导体一样，存在电阻。当 T 降到降到 Tc 以下时，进入超导态，这时超导体就出现了超导电子，它们可以下时，进入超导态，这时超导体就出现了超导电子，它们可以不受任何阻碍地在超导体中流动，以不受任何阻碍地在超导体中流动， T 越低，超导电子就越多。越低，超导电子就越多。当当 T 无限地接近热力学温度零度时，超导体中就只有超导电子存无限地接近热力学温度零度时，超导体中就只有超导电子存在了。这样一个模型，称为在了。这样一个模型，称为 “ 二流体模型二流体模型 ” 。LOGO超导电性的微观图像v2. 库珀对（量子粒子）库珀对（量子粒子）1956年年Cooper发表了关于在一个大量电发表了关于在一个大量

19、电子的系统中子的系统中两个电子相互吸引两个电子相互吸引后就束缚在后就束缚在一起而一起而形成电子对形成电子对的论文。他证明费米的论文。他证明费米面上的两个自由电子，只要它们有吸引作面上的两个自由电子，只要它们有吸引作用，不管多弱和什么机制，都要形成束缚用，不管多弱和什么机制，都要形成束缚态。这样的两个处于束缚态的电子的总能态。这样的两个处于束缚态的电子的总能量量E略小于略小于E1+E 2LOGOv这样的一对能量在费米能相近，动量大小这样的一对能量在费米能相近，动量大小相等方向相反，自旋相反，相互束缚在一相等方向相反，自旋相反，相互束缚在一起的电子对叫起的电子对叫“Cooper对对”。Cooper

20、对对 “很大很大” ，两个电子之间的相互作用很微弱，两个电子之间的相互作用很微弱。Cooper对电子的总动量为零，单个电子的对电子的总动量为零，单个电子的速度和费米速度差不多，但它们的质心是速度和费米速度差不多，但它们的质心是不动的。不动的。LOGOvCooper对方向的有序性对方向的有序性 1. Cooper对电子比两个自由电子更有序。但这种对电子比两个自由电子更有序。但这种有序是方向上的有序，和位置的有序不同，它们有序是方向上的有序，和位置的有序不同，它们总是面对面的移动，围绕着它们的质心转动，所总是面对面的移动，围绕着它们的质心转动，所以它们也可以说是运动有序。以它们也可以说是运动有序。

21、2. 一对电子形成一对电子形成Cooper对并降低总能量，有更多的对并降低总能量，有更多的费米面下的电子去形成费米面下的电子去形成Cooper对，进一步降低总能量，对，进一步降低总能量，这个过程直到平衡为止。绝对零度时，费米面附近的这个过程直到平衡为止。绝对零度时，费米面附近的电子全部凝聚电子全部凝聚Cooper，大量，大量Cooper对电子的出现就对电子的出现就是超导态的形成。超导态中电子凝聚成是超导态的形成。超导态中电子凝聚成Cooper对，就对，就使它的总能量降低，并比正常态更有序。使它的总能量降低，并比正常态更有序。LOGOLOGO李政道先生提议的有关李政道先生提议的有关BCS超导机理

22、漫画：单翅蜜蜂代表单个电子，题曰：超导机理漫画：单翅蜜蜂代表单个电子，题曰：“单行苦奔遇阻力，双结生翅成超导单行苦奔遇阻力，双结生翅成超导”，下面为蜂窝状的，下面为蜂窝状的C60系列超导体。系列超导体。LOGO251-3 超导材料巴丁（左）、库珀、施里弗（右）巴丁（左）、库珀、施里弗（右）3. BCS理论理论1957年，约翰年，约翰巴丁巴丁 ( John Bardeen , 19081991，美，美国国 )、利昂、利昂库珀库珀 和和 约翰约翰施里弗施里弗 ( John Robert Schrieffer ,1931 ，美国，美国 ) 三人共三人共同创立了近代超导同创立了近代超导微观理论，被称为

23、微观理论，被称为超导超导 BCS 理论。三理论。三人分享了人分享了1972年度年度的诺贝尔物理学奖的诺贝尔物理学奖 LOGO261-3 超导材料BCSBCS理论理论: : 1)1)运动速度相同、方向相反的电子可形成电子对运动速度相同、方向相反的电子可形成电子对-库伯对库伯对; ;2)2)库伯对是通过电子库伯对是通过电子- -声子相互作用而松散地结合在一起声子相互作用而松散地结合在一起（吸引力与排斥力达到平衡）；（吸引力与排斥力达到平衡）；3)电子对与晶格之间实际上无能量交换，因此电子对不被电子对与晶格之间实际上无能量交换，因此电子对不被晶格散射，而无阻地流动着；晶格散射，而无阻地流动着；4)4

24、)电子形成费米球分布，球内常导电子，球面超导电子，电子形成费米球分布，球内常导电子，球面超导电子，可无阻的运动形成超导态可无阻的运动形成超导态; ;5)5)常导电子与超导电子依温度相互转化，常导电子与超导电子依温度相互转化，TTTcTc全部为常导全部为常导电子，电子，TTTc时，f=0，x=1.LOGO281-3 超导材料电子的有序态：电子的有序态：snnBCS理论的补充理论的补充：超导体中的常导电子超导体中的常导电子超导态是电子气状态的改变，而晶格结构并没有变化超导态是电子气状态的改变，而晶格结构并没有变化超导电流对常导电流的短路作用超导电流对常导电流的短路作用形成电子对的媒介：形成电子对的

25、媒介：总结：依据超导的总结：依据超导的BCSBCS理论，在超导体中，由于电子和晶格振动理论，在超导体中，由于电子和晶格振动（声子）作用所提供的吸引胜过电子之间库伦斥力，因此使具（声子）作用所提供的吸引胜过电子之间库伦斥力，因此使具有大小相同、方向相反的动量和自旋的两个电子形成了束缚的有大小相同、方向相反的动量和自旋的两个电子形成了束缚的电子对，凝聚到同一个最低能态上，出现了高度有序、长程相电子对，凝聚到同一个最低能态上，出现了高度有序、长程相干的量子状态。这种状态中电子对与晶格之间实际上无能量交干的量子状态。这种状态中电子对与晶格之间实际上无能量交换，因此电子对不被晶格散射，而无阻地流动着，即

26、出现了超换，因此电子对不被晶格散射，而无阻地流动着，即出现了超导电性。导电性。LOGO4.4.约瑟夫逊效应约瑟夫逊效应1.1.能隙能隙 在超导体的电子能谱中，在超导体的电子能谱中，有一小块空白的区域，不有一小块空白的区域，不允许电子具有这块区域中允许电子具有这块区域中的能量。这个不能有电子的能量。这个不能有电子存在的能量间隔就叫超导存在的能量间隔就叫超导能隙。能隙。1-3 超导材料超导材料LOGO1-3 超导材料超导材料2. .量子隧道效应：量子隧道效应： 电子具有穿过比其自身能量还要高的势垒的本领。当电子具有穿过比其自身能量还要高的势垒的本领。当然，穿透几率随势垒的高度和宽度的增加而迅速减小

27、。然，穿透几率随势垒的高度和宽度的增加而迅速减小。 例如：在两块常规导体例如：在两块常规导体AlAl中间夹入一层很薄的势垒中间夹入一层很薄的势垒（1010-10-10m m的绝缘层的绝缘层），），在两块在两块AlAl之间加上电势差，就有电之间加上电势差，就有电流流过绝缘层，该电流是有电阻的，这是正常导体的量子流流过绝缘层，该电流是有电阻的，这是正常导体的量子隧道效应。隧道效应。LOGO 19591959年，美国的物理年，美国的物理学家伊瓦尔学家伊瓦尔贾埃弗贾埃弗 ( (IvarIvar Giae-verGiae-ver，19291929 ) )做了这样一个做了这样一个实验，把一块超导体和实验，

28、把一块超导体和一块一块正常金属连接起来，正常金属连接起来，在它们之间夹在它们之间夹1-3 超导材料超导材料了一层很薄的绝缘介质层。对于在超导体和正常金属中的电了一层很薄的绝缘介质层。对于在超导体和正常金属中的电子来说，这个绝缘介质层就相当于一个势垒，当它很薄很薄子来说，这个绝缘介质层就相当于一个势垒，当它很薄很薄时，电子穿过的概率就很大了。在超导体和正常金属两端加时，电子穿过的概率就很大了。在超导体和正常金属两端加上电压后，贾埃弗成功地观察到了电子的隧道效应。并利用上电压后，贾埃弗成功地观察到了电子的隧道效应。并利用这种方法很准地测量了超导能隙。这种方法很准地测量了超导能隙。LOGO在贾埃弗的

29、实验中，是超导体中的正常电子通过隧道效应在贾埃弗的实验中，是超导体中的正常电子通过隧道效应而越过绝缘层。而越过绝缘层。构成电子对的两个电子能够作为一个整体构成电子对的两个电子能够作为一个整体而越过绝缘层吗？而越过绝缘层吗？1-3 超导材料超导材料？LOGO19601960年时，他年时，他又把绝缘层两又把绝缘层两边都换成超导边都换成超导体，实验也同体，实验也同样成功。样成功。1-3 超导材料超导材料LOGO约瑟夫森预言约瑟夫森预言 1962年，剑桥大学的博士后年，剑桥大学的博士后p 在极薄绝缘层（厚度约为在极薄绝缘层（厚度约为1nm）隔开的两个超导体断面处，）隔开的两个超导体断面处，电流可以穿过

30、绝缘层。电流可以穿过绝缘层。p 只要电流不超过某一临界值，则电流穿过绝缘层时将不产生只要电流不超过某一临界值，则电流穿过绝缘层时将不产生电压，该电压，该电流是没有电阻的电流是没有电阻的，称为超导隧道电流。，称为超导隧道电流。p 超导隧道电流与超导隧道电流与库柏电子对相关，库柏电子对相关，且电子对穿越势垒后仍保且电子对穿越势垒后仍保持为配对形式，这种不同于单电子隧道效应的新现象称为约持为配对形式，这种不同于单电子隧道效应的新现象称为约瑟夫森效应（直流）。瑟夫森效应（直流）。1-3. 超导材料超导材料LOGO 在超导结的结区两端加上一直流电压在超导结的结区两端加上一直流电压V V（电流大于临界电流

31、电流大于临界电流）, ,在在结区就出现高频的超导正弦波电流，其频率与所施加的直流电压结区就出现高频的超导正弦波电流，其频率与所施加的直流电压成正比，有如下关系式成正比，有如下关系式 (2e/h)V (2e/h)V， 2e/h=483.62e/h=483.610106 6 Hz/Hz/VV1-3 超导材料超导材料交流约瑟夫交流约瑟夫逊逊效应效应超导交流电流能辐射电磁波的特性，称为交流约瑟夫逊效应。超导交流电流能辐射电磁波的特性，称为交流约瑟夫逊效应。 （若所加电压是几微伏，则在微波区域；若为几毫伏，则在远（若所加电压是几微伏，则在微波区域；若为几毫伏，则在远红外波段）向外辐射电磁波。红外波段）向

32、外辐射电磁波。把直流与交流效应统称为把直流与交流效应统称为 约瑟夫约瑟夫逊逊效应。是超导器件的基础效应。是超导器件的基础)2sin(200tVhejjcsLOGO 由由BCSBCS理论知道理论知道, ,库珀对是长程有序的，因此在一块超导体库珀对是长程有序的，因此在一块超导体中所有的库珀对具有相同的位相。如果两块超导体中间的绝缘中所有的库珀对具有相同的位相。如果两块超导体中间的绝缘层较厚层较厚, ,则两块超导体中电子无关联则两块超导体中电子无关联, , 各自具有独立的位相各自具有独立的位相1 1和和2 2。当绝缘层减小到某一厚度后，两块超导体中的超导电。当绝缘层减小到某一厚度后，两块超导体中的超

33、导电子就以位相差子就以位相差 1 12 2联系起来。这时的绝缘层就成为联系起来。这时的绝缘层就成为一个一个“弱弱”超导体。库珀对可通过这个超导体。库珀对可通过这个“弱弱”超导体而出现超超导体而出现超流隧道或电子对流隧道或电子对 交流约瑟夫逊效应物理解释 1-3 超导材料超导材料LOGO 约瑟夫逊、贾埃弗和江崎玲于奈约瑟夫逊、贾埃弗和江崎玲于奈 ( Leo Esaki( Leo Esaki，19251925 ，日本，发现半导体的隧道效应日本，发现半导体的隧道效应 ) ) 由于他们的重大贡献而获得了由于他们的重大贡献而获得了1973 1973 年的诺贝尔物理学奖。年的诺贝尔物理学奖。 人们后来认识

34、到，并不仅仅是在超导体绝缘体超导体这样人们后来认识到，并不仅仅是在超导体绝缘体超导体这样的结构中才有约瑟夫逊效应，只要将的结构中才有约瑟夫逊效应，只要将两块超导体以某种两块超导体以某种 “ 弱连接弱连接 ” 结区具有超导电性结区具有超导电性 ( ( 库珀库珀对可以穿过对可以穿过 ) )，而这超导电性又是微弱的，而这超导电性又是微弱的 ( ( 临界电流只有微安临界电流只有微安到毫安数量级到毫安数量级 ) )，换句话说，形成了超导电性的薄弱环节。，换句话说，形成了超导电性的薄弱环节。 的的方式耦合起来，就可能会出现这些效应。因此，对约瑟夫逊效方式耦合起来，就可能会出现这些效应。因此，对约瑟夫逊效应

35、应有更广义地理解。应应有更广义地理解。1-3 超导材料超导材料LOGO1-3 超导材料超导材料约瑟夫逊结的几种形式约瑟夫逊结的几种形式( (弱耦合弱耦合- -超导微桥，点接触超导微桥，点接触) ) 国际计量局（国际计量局（BIPMBIPM）的约瑟夫逊基准室）的约瑟夫逊基准室 LOGO391-3 超导材料5.5.超导材料的发展超导材料的发展LOGO40 1986年年4月，乔治月，乔治柏诺兹柏诺兹 ( J. Georg Bednorz ，1950 ，瑞士，瑞士 ) 和和 卡尔卡尔缪勒缪勒 ( Karl A. Muller ，1927 ，德国，德国 ) 向德国向德国物理杂志物理杂志提交了题为提交了题

36、为“ BaLaCuO 系统中可能的高系统中可能的高 Tc 超导电性超导电性 ” 的论文。后的论文。后来，日本东京大学的几位学者根据他们的配方复制了类来，日本东京大学的几位学者根据他们的配方复制了类似的样品，证实钡镧铜氧化物具有完全抗磁性。似的样品，证实钡镧铜氧化物具有完全抗磁性。Tc 提提高到了高到了 33K 。柏诺兹和缪勒因发现钡镧铜氧系统中的。柏诺兹和缪勒因发现钡镧铜氧系统中的高高 Tc 超导电性，共同分享了超导电性，共同分享了1987年度诺贝尔物理学奖。年度诺贝尔物理学奖。柏诺兹和缪勒的发现使人类从基本探索和认识超导电性柏诺兹和缪勒的发现使人类从基本探索和认识超导电性跨越到超导技术开发时

37、代。跨越到超导技术开发时代。高温超导高温超导1-3 超导材料超导材料LOGO 我国在高温超导的研究中也占有一席之地我国在高温超导的研究中也占有一席之地1987年年2月月24日中国科学院赵忠贤领导的科研日中国科学院赵忠贤领导的科研组组 钇钡铜氧钇钡铜氧 ( YBaCuO ) Tc 92.8 K ，液，液氮温区氮温区77.3 K。优点：价格比液氦便宜优点：价格比液氦便宜 100 倍，倍， 冷却效率高冷却效率高 63 倍，倍， 氮十分安全的气体，大大扩展了超导的应用前氮十分安全的气体，大大扩展了超导的应用前 景。景。1-3 超导材料超导材料LOGO l由铋、锶、钙、铜和氧构成的高温超导材料由铋、锶、

38、钙、铜和氧构成的高温超导材料已制成超导导线，比常规铜线运载电流大已制成超导导线，比常规铜线运载电流大100100倍。倍。 1-3 超导材料超导材料2000 年年 北京有色金属研究总院宣布，该院的超导材料北京有色金属研究总院宣布，该院的超导材料研究中心研究成功制备了我国第一根百米长的铋系高研究中心研究成功制备了我国第一根百米长的铋系高温超导带材材料温超导带材材料 ，表明我国超导材料研究从实验室迈，表明我国超导材料研究从实验室迈向应用阶段向应用阶段 ，达到国际先进水平，达到国际先进水平 1998 年年7月，北京有色金属研究总院与兄弟单位月，北京有色金属研究总院与兄弟单位 共共同研制成我国第一根同研制成我国第一根 1 米长的铋系高温超导直米长的铋系高温超导直 流输流输电模型电缆，运载电流达到电模型电缆，运载电流达到 1200 安安 ，使我，使我 国顺利国顺利成为世界上少数几个掌握这一技术的国家。成为世界上少数几个掌握这一技术的国家。LOGO1-3 超导材料6.6.超导体的应用超导体的应用LOGO441-3 超导材料(1) 超导磁体：与常规磁体比较有四个有点。超导磁体：与常规磁体比较有四个有点。(2) 用于核磁共振用于核磁共振 ( N M R ) 装置上，以提供装置上，以提供1-10 T 的均匀磁场。的均匀磁场。(3)用于