超导材料物理性质、典型理论和常见材料应用

1、超导材料物理性质、典型理论和常见材料应用第一节 超导电性的发展历史第二节 超导体的基本物理性质第三节 传统超导体的超导电性理论第四节 两类超导体第五节 超导隧道效应第六节 超导材料的进展及高Tc的追求第七节 几种超导材料第四节 两类超导体超导体的临界参数临界温度临界电流临界磁场昂内斯通过大电流失败超导纯金属的临界温度和临界磁场20世纪30年代 “杂质效应”20世纪60年代 肯兹勒 锡化三铌 (Nb3Sn，铌三锡)Nb3Sn：在液氦中，在强度为磁场中可以通过1105A/cm2这样大的电流密度而测不出有电阻 29.44 10631.83 1062124Nb3Ge27.06 10620Nb3Ga18

2、.30 10617V3Si17.51 10619.90 1061718Nb3Sn16.71 10618.30 10614.5V3Ga7.1610610.34106810Nb3Tl上临界磁场Hc2/Am-1 (T=4.2K下)临界温度Tc/K物质几种第二类超导体的临界温度Tc和上临界磁场Hc2第类超导体 只有一个临界磁场Hc 在超导态，磁化行为满足： M/H=-1，具有迈斯纳效应。除钒、铌、钽外，其他超导元素都是第I类超导体。B/m0H-MHHcHc第类超导体2. 第类超导体有两个临界磁场，即下临界磁场HC1和上临界磁场HC2，如图所示。HHC1时，同第I类超导体HC1HHC2时, 正常态-MH

3、Hc1Hc2B/m0HHc2Hc1第类超导体混合态中的磁力线的观察：右图是伊斯曼(UEssmann)和梯奥堡(HTrauble)用磁性装饰法获得的第类超导体处于混合态时磁力线排布的照片从照片上直接数出磁力线总数N、再测出穿过超导体的总磁通量，可计算出一根磁力线的磁通量0，0=N，实验结果表明， 0-15韦伯。正好等于一个磁通量子，也就是h2e。h是普朗克常数，e是电子电量在涡旋相邻区域处电流方向相反，因此涡旋互相排斥形成三角形排列 正常芯的结构：1.磁力线有一个正常的芯，芯的半径为相干长度2.磁通量子由环流的超导电流（涡旋电流）所维持23. 涡旋管的中心的超导态完全被破坏，没有超导电子，超导态

4、从涡旋管的中心开始逐渐恢复沿着管的半径向外，超导态电子逐渐增加，到涡旋管半径约为相干长度时，超导态完全恢复2理想第二类超导体的磁力线分布(a) H=HC1 (b) HC1HHC2 (c) H=HC2两个磁力线之间的距离：当外加磁场H低于Hc1时，第二类超导体的行为完全象第一类超导体，显示出完全抗磁性和等于一H的磁化强度。 当外场强度达到Hc1时，有涡旋电流的正常心在表面上形成，并穿进材料。穿过涡旋的磁通与外加磁场产生的磁通方向相同，因而材料中的磁通不再等于零，同时磁化强度的大小突然减小。 3. 在强度为Hc1和Hc2之间的磁场中，随外加磁场的增大，导体中正常芯的数目增加，正常芯更加紧密地挤在一

5、起，结果材料的磁感应强度（平均磁通密度）增加，磁化强度的大小随H的增加而平稳地减小 4.在高于Hc2时材料处于正常态，磁化强度为零 材料都有自动降低自由能的趋势 考虑一超导物体处于场强小于临界值Hc2的外加磁场中，并假定这材料内要出现一正常区其边界与外加磁场方向平行。出现这样的正常区就要改变超导体的自由能，我们可以考虑两项对自由能变化的贡献，一项贡献来自正常区的整体，另一贡献是由其表面引起的。 Hlxy(x)磁贡献（）库柏电子对的贡献（）对总自由能贡献gnet(x)gsc(x)x (nm)l (nm)Tc (K)Hc2 (T)Al1600501.2.01Pb83397.2.08Sn230513

6、.7.03x (nm)l (nm)Tc (K)Hc2 (T)Nb3Sn112001825YBCO1.520092150MgB251853714第一类超导体第二类超导体 相干长度和穿透深度的相对值随不同材料而异。进一步的研究的话，人们发现相干长度，穿透深度都和电子自由程密切相关，电子自由程的减小使得相关长度减小，穿透深度增加。金属中的杂质会使电子平均自由程减小，因而不纯金属或合金中的相干长度可远远小于穿透深度。所以，一些合金或十分不纯的金属通常是第二类超导体。理想的第二类超导体软超导体 磁力线流动产生流阻第类超导体的混合态示意图第二类超导体的重要性就在于可以采用某种适当的工艺，固定住磁力线。如果

7、磁力线被固定在超导体中(通常说磁力线被钉扎中心钉扎住了)不动，则电流就会沿着超导态的通路流动而不产生任何电阻 混合态的超导体从整体载流效果来看与完全处于超导状态一样：电流会集中沿着没有电阻的超导区构成的通道中流动，有电阻的正常区好象不存在一样 第二类超导体有很大的上临界场和临界电流密度，具备作为强场和大电流下工作的基本条件超导体作为实际材料应用成为可能超导材料的临界电流密度可以用适当的加工工艺来提高的如何提高第二类超导材料的钉扎效果和临界电流密度是当前超导材料研究的一个重大方向提高第二类超导体临界电流的方法同一横向外加磁场中，第二类超导体电压-电流曲线同一超导体， A、B、C表示样品越来越不完

8、整第一节 超导电性的发展历史第二节 超导体的基本物理性质第三节 传统超导体的超导电性理论第四节 两类超导体第五节 超导隧道效应第六节 超导材料的进展及高Tc的追求第七节 几种超导材料单电子隧道效应 正常金属的隧道效应 金属-超导体的隧道效应 超导体间的隧道效应约瑟夫森效应第五节 超导隧道效应在经典力学中 ，只有粒子具有足够的能量越过势垒时，它才会从一个空间进入另一个空间区域中去。在量子力学中，一个能量不大的粒子也可能会以一定的几率穿过势垒，这就是所谓的隧道效应粒子发生隧道效应的概率和势垒的宽度以及势垒能量和粒子能量的差有关 第一 在隧穿过程中，系统的总能量必须守恒（是指包括绝缘层(或间隙)两边

9、金属在内的整个系统，在隧穿过程发生前后。能量要求保持不变）第二 必须遵守泡利不相容原理（由于发生隧道效应的主体是单个电子，必然要受泡利不相容原理的制约，因此电子隧穿进入的态必须是空态才被允许）。只有这两个条件被同时满足时，隧道效应才会发生隧道效应必须满足的条件： 正常金属的隧道效应正常金属的隧道效应真空EFEFEFEF在金属片B中出现的相应空态数目，是与所加偏压的大小成正比的，从而隧道电流也将与偏压成线性比例关系 金属-超导体（N-I-S）隧道效应当温度高于绝对零度时，会有一些超导电子对，因热激发而被拆散成两个准粒子，而进入比基态能级高出以上的受激态能级上。拆散一个电子对：2，一个受激准粒子：

10、。受激准粒子类似于正常电子，遵守费米狄拉克统计， 或泡利不相容原理，正因为这样，受激准粒子也称单电子。在0K，超导体处于基态，即超导电子对全部凝聚在上图所示的同一能级上，遵守波色-爱因斯坦统计。受激准粒子库柏对V=0V/e金属-超导体（N-I-S）隧道效应-/eVIV-/eeVeVeV超导体正常金属超导体正常金属超导体正常金属超导体正常金属超导体正常金属/eIV-/eT=0KS-I-N 伏安特性曲线T=0K，S-I-N 伏安特性曲线/eIV-/eT0KS-I-N 伏安特性曲线T0K，S-I-N 伏安特性曲线2eVV2/e2eVV=2/e2/eIV正常隧道效应两个相同超导体间（S-I-S)的隧道

11、效应2/eIV-2/eT0K，S-I-S 伏安特性曲线T0K，S-I-S 伏安特性曲线约瑟夫森效应：双电子隧穿效应约瑟夫森效应上面提到的单电子隧道效应，当绝缘层厚度在几十到几百纳米左右时，对于金属-绝缘体-金属而言，电子能够穿过绝缘体；对于S-I-N，S-I-S而言，当电压达到一定程度时，库柏电子对能够分成两个准粒子，一个发生隧穿到另一个金属，另外一个进入本超导体的准粒子态。不管怎样，都是单个粒子穿越隧道结，因而称这些为单电子隧道效应。我们都知道超导体中的导电粒子是库柏对，当两个超导体被绝缘薄层连接在一起时，有没有可能库柏对不发生分裂，直接穿过绝缘体呢？Brian D. JosephsonTh

12、e Discovery of Tunnelling SupercurrentsThe Nobel Prize in Physics 1973 绝缘薄层薄到一定程度时，超导电子对（库柏对）就能够隧穿绝缘薄膜，形成超导隧道电流。他宣称用电线连接超导体绝缘体超导体的结，当外加电压为零时，会出现电流即超导电流；而如果在结上加一个很小的直流电压会出现交变的超导电子对隧道电流高频交流电的频率等于2eV/h。 约瑟夫森1962年预言：1. 当不存在电场时，有直流电流通过结，通过结的超导电子对电流J 为：2. 在结的两端施加直流电压时，电流发生震荡，其频率与施加的电压成正比： J是通过隧道结的电流，J0是能够

13、通过结的最大零压电流，正比于迁移相互作用，是隧道结两边电子对波的位相差，V是结两端的直流电压 约瑟夫森在他的理论中，预言了外磁场的作用：当外磁场恒定时，有一稳定的超导电流流经超导结(这与普通超导体的迈斯纳效应类似，但这里的超导电流很弱)。当外磁场变化时，电流将随外磁场的增大而周期件地起伏变化(这是超导结持有的现象)。1963年，美国人菲利普沃伦安德森观察到了隧道电流的存在罗威尔进一步证实了隧道电流和磁场的关系。1973年诺贝尔物理学奖：Leo Esaki Ivar Giaever Brian D. Josephson BCS理论指出，电子对的相位关系，在整块超导体内是高度有序排列的(即所谓长程

14、有序)。但是，当两块超导体之间有一薄绝缘势垒层分开时，随即在这之间产生量子相位差。量子相位差就是产生约瑟夫森直流效应与交流效应的根源。而隧道超流等一系列的新奇现象，只不过是量子相位差的宏观显示 。直流约瑟夫森效应的伏安特性曲线 1. 库柏对能够隧穿绝缘薄膜，形成无阻的超导电流，似乎绝缘薄层也成了超导体。事实上，绝缘薄层的超导电件完全是由库柏对的隧道效应引起的，因而是一种十分微弱的超导电性。一般情况下，隧道结的临界电流是非常小的，大约只有几十微安到几十毫安量级2. 直流超导电流穿过隧道结，只要电流不大于临界电流，隧道结就呈现无阻的性质，从而结两端的电压为零。因此，这种隧道效应通常称为直流隧道效应。它的伏安特性曲线是电流轴上的一段直线，从零到最大约瑟夫森电流Ic为止。 3. 如果电流继续增加，超过超导结的临界电流Ic，那么无阻特性被破坏，直流约瑟夫森效应消失。但是，单电子隧道效应仍可进行。从下图可以看出，I-V曲线将由直流约瑟夫森效应曲线转换到单电子隧道效应曲线，同时显示出隧道结两端的压不等于零，即结电阻不等于零。2/eIcV-2/e直流约瑟夫森效应的伏安特性曲线IIc约瑟夫森效应