超导物理学讲座

1、超导物理学讲座第1页，共128页，2022年，5月20日，17点34分，星期三2超导物理学一、超导物理学的诞生和发展二、超导体的基本性质三、超导体的微观理论四、超导体的应用第2页，共128页，2022年，5月20日，17点34分，星期三31.历史背景低温导电性研究已知：温度下降，电阻下降，T0K，R？ R0：晶格振动停止； R：电子运动静止； Rconst：两种共同作用。 奇异的低温世界里隐藏着大量的奥秘，当温度逐步降低时，许多材料会发生有趣的物理变化。第3页，共128页，2022年，5月20日，17点34分，星期三42、超导电性的发现 1911年，昂尼斯发现将汞冷却到4.2K时，汞的电阻突然

2、消失，他称这种电阻突然消失的现象为超导现象（Superconductivity），具有超导现象的材料被称为超导体（Superconductor）。而对应于某一超导体电阻突然消失的温度被称为该材料的超导临界转变温度（superconducting critical temperature），一般用Tc表示。 这一发现标志着超导物理学的诞生。 第4页，共128页，2022年，5月20日，17点34分，星期三5超导电性的发现1911年昂尼斯(左)和范得瓦尔斯在实验室里第5页，共128页，2022年，5月20日，17点34分，星期三6超导电性的发展 自从昂尼斯1911年发现超导现象以来，人们已发现共有

3、近40种元素是超导体。被发现的合金、化合物超导体的数量达到数千种。第6页，共128页，2022年，5月20日，17点34分，星期三7超导电性的发展 经过数十年的努力，超导体临界温度只能提高到23.2K（Nb3Ge,1975年）。由于以上的超导现象只能在液氦温区出现，而氦是一种稀有气体，因而大大限制了超导的应用。 人们一直在探索把超导临界温度提高到液氮温区（77K）以上的办法，这就出现了高温超导研究。第7页，共128页，2022年，5月20日，17点34分，星期三8新的突破高温超导 1986年缪勒和贝德诺兹发现了一种成分为镧、钡、铜、氧的陶瓷性金属氧化物La2-xBaxCuO4，其临界温度约为3

4、5K，标志进入了高温超导研究阶段。 1987年，Nobel PrizeMller(右)和Bednorz在他们的实验室(IBM Zurich)里第8页，共128页，2022年，5月20日，17点34分，星期三9新的突破高温超导朱经武赵忠贤 1987年2月，美国华裔科学家朱经武和中国科学家赵忠贤相继在YBa2Cu3O7系材料上把超导临界温度提高到90K以上，成功地突破了液氮温区（77K）。 自此，掀起了全球性的高温超导研究热潮。第9页，共128页，2022年，5月20日，17点34分，星期三10新的突破高温超导区分：液氦温区的金属合金化合物超导体称为传统超导体。氧化物超导体称为高温超导体。第10页

5、，共128页，2022年，5月20日，17点34分，星期三11新的突破高温超导超导体的判断准则：一、零电阻现象二、迈斯纳效应 (完全抗磁性)三、稳定性和再现性四、可重复性和可验证性第11页，共128页，2022年，5月20日，17点34分，星期三12新的突破高温超导1988年，Tl-Ba-Ca-Cu-O系材料又把临界超导温度的记录提高到125K。1994年,Hg-Ba-Ca-Cu-O,临界温度提高到135K，高压下已达到164K。高温超导材料的不断问世，为超导材料从实验室走向应用铺平了道路。1987年，Bi-Sr-Ca-Cu-O系材料,临界超导温度提高到110K。第12页，共128页，2022

6、年，5月20日，17点34分，星期三13新的突破高温超导第13页，共128页，2022年，5月20日，17点34分，星期三14新的突破高温超导Tc未有突破，但仍不断努力C60，MgB2，NaxCoO2 室温超导：不可抗拒的诱惑第14页，共128页，2022年，5月20日，17点34分，星期三15一、超导物理学的诞生和发展二、超导体的基本性质三、超导体的微观理论四、超导体的应用超导物理学第15页，共128页，2022年，5月20日，17点34分，星期三16超导体的基本性质1、零电阻效应2、迈斯纳效应(完全抗磁性)3、超导态的临界参数4、约瑟夫森效应5、超导体的宏观量子化现象6、超导体的分类第16

7、页，共128页，2022年，5月20日，17点34分，星期三171、零电阻效应 将超导体冷却到临界温度（TC）以下时电阻突然降为零的现象称为超导体的零电阻现象。不同超导体临界温度各不相同。第17页，共128页，2022年，5月20日，17点34分，星期三181、零电阻效应超导体I 在超导体内部场强总为零。因此维持超导体内部持续电流不需要加电场。第18页，共128页，2022年，5月20日，17点34分，星期三191、零电阻效应电阻的成因：电子运动与晶格振动相互作用，损失能量放热。TTc时，正常导体；TTc时，超导，电子运动完全不受晶格振动影响。第19页，共128页，2022年，5月20日，17

8、点34分，星期三201、零电阻效应零电阻的测量： 超导环，磁场感应电流，两年不衰减。超导态铅：3.610-22cm正常态铜：=1.610-6cm第20页，共128页，2022年，5月20日，17点34分，星期三212、迈斯纳效应(完全抗磁性) 1933年，迈斯纳和奥森菲尔德共同发现了超导体的另一个极为重要的性质，当金属处在超导状态时，超导体内的磁感应强度为零，原来存在于体内的磁场（磁力线）被排挤出去。人们将这种现象称之为“迈斯纳效应”。W.Meissner第21页，共128页，2022年，5月20日，17点34分，星期三222、迈斯纳效应(完全抗磁性)第22页，共128页，2022年，5月20

9、日，17点34分，星期三232、迈斯纳效应(完全抗磁性)超导体不是理想导体！对于理想导体(=0,E=0)： 这只说明磁感应强度B不随时间变化(可以是任意常数)。而对于超导体，其内部的磁感应强度B恒为0。第23页，共128页，2022年，5月20日，17点34分，星期三242、迈斯纳效应(完全抗磁性)第24页，共128页，2022年，5月20日，17点34分，星期三252、迈斯纳效应(完全抗磁性)第25页，共128页，2022年，5月20日，17点34分，星期三262、迈斯纳效应(完全抗磁性)结论： 理想导体在外磁场中的行为与经历的过程有关。 超导体在外磁场中的行为与经历的过程无关。 无论过度到

10、超导态的途径如何，只要TTc时,把一个处于正常态的超导环放置于外磁场中。降低温度使T0的上半空间，并设B沿x方向, Bx=B(z)。当z为数个L线度时，B(z)基本上为零。 L标志着磁场透入超导体内的线度-穿透深度电流分布L-电流穿透深度第69页，共128页，2022年，5月20日，17点34分，星期三例1 求理想迈斯纳状态下，超导体的面电流密度s与边界上的磁感应强度B之间的关系。切向法向第70页，共128页，2022年，5月20日，17点34分，星期三由于迈纳斯效应,在超导体表面产生超导电流s，它所产生的磁场在超导体内部与外场反向，因而把外磁场屏蔽，使超导体内部B=0第71页，共128页，2

11、022年，5月20日，17点34分，星期三例2 处于一般迈斯纳态、半径为a的无穷长超导圆柱体，放入均匀磁场B=B0ez中，柱轴与磁场方向平行。求磁场分布和超导电流分布。柱外：因电流为零，磁场的旋度和散度均为零，因此磁场是常数。柱内：将L换为p。由对称性，磁场只能是柱坐标中径向坐标的函数，服从方程常数零阶虚宗量贝塞尔函数第72页，共128页，2022年，5月20日，17点34分，星期三边值关系 当ap, 磁场和电流均呈指数衰减 超导电流在柱体内产生的磁场与外磁场相反，部分抵消进入柱体的外磁场。 当a,超导电流为理想化的面电流分布，完全抵消进入柱体内的外磁场。第73页，共128页，2022年，5月

12、20日，17点34分，星期三例3 半径为a、处于理想迈斯纳态的超导球体置于均匀外磁场H0中，求外部真空中的磁场分布和超导面电流分布。此时超导体内B=0, Js=0， 超导电流被视为面电流。只需求解超导体外部的磁场，边值关系为理想迈斯纳状态下场分布的求解第74页，共128页，2022年，5月20日，17点34分，星期三解：球外没有电流，可引入磁标势，求解标势的拉普拉斯方程。由轴对称性和无穷远处场，可获得解的形式为磁场只沿表面，法向导数为零，可得磁偶极矩贡献表面电流：第75页，共128页，2022年，5月20日，17点34分，星期三例4 有一小磁铁（或小线圈）位于大块超导体平坦的表面附近的真空中，

13、其中磁矩m的方向与超导体表面垂直。试估算超导体外部的磁场分布和磁矩受到的作用力。第76页，共128页，2022年，5月20日，17点34分，星期三解：设想大块超导体为无限大。设z0的空间为真空。在z=a取可在z=-a取镜象由场叠加原理得上半空间任一点的磁感应强度产生磁场产生磁场第77页，共128页，2022年，5月20日，17点34分，星期三m在z=a处产生磁场超导体对磁矩m的作用能作用力：排斥第78页，共128页，2022年，5月20日，17点34分，星期三792、唯象理论发展Ginzberg-Landau方程伦敦理论的缺陷：未考虑磁场的影响和ns的空间分布。1950年，金兹堡和朗道提出的理

14、论，考虑ns不仅是T的函数，而且是空间位置r和磁场B的函数，引入序参量(r)和矢量势A,可以解释更多的现象。相干长度：ns有显著变化的范围， 10-4cm第79页，共128页，2022年，5月20日，17点34分，星期三803、超导能隙 超导体处于正常态时，大量电子遵从泡利不相容原理按能级由低到高依次填充到费密能级EF。正常态的能级空带EF占满正常态第80页，共128页，2022年，5月20日，17点34分，星期三813、超导能隙 超导体处于超导态时，出现能隙，即在费密能级EF附近出现宽度为2的能量间隔，这个能量间隔内不能有电子存在，这个叫超导能隙。超导能隙能隙空带EF占满2超导态第81页，共

15、128页，2022年，5月20日，17点34分，星期三823、超导能隙超导能隙的意义： 超导能隙的出现反应了从正常态到超导态转变过程中电子状态发生了变化，产生了某种相互作用。 直接作用：库仑排斥，能量升高 间接作用：吸引 （？）第82页，共128页，2022年，5月20日，17点34分，星期三834、同位素效应 实验发现超导体的临界温度TC依赖于同位素质量的现象称为：同位素效应。第83页，共128页，2022年，5月20日，17点34分，星期三844、同位素效应同位素效应的意义： M反映晶格的性质，TC反映超导态下电子的性质。同位素效应把二者联系起来。 超导与声子（晶格振动）有关。电子-声子间

16、的相互作用是引起超导转变的关键因素。第84页，共128页，2022年，5月20日，17点34分，星期三855、传统超导体的超导机制-BCS理论库柏电子对 1956年，库柏提出超导态下电子对的形成是产生能隙的原因。 一对电子通过与声子的相互作用而存在净吸引作用时形成电子对的束缚态。 只有两个动量大小相等方向相反的电子才能形成库柏电子对。第85页，共128页，2022年，5月20日，17点34分，星期三865、传统超导体的超导机制-BCS理论 电子-声子相互作用第86页，共128页，2022年，5月20日，17点34分，星期三875、传统超导体的超导机制-BCS理论第87页，共128页，2022年

17、，5月20日，17点34分，星期三885、传统超导体的超导机制-BCS理论铁索桥对两个人的间接作用鼓面上的两个棋子相互靠拢第88页，共128页，2022年，5月20日，17点34分，星期三895、传统超导体的超导机制-BCS理论 1957年由巴丁、库柏、施里弗创建了传统超导体的量子理论，简称BCS理论。 该理论模型基于量子力学理论，其主要观点是：在超导体内部，由于电子和点阵之间的相互作用，在电子与电子之间产生了吸引力，这种吸引力使传导电子两两结成电子对，组成每个电子对的两个电子动量相等、自旋方向相反，这种电子对称为库珀电子对或超导电子。第89页，共128页，2022年，5月20日，17点34分

18、，星期三905、传统超导体的超导机制-BCS理论 库珀电子对的能量低于两个正常电子的能量之和，因而超导态的能量低于正常态。在绝对零度时，全部电子都结成库珀电子对，都是超导电子，随着温度的升高，晶格振动能量不断增大，库珀电子对就不断地被拆散并转变为正常电子，在温度达到临界温度以上时，库珀电子就全部被拆散，所有电子都是正常电子。 第90页，共128页，2022年，5月20日，17点34分，星期三915、传统超导体的超导机制-BCS理论 超导态下电子系统显示出某种刚性（有序态），使之能够克制个别散射事件造成的阻力而产生零电阻效应，亦能抗拒外来磁场的入侵而导致迈斯纳效应。第91页，共128页，2022

19、年，5月20日，17点34分，星期三925、传统超导体的超导机制-BCS理论BCS理论 1972年，Nobel PrizeJohn Bardeen Leon N. Cooper J. Robert Schrieffer 第92页，共128页，2022年，5月20日，17点34分，星期三936、高温超导体的超导机制高温超导体的特点 目前发现的高温超导材料，如La2-xBaxCuO4 、YBa2Cu3O7、Bi-Sr-Ca-Cu-O、Tl-Ba-Ca-Cu-O等，都是金属氧化物，在本质上是陶瓷材料。而且都是铜基氧化物，且为层状结构。第93页，共128页，2022年，5月20日，17点34分，星期三

20、946、高温超导体的超导机制 实验发现高温超导体的超导电性主要发生在CuO2面内。第94页，共128页，2022年，5月20日，17点34分，星期三956、高温超导体的超导机制高温超导体的相图La2-xBaxCuO4母体：反铁磁掺杂：超导第95页，共128页，2022年，5月20日，17点34分，星期三966、高温超导体的超导机制高温超导体的超导机制：还不清楚 高温超导材料的超导机制不能用BCS理论来解释。 1.BCS预言Tc不会超过40K， 2.高温超导体中电声耦合小于1/2。 需要新的超导机理。第96页，共128页，2022年，5月20日，17点34分，星期三976、高温超导体的超导机制几

21、种代表性观点：共振价键理论 1987年，安德森（）提出了共价键理论。该理论认为，氧化物超导体的母晶体，可以认为是莫脱（Mott）型绝缘体，其中的电子由于强相互关联作用被定域在各个格点附近。相邻格点的电子自旋相反而构成单重态共价键。通过掺杂后，局域化的共价键系统受到驱动，通过超交换作用，使其退局域化而流动起来。若在流动中还能保持原有的配对关系，则可视为大量定域共价键发生共振而转变的一种超流的库珀对集合，绝缘晶体则转化为超导体。这种由实空间定域配对转变为能量空间的非局域配对机制，称为“共振价键理论”。这一理论是一种全电子理论，它与晶格振动没有直接联系，它能说明新的超导体的弱同位素效应。但是，由于用

22、它说明具体问题时，还需引入一些辅助性假设，目前还未得到公认。第97页，共128页，2022年，5月20日，17点34分，星期三986、高温超导体的超导机制双极化子理论 该理论认为，氧化物超导体中含有正负离子交换复式晶格。由于极化电场的存在，导致强电声子相互作用。当电子在晶格间运动时，造成附近晶格畸变。电子与“畸变”一起运动，可以构成复合粒子，称为极化子。当两个极化子相互靠近时，联合畸变将形成双极化子。无数个双极化子在空间的流动，即形成超导态。双极化子理论并未超出BCS理论的框架，与库珀对比较，双极化子理论则更接近实际情况。第98页，共128页，2022年，5月20日，17点34分，星期三996

23、、高温超导体的超导机制激子理论 激子理论认为，氧化物超导体可视为在氧化铜层两侧各有一金属层，而形成夹层结构。当金属层中的电子靠近氧化铜层时，电子的波函数部分有可能隧穿入氧化层，使其中的负电荷被排斥而显示一个带正电的空穴。电子与空穴的库仑吸引，形成电子- 空穴束缚对，称为激子。同时带正电的空穴还能把另一侧金属层中的一个电子拉过来，于是两金属层中的电子，通过氧化层的空穴两两配对，构成库珀对而实现超导态。激子机制理论可以阐明氧化物超导体的空穴导电、各向异性输运等特点。问题在于是否能把这种结构视为金属层与氧化物层的交叠，该理论还有待进一步完善。第99页，共128页，2022年，5月20日，17点34分

24、，星期三1006、高温超导体的超导机制期待超导领域的“相对论”第100页，共128页，2022年，5月20日，17点34分，星期三101一、超导物理学的诞生和发展二、超导体的基本性质三、超导体的微观理论四、超导体的应用超导物理学第101页，共128页，2022年，5月20日，17点34分，星期三102超导体的应用超导体的应用第102页，共128页，2022年，5月20日，17点34分，星期三103超导体的应用大致可分为三类：1.大电流应用(强电应用)：发电，输电和储能2.抗磁性应用(强电应用)：磁悬浮列车和热核聚变反应堆等3.电子学应用（弱电应用）：超导计算机，滤波器，微波器件等第103页，共

25、128页，2022年，5月20日，17点34分，星期三104电力应用超导输电 用超导材料制作超导电线和超导变压器，从而把可以电力几乎无损耗地输送给用户。高温超导电缆能够传输比同尺寸的常规电缆大3到5倍的功率，并且在传输交流时的功率损耗只占其输送容量的1%左右，比常规电缆的8%要低得多。 第104页，共128页，2022年，5月20日，17点34分，星期三105电力应用含有电缆芯、低温容器、终端和冷却系统四个部分的高温超导电缆超导导线(含2120根微米直径的铌钛合金纤维) 第105页，共128页，2022年，5月20日，17点34分，星期三106电力应用超导限流器 利用超导体的正常态/超导态转变

26、的特性，有效限制电力系统故障短路电流，能够快速和有效地达到限流作用的一种电力设备。超导限流器第106页，共128页，2022年，5月20日，17点34分，星期三107电力应用超导限流器的作用：1.增强电力系统的安全性；2.增加电力系统的可靠性；3.提高电力质量；4.能够与现有的电力系统保护设施兼容；5.通过调节允许的电流峰值增加电力系统的灵活性；6.减少电力系统线路中的断路器和熔断器的使用，延缓电力设备的更新以降低成本；7. 提高系统的运行容量。第107页，共128页，2022年，5月20日，17点34分，星期三108电力应用超导储能 利用超导线圈将电磁能直接储存起来，需要时再将电磁能返回电网

27、或其它负载的一种电力设施。第108页，共128页，2022年，5月20日，17点34分，星期三109电力应用超导储能装置(一般由超导线圈、低温容器、制冷装置、变流装置和测控系统几个部件组成。)第109页，共128页，2022年，5月20日，17点34分，星期三110电力应用超导储能的优点： 1.可长期无损耗地储存能量，其转换效率可达95%； 2.可通过采用电力电子器件的变流器实现与电网的连 接，响应速度快(毫秒级)； 3.由于其储能量与功率调制系统的容量可独立地在大范围内选取，可建成所需的大功率和大能量系统；4.除了真空和制冷系统外没有转动部分，使用寿命长； 5.在建造时不受地点限制，维护简单

28、、污染小。第110页，共128页，2022年，5月20日，17点34分，星期三111电力应用超导发电机 利用超导线圈磁体可以将发电机的磁场强度提高到5万6万高斯，超导发电机的单机发电容量比常规发电机提高510倍，达1万兆瓦，而体积却减少1/2，整机重量减轻1/3，发电效率提高50。 超导发电机 第111页，共128页，2022年，5月20日，17点34分，星期三112交通应用磁悬浮列车利用磁悬浮作用使车轮与地面脱离接触而悬浮于轨道之上，并利用直线电机驱动列车运动的一种新型交通工具。时速可达500公里/小时。 第112页，共128页，2022年，5月20日，17点34分，星期三113交通应用磁悬

29、浮列车运行原理：托力的产生第113页，共128页，2022年，5月20日，17点34分，星期三114牵引力的产生：NSSNNSNS拉推拉推拉推(a)NSNS(b)SNNSNSNS拉推拉推拉推(c)NSNS(d)NSNS拉推拉推拉推SNSN(e)第114页，共128页，2022年，5月20日，17点34分，星期三115交通应用超导电磁流体推进船舶 用电磁力直接推动船舶运动的一种新颖的船舶推进方式。它基于海水在相互垂直的电场和磁场中受到电磁力的作用，推动船舶前进。该推进方式具有无振动、无机械磨损、噪声小和控制灵活等特点，理论船速可达每小时100海里。 第115页，共128页，2022年，5月20日

30、，17点34分，星期三116磁体应用核聚变反应堆“磁封闭体”利用超导体产生的巨大磁场，应用于受控制热核反应。核聚变反应时，内部温度高达1亿2亿，没有任何常规材料可以包容这些物质。而超导体产生的强磁场可以作为“磁封闭体”，将热核反应堆中的超高温等离子体包围、约束起来，然后慢慢释放。第116页，共128页，2022年，5月20日，17点34分，星期三117磁体应用环保超导磁分离装置材料强磁场处理磁拉单晶 第117页，共128页，2022年，5月20日，17点34分，星期三118生物医学应用超导磁体在医学上的重要应用是核磁共振成像技术，可分辨早期肿瘤癌细胞等，还可做心电图，脑磁图、肺磁图，研究气功原

31、理等。利用超导体介子发生器可以治疗癌症，利用超导磁体可以治疗脑血管肿瘤。第118页，共128页，2022年，5月20日，17点34分，星期三119电子学应用超导量子干涉器(SQUID) 由超导约瑟夫森结制成的超导量子干涉器(SQUID)磁强计是极其灵敏的磁场探测仪器，它可以分辨相当于十亿分一的地磁场变化，广泛用于科学研究、生物磁(脑磁、心磁)、无损探伤及大地电磁测量等领域。第119页，共128页，2022年，5月20日，17点34分，星期三120电子学应用高温超导滤波器第120页，共128页，2022年，5月20日，17点34分，星期三121电子学应用超导计算机 散热是超大规模集成电路面临的难题，如果超大规模集成电路中元件之间的互连线用零