超导物理学：第1章 超导研究的历程

超导研究的历程

---------------纪念超导诞辰100周年超导体的发现1908年荷兰物理学家H.开默林－昂内斯液化氦成功，从而达到一个新的低温区（4.2K以下）。1911年，他发现，当温度降到4.2K附近时，汞样品的电阻突然降到0。他把这种性质称为超导电性。零电阻性1913年获得诺贝尔物理学奖超导体的基本特性零电阻性超导体的基本特性超导态零电阻的实验观测超导体的基本特性完全抗磁性1933年W.Hans.Meissner

和RobertOchsenfeld

发现超导体的完全抗磁性，磁化率＝－1，即完全抗磁性，又称为迈斯纳效应。超导体的基本特性超导态抗磁性的实验观测超导转变温度与时间的关系10

人5次在超导方面获得诺贝尔物理学奖里程碑“forhisinvestigationsonthepropertiesofmatteratlowtemperatureswhichled,interalia,totheproductionofliquidhelium”.HeikeKamerlinghOnnes

theNetherlandsLeidenUniversity

Leiden,theNetherlands.TheNobelPrizeinPhysics191310

人5次在超导方面获得诺贝尔物理学奖里程碑TheNobelPrizeinPhysics1972"fortheirjointlydevelopedtheoryofsuperconductivity,usuallycalledtheBCS-theory“JohnBardeenLeonNeilCooperJohnRobertSchrieffer1/3oftheprize1/3oftheprize1/3oftheprizeUSAUSAUSAUniversityofIllinois

Urbana,IL,USABrownUniversity

Providence,RI,USAUniversityofPennsylvania

Philadelphia,PA,USA10

人5次在超导方面获得诺贝尔物理学奖里程碑TheNobelPrizeinPhysics1973LeoEsakiIvarGiaeverBrianDavidJosephson1/4oftheprize1/4oftheprize1/2oftheprizeJapanUSAUnitedKingdomIBMThomasJ.WatsonResearchCenter

YorktownHeights,NY,USAGeneralElectricCompany

Schenectady,NY,USAUniversityofCambridge

Cambridge,UnitedKingdom"fortheirexperimentaldiscoveriesregardingtunnelingphenomenainsemiconductorsandsuperconductors,respectively"."forhistheoreticalpredictionsofthepropertiesofasupercurrentthroughatunnelbarrier,inparticularthosephenomenawhicharegenerallyknownastheJosephsoneffects"10

人5次在超导方面获得诺贝尔物理学奖里程碑"fortheirimportantbreak-throughinthediscoveryofsuperconductivityinceramicmaterials"J.GeorgBednorzK.AlexanderMüller1/2oftheprize1/2oftheprizeFederalRepublicofGermanySwitzerlandIBMZurichResearchLaboratory

Rüschlikon,SwitzerlandIBMZurichResearchLaboratory

Rüschlikon,SwitzerlandTheNobelPrizeinPhysics198710

人5次在超导方面获得诺贝尔物理学奖里程碑TheNobelPrizeinPhysics2003“forpioneeringcontributionstothetheoryofsuperconductorsandsuperfluids”.AlexeiA.AbrikosovVitalyL.GinzburgAnthonyJ.Leggett1/3oftheprize1/3oftheprize1/3oftheprizeUSAandRussiaRussiaUnitedKingdomandUSAArgonneNationalLaboratory

Argonne,IL,USAP.N.LebedevPhysicalInstitute

Moscow,RussiaUniversityofIllinois

Urbana,IL,USAApplication

ofNb3Snin1950s

里程碑AlloySb3SnWiresMagnetThestartoftheapplicationofsuperconductor!Thediscoveryofhigh-Tcsuperconductorsin1986里程碑1986年缪勒和柏诺兹发现了陶瓷性金属氧化物LaBaCuO4，其临界温度约为35K1987年在超导材料的探索中又有新的突破，美国休斯顿大学物理学家朱经武小组与中国科学院物理研究所赵忠贤等人先后宣布制成临界温度约为90K的超导材料YBCO。Thediscoveryofhigh-Tcsuperconductorsin1986里程碑Thediscoveryofhigh-Tcsuperconductorsin1986里程碑高温超导研究的理论价值Tc

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40KBCS理论预言极限配对机理？RVB模型？自旋涨落？极化子模型等？赝能隙BCSBEC关系？Thediscoveryofhigh-Tcsuperconductorsin1986里程碑二维层状超导电性本征弱连接！巨磁通蠕动！！高温超导研究的应用价值Thediscoveryofhigh-Tcsuperconductorsin1986里程碑高温超导研究的应用价值本征Josephson结构成阵列共振频率在太赫兹波段！两上种在液氮下工作ThediscoveryofsuperconductivityofMgB2in2000里程碑2000年，日本超导物理学家秋光纯发现MgB2超导体Tc～40KThediscoveryofsuperconductivityofMgB2in2000里程碑发现了Tc最高的BCS超导体互相垂直的双能隙超导体MgB2发现的理论价值ThediscoveryofsuperconductivityofMgB2in2000里程碑MgB2发现的应用价值两上种无弱连接，易于加工成型在液氢下工作ThediscoveryofFe-basedsuperconductorsin2008里程碑2008,March

Y.Kamihara

et.al

JACSLaOFeAs，参杂F0.05～0.12，Tc=26KThediscoveryofFe-basedsuperconductorsin2008里程碑LiFeAs111相Tc=18KBa(Li)FeAs111相Tc=26KSmO(F)

FeAs1111相Tc=54K“11”“111”“1111”“122”FeSeLiFeAsNaFeAsLaFeAsOBaFe2As2La3Ni4P4O2BaNi2As2“42622”“21311”(Sr4V2O6)Fe2As2(Sr4Sc2O6)Fe2P2CaFeAsFKnownFe-andNi-basedsuperconductors“32522”M.K.WuY.Takano……PaulChuC.Q.Jin……H.Hosono……H.HosonoD.JohrendtH.H.Wen……FeAs:D.Johrendt……NiAs:J.D.ThompsonF.Ronning……H.H.Wen……FeP:ShimoyamaFeAs:H.H.Wen……R.J.Cava……(Sr3Sc2O5)Fe2P2铁砷化物超导体——高温超导研究的新契机和新挑战H.–H.Wen,Adv.Mater.20,3764(2008);方磊，闻海虎，科学通报53,2265(2008).ThediscoveryofFe-basedsuperconductorsin2008里程碑铁基超导研究的理论价值Tc

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40KBCS理论预言极限机理？实现了超导序与磁的共存！ThediscoveryofFe-basedsuperconductorsin2008里程碑铁基超导研究的应用价值MgB2和铁基超导MgB2和铁基超导体上临界磁场异常的高！！液氢温度工作Whereisthenextmilestone?里程碑众里寻他千百度，蓦然回首，那人却在灯火阑珊处。第一個研究超導的中國人：李國鼎先生里程碑1934,考取中英庚款留英公費，赴英入劍橋大學物理研究所，作貝他及迦瑪放射線研究。1936,從事極低溫超導研究。杰出校友李國鼎生平記事:刘楣教授的小组东南大学的超导研究新超导体的能带计算及超导机理；超导磁通物质的特性、相变；磁通钉扎及运动。施智祥教授的小组东南大学的超导研究新超导体的探索及超导机理；超导电磁特性及磁通钉扎；超导材料制备及应用。里程碑1911年H.KamerlinghOnnes發現汞(Hg)在絕對溫度4.2度附近呈現超導性(獲1913年諾貝爾物理獎)

1913年發現Pb於溫度7.2K時具超導性。1914年Onnes以鉛(Pb)超導體製作線圈證明永久電流之存在1930年發現Nb，Tc=9.2K為所有純金屬最高者1932年W.Meissner及R.Oschenfeld發現超導體具有完全抗磁性，證明超導性之相轉變是熱力學相變1933年Meissner&Ochsenfeld提出超導狀態下之完全反磁性(PerfectDiamagnetic)，又稱梅氏效應1934年C.J.Gorter及H.B.Casimir提出二流體模型解釋超導現象，說明超導體內的電子分超導電子和常超導電子兩種。1934年F.London及H.London由二流體模式提出所謂Londonmodel，解釋梅氏效應，定義穿透深度

(penetrationdepth)為超導體的特性長度，即靜磁場下磁力線穿透超導體表面深度，在此深度範圍內，磁力線密度呈現指數衰減。里程碑1937年L.D.Landau提出外磁場下的超導中間態的結構模型1950年E.Maxwell和C.A.Reynolds發現超導體的同位素效應Tc~M-β

1950年VitalyGinzburg&LevLandau首先提出超導體內的超導電子並非局部化觀念，即超導電子並非完全單獨的存在，彼此間可能些關聯。電子間可能有關聯的最長距離稱為相干長度(CoherentLength)。(Landau1962年與Ginzburg2003年獲諾貝爾物理獎)

1956年L.N.Cooper提出一對電子間如存在吸引力，即可形成一束縛態的概念(s-wave電子對)1957年AlexeiAbrkosov研究超導體在外加磁場下的行為發現兩種不同性質，將其分類為第一類和第二類超導體(Type-IandTypeIISuperconductor)。

預測第二類超導體於高磁場下其磁通束以三角晶格排列的點陣排列(Abrkosov2003年獲諾貝爾物理獎)

里程碑1957年J.Bardeen,L.N.Cooper及R.J.Schrieffer提出解釋超導現象的微觀理論：BCS理論，當超導體變成超導狀態時，超導體內的的超導電子是以成對存在的，稱古柏對(CooperPair)。超導電子在晶格間運動時沒有能量損失因為成對的超導電子之一在運動時和晶格互撞把能量傳給晶格，隨後晶格又將能量交給第二個電子，因此沒有能量損失。(三人獲1972年諾貝爾物理獎)1958年J.Hulm及B.T.Matthias發現A15結構超導體，得到Tc＞20K之超導材料。1959年J.G.Giaever發現導體的單電子隧道效應1962年B.D.