低温物理与技术-教学内容和绪论

Contents低温物理与实验技术王智河Tel:83686402(O)-mail:zhwang@南京大学物理学院物理系210093金银街15号唐仲英楼A210室（LowTemperaturePhysicsandExperimental

Techniques)低温楼南京大学超导物理与材料研究中心

"南京大学超导物理和材料研究中心"于2011年6月3日在南京大学成立本中心的研究方向：

1.

非常规超导物理和材料研究

2.

超导理论研究

3.

基于Jesephson结的的量子计算研究

4.

超导体混合态物理和磁通物质态性质研究

5.

谱学研究手段研究超导机理问题：

角分辨光电子谱（ARPES），核磁共振（NMR），中子散射（neutron

scattering）,

光电导谱（optical）,

时间分辨超快谱，界面超导电性等等。负责人:闻海虎教授科技部973超导项目首席成员:王强华教授长江学者李建新教授长江学者于扬教授长江学者王智河教授

杨欢教授祝熙宇副教授……仪器设备物性测量系统PPMS-16\9T磁性测量系统SQUID-VSM-7T光学浮熔区法单晶生长炉不同充电电压下的磁场波形

脉冲磁体系统脉冲磁体电源系统热烈欢迎新同学加入第1章温度测量与低温温度计（4学时）1.1温度和温标1.2温度测量1.3温度计1.4常用的低温温度计1.4.1电阻温度计1.4.2半导体温度计（RuO2薄膜等）1.4.3热电偶温度计1.4.4PN结温度计1.4.5其它温度计1.5温度计的选择、安装和使用第2章低温液体（4学时）2.1液氮2.2液氢2.3正常液体4He的性质2.4液体4He的超流相和喷泉现象2.5正常液体3He的性质2.6Landau费米液体理论第3章材料的低温物理性质（4学时）3.1力学性质3.2电磁性质内容提要3.3热传导3.4辐射传热3.5界面传热和卡皮查热阻3.6传热的计算第4章低温容器（4学时）4.1液氮容器4.2液氦容器4.3真空的获得和测量4.4真空系统的检漏第5章低温恒温器（4学时）5.1高真空绝热恒温器5.2减压降温恒温器5.3电加热恒温器5.4连续流恒温器5.5其它恒温器第6章超低温技术（4学时）6.1He减压蒸发制冷6.23He-4He稀释制冷6.3波麦兰丘克制冷6.4顺磁盐绝热去磁制冷6.5核去磁制冷低温物理与实验技术第7章低温物性测量（4学时）7.1低温下导体的电阻及其测量7.2

Kondo效应7.3

CDW和SDW7.4固体的比热及其测量7.5固体的热导率及其测量7.6高压下物性测量第8章超导电性（2学时）8.1超导材料8.2超导基本性质8.3超导应用第9章重电子金属（4学时）9.1重电子金属及其组态9.2重费米子超导体9.3磁有序基态重费米子系统9.4非费米液体重费米子系统9.5其它类型重费米子系统第10章超导量子干涉器件（6学时）10.1正常电子隧道效应的应用10.2超导电子隧道Josephson方程10.3

d.c.Josephson效应10.4小结中超导宏观量子衍射现象10.5自场效应10.6

a．c．Josephson效应10.7微波幅照下超导结的I—V曲线10.8

Josephson效应的等效电路10.9

RSJ模型10.10超导量子干涉双结超导量子干涉10.11超导隧道效应的应用第11章量子霍耳效应（4学时）11.1霍耳效应11.2整数量子霍耳效应11.3分数量子霍耳效应11.4反常量子霍耳效应第12章强磁场下的物理现象（4学时）10.1金属中的局域磁矩10.2自旋玻璃的物理特性10.3费米面的检测10.4德哈斯-范阿尔芬效应第13章低温演示实验（2学时）（选）参观低温制冷车间、观看课堂相关内容的低温演示实验。教材：王智河编《低温物理与实验技术》多媒体课件

参考书：1.《低温物理实验的原理与方法》阎守胜陆果编著科学出版社19852.《ExperimentalTechniquesforLow-TemperaturePhysics》G.K.White：ClarendonPressOxford(2006)

3.《Low-TemperaturePhysics》

ChristianEnssandSiegfriedHunklinger:Springer(2005)4.《低温物理学》曹烈兆等编著，中国科大出版社1999年1月第1版授课方式：课堂多媒体讲解+互动（20分钟）成绩考核方式：平时成绩与命题考试相结合（平时成绩占20％，课程论文40%,期末考试成绩占40％）平时成绩(出勤等)20％课程论文(两篇)40%期末考试(笔试闭卷)40%课程论文:设计一个低温试验或装置低温物理研究的最新状况凝聚态物理学（condensedmatterphysics）是从微观角度出发，研究由大量粒子（原子、分子、离子、电子）组成的凝聚态的结构、动力学过程及其与宏观物理性质之间的联系的一门学科。凝聚态物理是以固体物理为基础的外向延拓.凝聚态物理的研究对象除晶体、非晶体与准晶体等固相物质外还包括从稠密气体、液体以及介于液态和固态之间的各类居间凝聚相，例如液氦、液晶、熔盐、液态金属、电解液、玻璃、凝胶等。研究领域包括固体物理、晶体物理、金属物理、半导体物理、电介质物理、磁学、固体光学性质、低温物理与超导电性、高压物理、稀土物理、液晶物理、非晶物理、低维物理（包括薄膜物理、表面与界面物理和高分子物理）、液体物理、微结构物理（包括介观物理与原子簇）、缺陷与相变物理、纳米材料和准晶等。

低温物理学，又称低温学，是物理学的分支，研究物质在低温下的物理现象的学科，有时也包括低温的获得和它的测量技术。而低温物理学的低温定义为−150°C,−238°F，123K或以下的温度。凝聚态物质（固体、液体）在低温下的物理性质，物理现象，物理规律，量子效应等低温物理研究的问题主要内容：

低温下新的有序相

非常规超导体

重费米子超导体、磁性超导体、

有机超导体、氧化物超导体

Mn氧化物巨磁电阻

重费米子

电荷密度波介观效应

磁场振荡效应

自旋玻璃低温物理学史简介

超导和超流构成了低温物理的两大支柱，这两种奇异现象的发现都要归功于荷兰的科学家，H.K.Onnes。超导和超流都是在绝对零度（0K=-273.15°C）附近几十K范围內的物理现象（近年来发现的高温超导將这个范围提升到100K左右）。超导主要指某些材料在低温下能让电子完全自由地流动，从而形成无电阻的电流。而超流是指液氦在低温下会作完全无粘滯的流动。如果把液氦放在一个敞口的容器中，液氦会順着器璧自动爬升並溢出容器外。

上世纪初，以相对论和量子论为标志的近代物理还在孕育之中，一些科学家根据物质有气、液、固三种状态的存在，努力將各种气体通过降低温度来液化乃至固化。1908年，Onnes以其独有的低温技术將氦气液化成功，氦的液化温度是4K。天然的氦气其原子核含有两个质子，两个中子，核外有两个电子，记为4He。氦的同位素，3He，比4He要少一个中子。4He的超流性质要在2.2K温度处才显示出来，而3He则要到2.7mK温度处才呈现超流性质。Leggett理论要解释的就是3He的超流性质。

超导，超流的发现均依賴于液氦的获得，Onnes可称得上低温物理之父。

Onnes液化氦气成功后，將各种金属浸在液氦里測量其电阻，他的助手在測量浸在液氦中的水银时，发现水银完全无电阻。这个发现宣告了超导的诞生（1911年），Onnes为此获得1913年的诺贝尔奖。

Onnes或許还有一項“成就”值得一提，那就是在1901年，他沒有雇用来信求职的爱因斯坦做实验室助手，否则，爱因斯坦可能成为一个低温物理学家，而人类可能到现在都还沒有相对论。

与超导从发现，确认到頒奖的迅速过程相比，超流现象从初露端倪到确认如同一个极度难产的嬰儿，要历经长长的近三十年。1910年，Onnes他们在2.2K温度处发现了液氦密度有异常，但他们放过了这个异常，隨后就全力投入到新发现的超导现象的研究中。直到1922年，昂尼斯他们才从超导的研究中转回来重新研究这个异常。在这段时期里，由于超导现象可能帶来的巨大经济利益，氦的液化技术是Onnes独家掌握，秘不外傳的。1923年，加拿大多伦多大学的SirJ.McLennan得以复制昂尼斯的氦液化器，从此加拿大亦进入低温物理研究領域。1934年，在英国主持蒙德实验室的苏联科学家P.Kapitsa，自行设计並制造了独特的氦液化器，长达二十多年的氦液化技术的垄断逐得以打破。

Kapitsa于1935年回苏联探訪时为斯大林所扣留，要他參加苏联的建设，此后Kapitsa一直在苏联工作。在确信Kapitsa不能再回到英国后，剑桥大学同意让苏联购买蒙德实验室的全套设备回苏联，除了那台Kapitsa设计制造的氦液化器。Kapitsa很快就在莫斯科建立了低温实验室並重新造了一台氦液化器，开始了他的研究工作。1938年自然杂志的一月刊，登载了Kapitsa确认4He超流性质的文章，同期杂志亦登载了多伦多大学J.Allen与D.Misener的超流文章。至此，4He在2.2K温度以下的超流状态得以确认，Kapitsa于1978年获诺贝尔奖。

3He的超流性质要在2.7mK处才显示出来，这对低温技术要求极高。1972年，美国康乃尔大学的三位物理学家从实验上确认了3He的超流性质。1996年，他们三人，R.Richardson，D.Lee和D.Osheroff获诺贝尔奖。

3He雖然是4He的同位素，但3He原子作集体運动时的統计性质全然不同于4He，解释4He超流性质的理论不能用于解释3He。Leggett于1975年建立了成功地描述3He超流性质的理论，这个工作使Leggett获得今年的诺贝尔奖。

自1935年起回苏联工作的Kapitza是个优秀的实验物理学家，在苏联有着很大的影响力。Kapitza又聘到了极其优秀的理论物理学家，朗道（L.D.Landau），来负責理论部的科研，他倆的合作有力地推动着苏联的物理学发展。当朗道于1938年由于嚴重的政治問題被捕时，Kapitza冒着极大的風險上書，請求史达林留下朗道为国效力。朗道于1940年被释放后，一直在Kapitza的監護下工作，Kapitza是朗道政治行为的擔保人。这种監護雖不公开，但朗道从此再也不能出国与同行交流。

朗道是一个全面的，傑出的理论物理学家，与他名字有關的物理学理论和概念在近代物理中隨处可見。然而，朗道也有失誤的时候。2003年的两位因超导而得诺贝尔奖的科学家，都与朗道有历史的淵源和糾葛。

Ginzburg一生只与朗道合作过一篇文章（1950），这篇文章建立了Ginzburg-Landau理论（GLequation），也就是今年Ginzburg得诺贝尔奖的工作。在这个理论中有两个參數，由这两个參數引出了朗道与Ginzburg及朗道与他的学生，Abrikosov，的故事。

在GL理论中有一个电荷參數，在GL理论提出的当时並不能确切知道这个參數值是多少。Ginzburg要把这个參數称为“有效电荷”，亦即講得含糊一點，要留有餘地，但朗道不同意，朗道在文章中寫道“沒有理由来相信这个參數值会不同于电子电荷”。Ginzburg在其后来的研究工作中覺得这个电荷參數應該是2到3倍的电子电荷，于是Ginzburg單独寫了一篇文章，將此看法于1956年发表。在这篇文章中，Ginzburg也寫了朗道对这个觀點的不同看法。1957年，由美国的Bardeen，Cooper和Schrieffer的BCS提出的超导微觀理论表明，超导中的电荷是配对運动的，所以这个參數值的确應該是两倍的电子电荷，而这种电子配对的圖像，也有实验證据的支援。Ginzburg本人在多年以后都一直为自己沒有能想到电子配对的圖像而懊惱不已。

GL理论中另一个參數叫Ginzburg-Landau參數，用希臘字母κ表示。根据这个κ取值的不同，GL方程的解可以分为两类，以κ大于或小于根號二分之一标志。Ginzburg和朗道捨棄了κ大于根號二分之一的那个解，认为它所描繪的超导状态在物理上是不穩定的，只考慮κ小于根號二分之一的那个解。朗道的学生，Abrikosov在与其后（52-53年間）新得到的实验資料核对后发现，对有些超导体，以小κ为依据的理论結果与实验不符合，而用被京茨伯和朗道捨棄了的解则能与实验結果吻合。Abrikosov的进一步分析表明，如果結合磁通量子化，那麼κ大于根號二分之一的那个解的物理不穩定性實際上不存在。Abrikosov的結论是，对應κ大于根號二分之一的情況，超导体內会出现一个磁渦旋點陣，使超导區域和磁區域在一塊超导体內共存。这种会出现磁渦旋點陣的超导体被称为第II类超导体。

Abrikosov把这个想法告訴了朗道，但朗道的反應很冷淡，結果Abrikosov把这个研究工作放进了抽屜。朗道是当时世界上站在巔峰的几个物理学家之一，做朗道的学生，固然能有更多機会进入前沿研究領域，但是当学生与朗道在学术上有不同見解时，通常很难有勇气和信心堅持自己的意見。Abrikosov这个關于第二类超导体的傑出工作，直到1957年才有勇气單独发表。

1962年，朗道得了诺贝尔奖，得奖的原因记为“为了他在凝聚态中所做的开創性工作，特別是關于超流”。这个介紹含蓄地记下了朗道在超导理论上的失誤。其實朗道在超导上的貢獻也是巨大的，而这些失誤原本不是不可以避免的，如果朗道能平等地聽取Ginzburg和Abrikosov的意見。

Abrikosov的文章也有一點麻煩，整个工作的思路和解決的辦法都是对的，但在數字的计算上有一點小錯誤。Abrikosov根据他的计算，預言了一种可以觀察到的四方磁渦旋點陣，而實際上應該是三角磁渦旋點陣。这个錯誤对Abrikosov的聲譽很有影响，在很多的超导專着中，凡介紹到Abrikosov的重要工作时，也必定明确指出这个计算錯誤。Abrikosov在他的研究工作中所預言的磁渦旋點陣一直到1966年才由实验物理学家拍出照片證實。文章千古事，得失寸心知。这三位苏联科学家在超导文章上的故事給后人不少啟迪。

由朗道、Ginzberg和Abrikosov建立的超导理论框架代表着一种風格，这种風格与美国科学家建立的BCS超导微觀理论（1972年得诺贝尔奖）風格迥然相异。BCS理论注重的是解释为什麼材料会有超导性质；而苏联科学家的理论注重的是描述有超导状态的材料其性质会怎樣表现。通常一种有實際用途的材料，它的應用性不但取訣于材料本身的物理性质，也会取訣于材料的形状和几何結构。BCS理论对几何形状帶来的影响无法处理，而GL理论则能兼顧，因此GL理论更接近實用。

造成这两种理论在風格上差异的原因也許可以回溯到美蘇冷戰时期的国際環境。五十年代初，正是美国麥卡錫主義猖獗的时期，美国不允許苏联的科学工作在美国发表，並且把已有的苏联英文期刊JETP丟进了水里（港口），Ginzberg-Landau理论（发表在1950年的JETP）也是其中之一。科学交流的中断阻止了科学知識的融合，鐵幕两邊的科学家各自独立发展着理论。1959年，苏联科学家L.P.Gor'kov證明，如果作適当的數学处理，可以从BCS理论推导出Ginzberg-Landau理论。这个工作为Ginzberg-Landau理论奠定了微觀基礎。今天，我们通常把由这四位苏联科学家創立的这套程式，叫做GLAG理论。GLAG理论的應用范围相当廣，在后来的科学家们努力之下GLAG理论又有了长足的进展。

2003年的诺贝尔物理奖頒給了三个理论物理学家。A.J.Leggett获奖是因为他于1975年建立了解释3He超流现象的理论。V.L.Ginzburg和A.A.Abrikosov的获奖则是因为半个世纪前，他倆先后在形成描述超导现象的理论过程中做出了里程碑式的貢獻。

歲月在流逝。朗道于1962年出車禍，1968年去世。Ginzberg92歲了，现在仍然在俄国。Abrikosov80歲，自原苏联解体后移民美国，现在美国阿崗国家实验室做研究。Gor'kov也在美国的佛羅里达大学做教授。相信这次的诺贝尔奖会給Ginzberg和Abrikosov两位老人帶来晚年心境的平和安寧。

百年超导之路，半个世纪的理论探索，走进圖書館，翻开一本本講述超导的專着，GLAG理论和由此理论得出的結果一如往常出现在讀者的眼前，靜靜地傳达着自然的美妙和奧秘。低温物理有关的诺贝尔奖1913年荷兰KamerlinghOnnes于1908年成功实现了氦气的液化,使地球上最后一种永久气体--氦气得到液化;并于1911年发现超导现象,导致了超导物理学的诞生。1962年俄国Landau因1941年提出氦Ⅱ超流动性的量子理论,他个人因在超流动性方面的理论研究1972年美国Bardeen,Cooper,Schrieffer因1957年提出超导体中存在着电子对,这些电子对可以不受任何散射地通过由失去部分电子的原子所组成的通道,不会引起原子振动,即为超导现象的理论（BCS超导电性理论）。1973年英国BrainJosephson于1963年英国剑桥大学读研究生时从理论上预言超导隧道效应1978年俄国Kapitsa于1937年发现氦的超流现象1985年德国K.vonKlitzing因1980年发现量子霍尔效应1987年Bednor