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70页1、第二章 超导材料,超导电性的发现,1908年,荷兰莱顿大学的Onnes首次实现氦的液化,获得了4.2K的低温,为研究低温条件下物质导电打开了方便之门。 1911年,他发现将汞冷却到4.2K时,汞的电阻突然消失,Onnes称这种处于超导状态的导体为超导体。超导体电阻突然变为零的温度叫超导临界温度。由于他的这一发现获得了1913年的诺贝尔奖。 超导体的直流电阻率在一定的低温下突然消失,被称作零电阻效应。至今已发现有28种元素、几千种合金和化合物是超导体。我们通常称这些金属或金属合金的超导体为常规超导体。,自超导电性发现以来,经过70多年的努力,常规超导体临界温度只能提高到23K。 1986年初,物理学家Mueller和Bednorz发现了高温铜氧化物超导体La2-xBaxCuO4,超导临界温度达40K。 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钇(YBa2Cu3O7)系材料上把超导临界温度提高到90K以上,液氮的禁区(77K)也奇迹般地被突破了。 1987年底,Tl-Ba-Ca-Cu-O系材料又把临界超导温度的记录提高到125K。 随后, 高温超导迅速提高。,超导的发展
2、,超导性质和相关理论,零电阻效应 临界温度: 电阻突然消失的温度被称为超导体的临界温度Tc。超导临界温度与样品纯度无关,但是越均匀纯净的样品超导转变时的电阻陡降越尖锐。 B)临界磁场: 超导电性可以被外加磁场所破坏, 对于温度为T (TTc)的超导体, 当外磁场超过某一数值Hc (T)的时候,超导电性就被破坏了,Hc (T)称为临界磁场。在临界温度Tc,临界磁场为零。Hc(T)随温度的变化一般可以近似地表示为抛物线关系:,其中Hc0是绝对零度时的临界磁场。,C) 临界电流: 在不加磁场的情况下,超导体中通过足够强的电流也会破坏超导电性, 导致破坏超导电性所需要的电流称作临界电流Ic(T)。在临界温度Tc,临界电流为0。 临界电流随温度变化的关系有:,其中Ic0是绝对零度时的临界电流。,超导与温度、电流密度和磁场的关系,完全抗磁性 1933年,德国物理学家迈斯纳和奥森菲尔德对锡单晶球超导体做磁场分布测量时发现,在小磁场中,把金属冷却到超导态时,超导体内的磁通线全部被排斥出去,保持体内磁感应强度B等于零,超导体的这一性质被称为迈斯纳效应。超导体内磁感应强度B总是等于零,即,金属在超导电状态
3、的磁化率为:,仅从超导体的零电阻现象出发得不到迈斯纳效应,同样用迈斯纳效应也不能描述零电阻现象,因此,迈斯纳效应和零电阻性质是超导态的两个独立的基本属性,衡量一种材料是否具有超导电性必须看是否同时具有零电阻和迈斯纳效应。,超导体的两个重要特性: 零电阻和完全抗磁性,超导基本理论,* 二流体模型 * 伦敦方程 * 金兹堡-朗道方程 * BCS 理论 参考固体物理,黄昆,韩汝琦 著,传统超导体的超导电性理论,二流体模型,早期为了解释超导体的热力学性质,1934年戈特和卡西米尔提出超导电性的二流体模型,它包含以下三个假设: (1) 金属处于超导态时,自由电子分为两部分:一部分叫正常电子,另一部分叫超流电子, 正常电子在晶格中有阻地流动,超流电子在晶格中无阻地流动,两部分电子占据同一体积,在空间上相互渗透,彼此独立地运动,两种电子相对的数目是温度的函数。 (2) 正常电子的性质与正常金属自由电子气体相同,受到振动晶格的散射而产生电阻,对熵有贡献。,(3) 超流电子处在一种凝聚状态,即某一低能态,所以超导态是比正常态更加有序的状态。这个假设的依据是:超导态在HHc 的磁场中将转变为正常态,而超导
4、态的自由能要比正常态低 0Hc2V/2 (V是超导材料的体积)。超导态的电子不受晶格散射,所以超流电子对熵没有贡献。,二流体模型对超导体零电阻特性的解释是:当TTc时,出现超流电子,它们的运动是无阻的,超导体内部的电流完全来自超流电子的贡献,它们对正常电子起到短路作用,正常电子不载荷电流,样品内部不存在电场,也没有电阻效应。 从这个模型出发可以解释许多超导实验现象,如超导转变时电子比热的“”型跃变等。伦敦正是在这个模型的基础上建立了超导体的电磁理论。,伦敦电磁学方程,1935年,伦敦兄弟在二流体模型的基础上,提出两个描述超导电流与电磁场关系方程,与麦克斯韦方程一起构成了超导体的电动力学基础。,伦敦电磁学方程,伦敦第一方程:,伦敦第二方程:,在稳态下,超导体中的电流为常值时,得到超导体内的电场强度等于零,说明了超导体的零电阻性质。,超导体内,表面的磁感应强度以指数形式迅速衰减为零。,两个伦敦方程可以概括零电阻效应和迈斯纳效应,并预言了超导体表面上的磁场穿透深度。,描述一般导体: Maxwell方程+欧姆定律 欧姆定律对于超导体适用吗?如何描述超导体呢?,伦敦第一方程的提出,欧姆定律:j
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