超導探索與科學思辨PPT課件

1、李平林李平林 鄭州大學物理工程學院鄭州大學物理工程學院 鄭州大學/教師隊伍/ 教師個人主頁/科學與思辨 hptt/ 概概 論論 超導研究史話超導研究史話 超導離我們生活有多近超導離我們生活有多近 超導研究進展超導研究進展 超導應用前景展望超導應用前景展望 科科學與思辨學與思辨 愛因斯坦給我們的啟示愛因斯坦給我們的啟示 歷史回顧歷史回顧 接連不斷的諾貝爾獎接連不斷的諾貝爾獎 昂納斯的發(fā)現(xiàn)昂納斯的發(fā)現(xiàn) 一些奇異屬性一些奇異屬性 目前的研究熱點目前的研究熱點 1908 1908年年, , 荷蘭科學家荷蘭科學家OnnesOnnes成功液化了氦氣，標志成功液化了氦氣，標志著低溫物理學的研究從此進入了一個

2、更加深入階著低溫物理學的研究從此進入了一個更加深入階段。段。19111911年，他又在年，他又在4.2K4.2K的低溫條件下觀察到的低溫條件下觀察到HgHg的超導現(xiàn)象；的超導現(xiàn)象； 19321932年發(fā)現(xiàn)邁斯納效應，超導體具有完全抗性；年發(fā)現(xiàn)邁斯納效應，超導體具有完全抗性； 1957 1957 年年由由BardenBarden、Cooper Cooper 和和Schrieffer Schrieffer 集集大成，建立大成，建立了解釋常規(guī)超導體微觀機理的了解釋常規(guī)超導體微觀機理的BCSBCS理論，該理論理論，該理論對單一元素及合金材料的常規(guī)超導現(xiàn)象給予較圓對單一元素及合金材料的常規(guī)超導現(xiàn)象給予較

3、圓滿的微觀解釋；并預言超導臨界溫度不超過滿的微觀解釋；并預言超導臨界溫度不超過30K30K； 19621962年年Josephson Josephson 效效應的發(fā)現(xiàn)則開創(chuàng)了超導電子學應的發(fā)現(xiàn)則開創(chuàng)了超導電子學這一嶄新的應用領域；這一嶄新的應用領域； 1986 1986年年4 4月瑞士蘇黎士月瑞士蘇黎士IBMIBM實驗室的科學家實驗室的科學家BednorzBednorz和和Mllar Mllar 觀察到在觀察到在35K35K左右左右LaLa2-x2-xBaBax xCuOCuO4 4可能出現(xiàn)超可能出現(xiàn)超導轉(zhuǎn)變；導轉(zhuǎn)變； 19871987年休斯頓大學的朱經(jīng)武和吳茂昆協(xié)作小組年休斯頓大學的朱經(jīng)武和

4、吳茂昆協(xié)作小組, ,觀觀察到察到 YBaYBa2 2CuCu3 3O O7 7中中顯示超導跡象（顯示超導跡象（92K)92K)，全球掀，全球掀起了高溫超導研究熱潮起了高溫超導研究熱潮；目前仍然為；目前仍然為164K 164K 最高最高TcTc保持者，加壓的保持者，加壓的HgBaHgBa2 2CaCa2 2CuCu3 3O O10+ 10+ 19881988年初，年初，TsukubaTsukuba的的MaedaMaeda等發(fā)現(xiàn)鉍系等發(fā)現(xiàn)鉍系銅氧銅氧超導體；超導體；阿肯色的盛正值和阿肯色的盛正值和HermannHermann發(fā)現(xiàn)了鉈系銅氧超導體，發(fā)現(xiàn)了鉈系銅氧超導體，這兩體系超導體的臨界溫度均達到

5、這兩體系超導體的臨界溫度均達到100K100K以上；以上； 1988 1988年初，年初，TsukubaTsukuba的的MaedaMaeda等發(fā)現(xiàn)鉍系銅氧超導體；等發(fā)現(xiàn)鉍系銅氧超導體；阿肯色的盛正值和阿肯色的盛正值和HermannHermann發(fā)現(xiàn)了鉈系銅氧超導體，發(fā)現(xiàn)了鉈系銅氧超導體，這兩體系超導體的臨界溫度均達到這兩體系超導體的臨界溫度均達到100K100K以上；以上； 隨后，由隨后，由XueXue等人合成了等人合成了BaBa2 2CaCa3 3CuCu3 3O Ox x，其，其T Tc c也達到也達到126K126K；和汞系和汞系HgBaHgBa2 2CaCa2 2CuCu3 3O O

6、8+8+超導體，其常壓下超導體，其常壓下T Tc c134K134K，在在3030萬個大氣壓作用下萬個大氣壓作用下T Tc c 值值可達到可達到164K164K，目前仍未能目前仍未能突破。突破。 我國在中長期科技規(guī)劃中把高溫超導材料列為重點發(fā)我國在中長期科技規(guī)劃中把高溫超導材料列為重點發(fā)展的前沿課題（展的前沿課題（2006-20202006-2020）。）。 - -Robert F. Serverce.-Robert F. Serverce.ScienceScience,295,786(2002).,295,786(2002). 2001年1月日本東京青山學院的教授Jun kimitsu宣布了

7、這一發(fā)現(xiàn)。MgB2的臨界超導溫度Tc=40k.二硼化鎂超導材料的新發(fā)現(xiàn)二硼化鎂超導材料的新發(fā)現(xiàn)二硼化鎂二硼化鎂 最近(2008.3)發(fā)現(xiàn)的Fe基超導化合物，已越來越受關注,非銅氧化合物鐵基超導體的發(fā)現(xiàn),又一次掀起了研究高溫超導的熱潮. 轉(zhuǎn)變溫度TC=26K1的LaO1-xFxFeAs,TC= 41K2的CeO1-xFxFeAs和TC=56K3的Gd1xThxFeAsO已經(jīng)相繼發(fā)現(xiàn)。1 Y. Kamihara, T. Watanabe, M. Hirano, and H. Hosono, J. Am. Chem. Soc. 130, 3296 (2008).2 G. F. Chen, Z. Li

8、, D. Wu, G. Li, W. Z. Hu arXiv:0803.3790v2 cond-mat.supr-con 27 Mar 20083 Wang C, Li L J, Chi S, et al. Thorium-doping induced superconductivity up to 56K in Gd1x Thx FeAsO. arXiv: cond-mat/0804.4290超超導導100年年.doc 卡末林卡末林- -昂納斯以極大的精力改善了實昂納斯以極大的精力改善了實驗室裝備，使之由初具規(guī)模發(fā)展到后來居驗室裝備，使之由初具規(guī)模發(fā)展到后來居上。萊頓低溫實驗室于上。萊頓低溫

9、實驗室于18941894年建立了能大年建立了能大量生產(chǎn)液氫和其它氣體（包括氦氣）的工量生產(chǎn)液氫和其它氣體（包括氦氣）的工廠和一棟規(guī)模甚大的實驗樓館。他以工業(yè)廠和一棟規(guī)模甚大的實驗樓館。他以工業(yè)規(guī)模建立實驗室，這在歷史上還是第一次。規(guī)模建立實驗室，這在歷史上還是第一次。就是從這里開始，物理學由手工業(yè)方式走就是從這里開始，物理學由手工業(yè)方式走向現(xiàn)代的大規(guī)模水平。下圖是卡末林向現(xiàn)代的大規(guī)模水平。下圖是卡末林- -昂納昂納斯的低溫實驗裝置原理圖。斯的低溫實驗裝置原理圖。 19081908年年7 7月月1010日日, ,卡末林卡末林- -昂納斯和他的昂納斯和他的同事在精心準備之后，集體攻關，終于使同事在

10、精心準備之后，集體攻關，終于使氦液化。這次卡末林氦液化。這次卡末林- -昂納斯共獲得了昂納斯共獲得了60cc60cc的液氦，達到了的液氦，達到了4.3K4.3K的低溫。他們又經(jīng)過的低溫。他們又經(jīng)過多次實驗，第二年達到多次實驗，第二年達到1.38-1.04K1.38-1.04K。它標。它標志著所有物質(zhì)都可以存在于氣液固狀態(tài)。志著所有物質(zhì)都可以存在于氣液固狀態(tài)。 昂納斯為了研究金屬在低溫下的屬性，選用了水銀，卻偶然地發(fā)現(xiàn)了并不只是屬于純水銀的一種普遍現(xiàn)象-超導電性。然而，對于卡末林-昂納斯來說，這一發(fā)現(xiàn)并非完全偶然，因為第一，他首先實現(xiàn)了氦的液化，而且直到20年代，全世界只有他獨家生產(chǎn)液氦；第二，

11、他所在的低溫實驗室擁有大規(guī)模液氫生產(chǎn)設備，可以保證維持氦恒溫器的低溫狀態(tài)；第三，他明確地認定要探索低溫下物質(zhì)的各種特性，特別是電阻的變化。而正是從各種金屬的電阻隨溫度變化的關系打開了通向超導電性的道路。 所以超導電性的發(fā)現(xiàn)對于卡末林-昂納斯來說，又是必然的。 將超導體冷卻到某一臨界溫度Tc 以下時，電阻突然降為零的現(xiàn)象稱為超導體的零電阻現(xiàn)象，稱之為超導體零電阻。電阻完全消失？ 1000000000010000000000 邁斯納效應邁斯納效應 當金屬處在超導狀態(tài)時，這一超導體內(nèi)的當金屬處在超導狀態(tài)時，這一超導體內(nèi)的磁感應強度為零，即能把原來存在于體內(nèi)的磁磁感應強度為零，即能把原來存在于體內(nèi)的磁

12、場排擠出去。他們對圍繞球形導體（單晶錫）場排擠出去。他們對圍繞球形導體（單晶錫）的磁場分布進行了實驗測試，結(jié)果驚奇地發(fā)現(xiàn)：的磁場分布進行了實驗測試，結(jié)果驚奇地發(fā)現(xiàn)：錫球過渡到超導態(tài)時，錫球周圍的磁場都突然錫球過渡到超導態(tài)時，錫球周圍的磁場都突然發(fā)生了變化，磁力線似乎一下子被排斥到超導發(fā)生了變化，磁力線似乎一下子被排斥到超導體之外去了。于是，人們將這種當金屬變成超體之外去了。于是，人們將這種當金屬變成超導體時磁力線自動排出金屬體之外，而超導體導體時磁力線自動排出金屬體之外，而超導體內(nèi)的磁感應強度為零的現(xiàn)象，稱為內(nèi)的磁感應強度為零的現(xiàn)象，稱為“邁斯納效邁斯納效應應”。 完全抗磁性 當超導體冷卻到臨

13、界溫度以下而轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢B(tài)后，只要周圍的外加磁場沒有強到破壞超導性的程度，超導體就會把穿透到體內(nèi)的磁力線完全排斥出體外，在超導體內(nèi)永遠保持磁感應強度為零。超導體的這種特殊性質(zhì)被稱為“邁斯納效應”。 在錫盤上放一條永久磁鐵，在錫盤上放一條永久磁鐵，當溫度低于錫的轉(zhuǎn)變溫度時，小當溫度低于錫的轉(zhuǎn)變溫度時，小磁鐵會離開錫盤飄然升起，升至磁鐵會離開錫盤飄然升起，升至一定距離后，便懸空不動了，這一定距離后，便懸空不動了，這是由于磁鐵的磁力線不能穿過超是由于磁鐵的磁力線不能穿過超導體，在錫盤感應出持續(xù)電流的導體，在錫盤感應出持續(xù)電流的磁場，與磁鐵之間產(chǎn)生了排斥力，磁場，與磁鐵之間產(chǎn)生了排斥力，磁體越遠離錫盤，

14、斥力越小，當磁體越遠離錫盤，斥力越小，當斥力減弱到與磁鐵的重力相平衡斥力減弱到與磁鐵的重力相平衡時，就懸浮不動了。時，就懸浮不動了。觀察邁納斯效應的磁懸浮試驗觀察邁納斯效應的磁懸浮試驗 超導軸承超導軸承 超導軸承超導軸承.AVI 超導發(fā)動機超導發(fā)動機 超導發(fā)動機超導發(fā)動機.AVI 目前最不可思議的是邁斯納效應和零目前最不可思議的是邁斯納效應和零電阻竟然毫無關系！在電磁學里，我們電阻竟然毫無關系！在電磁學里，我們知道，電和磁之間關系服從法拉第電磁知道，電和磁之間關系服從法拉第電磁感應定律，然而，在超導電性中，零電感應定律，然而，在超導電性中，零電阻無法解釋邁斯納效應，同樣，邁斯納阻無法解釋邁斯納

15、效應，同樣，邁斯納效應無法解釋零電阻現(xiàn)象。最關鍵的問效應無法解釋零電阻現(xiàn)象。最關鍵的問題是，在電磁感應定律中，變化的磁場題是，在電磁感應定律中，變化的磁場感應電流，然而，在超導態(tài)時，穩(wěn)定磁感應電流，然而，在超導態(tài)時，穩(wěn)定磁場卻感應出超導渦漩電流。場卻感應出超導渦漩電流。常規(guī)超導體常規(guī)超導體Tc以上以上Tc以下以下高溫超導體高溫超導體T*以上以上Tc以上以上Tc以下以下最近發(fā)現(xiàn)的鐵氧化合物超導體已引起廣泛關最近發(fā)現(xiàn)的鐵氧化合物超導體已引起廣泛關注，短期內(nèi)相繼發(fā)現(xiàn)了不同成分的系列樣品，注，短期內(nèi)相繼發(fā)現(xiàn)了不同成分的系列樣品，如轉(zhuǎn)變溫度如轉(zhuǎn)變溫度TcTc= 26 K= 26 K的的LaOLaO1-x

16、1-xFxFeAs 1FxFeAs 1，TcTc=43 K=43 K的的SmOSmO1-x1-xF Fx xFeAs 2FeAs 2和和TcTc=56 K=56 K的的GdGd1 1x xThThx xFeAsO 3FeAsO 3等等。研究表明，鐵氧超導體顯示了非常規(guī)配等等。研究表明，鐵氧超導體顯示了非常規(guī)配對對稱性、較高的上臨界場、低濃度的電子型對對稱性、較高的上臨界場、低濃度的電子型載流子以及異常結(jié)能隙等特點，呈現(xiàn)出銅氧化載流子以及異常結(jié)能隙等特點，呈現(xiàn)出銅氧化物之外另一類非常規(guī)超導體的屬性物之外另一類非常規(guī)超導體的屬性4,54,5。 新型超導體的探索是目前研究的最現(xiàn)實新型超導體的探索是目

17、前研究的最現(xiàn)實目標。在未能認清高溫超導微觀機制的情況目標。在未能認清高溫超導微觀機制的情況下，只有根據(jù)已經(jīng)取得的經(jīng)驗尋找新的超導下，只有根據(jù)已經(jīng)取得的經(jīng)驗尋找新的超導材料，以期不斷提高臨界溫度材料，以期不斷提高臨界溫度T Tc c并實現(xiàn)更有并實現(xiàn)更有效的應用。同時，在探索新型超導材料過程效的應用。同時，在探索新型超導材料過程中，對其各種物理屬性的認識也為建立微觀中，對其各種物理屬性的認識也為建立微觀模型提供依據(jù)。就目前研究進展而言，對于模型提供依據(jù)。就目前研究進展而言，對于經(jīng)驗的運用似乎已經(jīng)達到極限。自從經(jīng)驗的運用似乎已經(jīng)達到極限。自從19961996年年以來，充分運用各種經(jīng)驗手段，以來，充分

18、運用各種經(jīng)驗手段，T Tc c 仍仍然未能然未能突破突破164K164K。 建立明確的微觀機制是高溫超導研建立明確的微觀機制是高溫超導研究的最高目標。因為只有認清了高溫究的最高目標。因為只有認清了高溫超導發(fā)生的真正原因，才能找到有效超導發(fā)生的真正原因，才能找到有效提高臨界溫度提高臨界溫度T Tc c以及臨界電流密度以及臨界電流密度J Jc c等等參數(shù)的有效途徑，為制備室溫超導體參數(shù)的有效途徑，為制備室溫超導體和投入廣泛應用奠定理論基礎。只要和投入廣泛應用奠定理論基礎。只要高溫超導的應用未達到人類的理想境高溫超導的應用未達到人類的理想境界，理論研究將一直是最熱門的話題界，理論研究將一直是最熱門的

19、話題之一。之一。 元素摻雜和替代一直是獲得新型超導材元素摻雜和替代一直是獲得新型超導材料及認識其物性的有效手段。自高溫超導發(fā)料及認識其物性的有效手段。自高溫超導發(fā)現(xiàn)以來，幾乎所有的高溫超導體都是通過元現(xiàn)以來，幾乎所有的高溫超導體都是通過元素替代獲得的，各系列的銅氧超導體都是對素替代獲得的，各系列的銅氧超導體都是對氧化銅進行不同的元素摻雜，進一步在不同氧化銅進行不同的元素摻雜，進一步在不同晶位進行元素替代，通過摻雜和替代不僅獲晶位進行元素替代，通過摻雜和替代不僅獲得了新材料，而且可以認識不同晶位和元素得了新材料，而且可以認識不同晶位和元素在超導中所發(fā)揮的作用。對于非銅氧超導體在超導中所發(fā)揮的作用

20、。對于非銅氧超導體的獲得及認識亦不例外。相信元素替代作為的獲得及認識亦不例外。相信元素替代作為探索及認識高溫超導的最重要手段之一將一探索及認識高溫超導的最重要手段之一將一直成為熱點。直成為熱點。 測量高溫超導物性新方法探索。要認識測量高溫超導物性新方法探索。要認識高溫超導的各種物理屬性，必須通過不同的高溫超導的各種物理屬性，必須通過不同的實驗手段來實現(xiàn)，通過常規(guī)的電阻率、磁化實驗手段來實現(xiàn)，通過常規(guī)的電阻率、磁化率測量只能了解材料最基本的電磁屬性；率測量只能了解材料最基本的電磁屬性；X X射線衍射、透射電鏡、正電子淹沒、中子衍射線衍射、透射電鏡、正電子淹沒、中子衍射能夠了解樣品的晶格結(jié)構(gòu)、電子

21、結(jié)構(gòu)以及射能夠了解樣品的晶格結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)以及磁結(jié)構(gòu)；拉曼光譜、微分熱反射譜能夠反映磁結(jié)構(gòu)；拉曼光譜、微分熱反射譜能夠反映電子在材料內(nèi)部的運動變化特征；熱傳導、電子在材料內(nèi)部的運動變化特征；熱傳導、微分比熱測量等能夠了解材料中電子和聲子微分比熱測量等能夠了解材料中電子和聲子所發(fā)揮的作用；原子力顯微鏡等可以觀察樣所發(fā)揮的作用；原子力顯微鏡等可以觀察樣品的表面特征。最近引入的飛秒激光測量品的表面特征。最近引入的飛秒激光測量. 高溫超導應用研究。高溫超導具有廣闊的預期應高溫超導應用研究。高溫超導具有廣闊的預期應用前景，因此激起了各國學者的極大探索熱情。在用前景，因此激起了各國學者的極大探索熱情。在應用研究方面，目前中國國內(nèi)的一些成果處于國際應用研究方面，目前中國國內(nèi)的一些成果處于國際前沿，具有代表性的有清華大學的鉍系超導體電纜前沿，具有代表性的有清華大學的鉍系超導體電纜和西南交通大學的高溫超導磁懸浮列車，前者已經(jīng)和西南交通大學的高溫超導磁懸浮列車，前者已經(jīng)達到商品化生產(chǎn)，后者已在實驗室中試制成功，特達到商品化生產(chǎn)，后者已在實驗室中試制成功，特別是后一成果為世界所矚目，別是后一成果為世界所矚目，20032003年年1212月甘子釗、月甘子釗、趙忠賢等趙忠賢等1414位院士上書國務院，建議為位院士上書國務