超導(dǎo)材料物理性質(zhì)、典型理論和常見材料應(yīng)用

1、超導(dǎo)材料物理性質(zhì)、典型理論和常見材料應(yīng)用第一節(jié) 超導(dǎo)電性的發(fā)展歷史第二節(jié) 超導(dǎo)體的基本物理性質(zhì)第三節(jié) 傳統(tǒng)超導(dǎo)體的超導(dǎo)電性理論第四節(jié) 兩類超導(dǎo)體第五節(jié) 超導(dǎo)隧道效應(yīng)第六節(jié) 超導(dǎo)材料的進(jìn)展及高Tc的追求第七節(jié) 幾種超導(dǎo)材料第四節(jié) 兩類超導(dǎo)體超導(dǎo)體的臨界參數(shù)臨界溫度臨界電流臨界磁場昂內(nèi)斯通過大電流失敗超導(dǎo)純金屬的臨界溫度和臨界磁場20世紀(jì)30年代 “雜質(zhì)效應(yīng)”20世紀(jì)60年代 肯茲勒 錫化三鈮 (Nb3Sn，鈮三錫)Nb3Sn：在液氦中，在強(qiáng)度為磁場中可以通過1105A/cm2這樣大的電流密度而測不出有電阻 29.44 10631.83 1062124Nb3Ge27.06 10620Nb3Ga18

2、.30 10617V3Si17.51 10619.90 1061718Nb3Sn16.71 10618.30 10614.5V3Ga7.1610610.34106810Nb3Tl上臨界磁場Hc2/Am-1 (T=4.2K下)臨界溫度Tc/K物質(zhì)幾種第二類超導(dǎo)體的臨界溫度Tc和上臨界磁場Hc2第類超導(dǎo)體 只有一個臨界磁場Hc 在超導(dǎo)態(tài)，磁化行為滿足： M/H=-1，具有邁斯納效應(yīng)。除釩、鈮、鉭外，其他超導(dǎo)元素都是第I類超導(dǎo)體。B/m0H-MHHcHc第類超導(dǎo)體2. 第類超導(dǎo)體有兩個臨界磁場，即下臨界磁場HC1和上臨界磁場HC2，如圖所示。HHC1時，同第I類超導(dǎo)體HC1HHC2時, 正常態(tài)-MH

3、Hc1Hc2B/m0HHc2Hc1第類超導(dǎo)體混合態(tài)中的磁力線的觀察：右圖是伊斯曼(UEssmann)和梯奧堡(HTrauble)用磁性裝飾法獲得的第類超導(dǎo)體處于混合態(tài)時磁力線排布的照片從照片上直接數(shù)出磁力線總數(shù)N、再測出穿過超導(dǎo)體的總磁通量，可計(jì)算出一根磁力線的磁通量0，0=N，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明， 0-15韋伯。正好等于一個磁通量子，也就是h2e。h是普朗克常數(shù)，e是電子電量在渦旋相鄰區(qū)域處電流方向相反，因此渦旋互相排斥形成三角形排列 正常芯的結(jié)構(gòu)：1.磁力線有一個正常的芯，芯的半徑為相干長度2.磁通量子由環(huán)流的超導(dǎo)電流（渦旋電流）所維持23. 渦旋管的中心的超導(dǎo)態(tài)完全被破壞，沒有超導(dǎo)電子，超導(dǎo)態(tài)

4、從渦旋管的中心開始逐漸恢復(fù)沿著管的半徑向外，超導(dǎo)態(tài)電子逐漸增加，到渦旋管半徑約為相干長度時，超導(dǎo)態(tài)完全恢復(fù)2理想第二類超導(dǎo)體的磁力線分布(a) H=HC1 (b) HC1HHC2 (c) H=HC2兩個磁力線之間的距離：當(dāng)外加磁場H低于Hc1時，第二類超導(dǎo)體的行為完全象第一類超導(dǎo)體，顯示出完全抗磁性和等于一H的磁化強(qiáng)度。 當(dāng)外場強(qiáng)度達(dá)到Hc1時，有渦旋電流的正常心在表面上形成，并穿進(jìn)材料。穿過渦旋的磁通與外加磁場產(chǎn)生的磁通方向相同，因而材料中的磁通不再等于零，同時磁化強(qiáng)度的大小突然減小。 3. 在強(qiáng)度為Hc1和Hc2之間的磁場中，隨外加磁場的增大，導(dǎo)體中正常芯的數(shù)目增加，正常芯更加緊密地擠在一

5、起，結(jié)果材料的磁感應(yīng)強(qiáng)度（平均磁通密度）增加，磁化強(qiáng)度的大小隨H的增加而平穩(wěn)地減小 4.在高于Hc2時材料處于正常態(tài)，磁化強(qiáng)度為零 材料都有自動降低自由能的趨勢 考慮一超導(dǎo)物體處于場強(qiáng)小于臨界值Hc2的外加磁場中，并假定這材料內(nèi)要出現(xiàn)一正常區(qū)其邊界與外加磁場方向平行。出現(xiàn)這樣的正常區(qū)就要改變超導(dǎo)體的自由能，我們可以考慮兩項(xiàng)對自由能變化的貢獻(xiàn)，一項(xiàng)貢獻(xiàn)來自正常區(qū)的整體，另一貢獻(xiàn)是由其表面引起的。 Hlxy(x)磁貢獻(xiàn)（）庫柏電子對的貢獻(xiàn)（）對總自由能貢獻(xiàn)gnet(x)gsc(x)x (nm)l (nm)Tc (K)Hc2 (T)Al1600501.2.01Pb83397.2.08Sn230513

6、.7.03x (nm)l (nm)Tc (K)Hc2 (T)Nb3Sn112001825YBCO1.520092150MgB251853714第一類超導(dǎo)體第二類超導(dǎo)體 相干長度和穿透深度的相對值隨不同材料而異。進(jìn)一步的研究的話，人們發(fā)現(xiàn)相干長度，穿透深度都和電子自由程密切相關(guān)，電子自由程的減小使得相關(guān)長度減小，穿透深度增加。金屬中的雜質(zhì)會使電子平均自由程減小，因而不純金屬或合金中的相干長度可遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于穿透深度。所以，一些合金或十分不純的金屬通常是第二類超導(dǎo)體。理想的第二類超導(dǎo)體軟超導(dǎo)體 磁力線流動產(chǎn)生流阻第類超導(dǎo)體的混合態(tài)示意圖第二類超導(dǎo)體的重要性就在于可以采用某種適當(dāng)?shù)墓に嚕潭ㄗ〈帕€。如果

7、磁力線被固定在超導(dǎo)體中(通常說磁力線被釘扎中心釘扎住了)不動，則電流就會沿著超導(dǎo)態(tài)的通路流動而不產(chǎn)生任何電阻 混合態(tài)的超導(dǎo)體從整體載流效果來看與完全處于超導(dǎo)狀態(tài)一樣：電流會集中沿著沒有電阻的超導(dǎo)區(qū)構(gòu)成的通道中流動，有電阻的正常區(qū)好象不存在一樣 第二類超導(dǎo)體有很大的上臨界場和臨界電流密度，具備作為強(qiáng)場和大電流下工作的基本條件超導(dǎo)體作為實(shí)際材料應(yīng)用成為可能超導(dǎo)材料的臨界電流密度可以用適當(dāng)?shù)募庸すに噥硖岣叩娜绾翁岣叩诙惓瑢?dǎo)材料的釘扎效果和臨界電流密度是當(dāng)前超導(dǎo)材料研究的一個重大方向提高第二類超導(dǎo)體臨界電流的方法同一橫向外加磁場中，第二類超導(dǎo)體電壓-電流曲線同一超導(dǎo)體， A、B、C表示樣品越來越不完

8、整第一節(jié) 超導(dǎo)電性的發(fā)展歷史第二節(jié) 超導(dǎo)體的基本物理性質(zhì)第三節(jié) 傳統(tǒng)超導(dǎo)體的超導(dǎo)電性理論第四節(jié) 兩類超導(dǎo)體第五節(jié) 超導(dǎo)隧道效應(yīng)第六節(jié) 超導(dǎo)材料的進(jìn)展及高Tc的追求第七節(jié) 幾種超導(dǎo)材料單電子隧道效應(yīng) 正常金屬的隧道效應(yīng) 金屬-超導(dǎo)體的隧道效應(yīng) 超導(dǎo)體間的隧道效應(yīng)約瑟夫森效應(yīng)第五節(jié) 超導(dǎo)隧道效應(yīng)在經(jīng)典力學(xué)中 ，只有粒子具有足夠的能量越過勢壘時，它才會從一個空間進(jìn)入另一個空間區(qū)域中去。在量子力學(xué)中，一個能量不大的粒子也可能會以一定的幾率穿過勢壘，這就是所謂的隧道效應(yīng)粒子發(fā)生隧道效應(yīng)的概率和勢壘的寬度以及勢壘能量和粒子能量的差有關(guān) 第一 在隧穿過程中，系統(tǒng)的總能量必須守恒（是指包括絕緣層(或間隙)兩邊

9、金屬在內(nèi)的整個系統(tǒng)，在隧穿過程發(fā)生前后。能量要求保持不變）第二 必須遵守泡利不相容原理（由于發(fā)生隧道效應(yīng)的主體是單個電子，必然要受泡利不相容原理的制約，因此電子隧穿進(jìn)入的態(tài)必須是空態(tài)才被允許）。只有這兩個條件被同時滿足時，隧道效應(yīng)才會發(fā)生隧道效應(yīng)必須滿足的條件： 正常金屬的隧道效應(yīng)正常金屬的隧道效應(yīng)真空EFEFEFEF在金屬片B中出現(xiàn)的相應(yīng)空態(tài)數(shù)目，是與所加偏壓的大小成正比的，從而隧道電流也將與偏壓成線性比例關(guān)系 金屬-超導(dǎo)體（N-I-S）隧道效應(yīng)當(dāng)溫度高于絕對零度時，會有一些超導(dǎo)電子對，因熱激發(fā)而被拆散成兩個準(zhǔn)粒子，而進(jìn)入比基態(tài)能級高出以上的受激態(tài)能級上。拆散一個電子對：2，一個受激準(zhǔn)粒子：

10、。受激準(zhǔn)粒子類似于正常電子，遵守費(fèi)米狄拉克統(tǒng)計(jì)， 或泡利不相容原理，正因?yàn)檫@樣，受激準(zhǔn)粒子也稱單電子。在0K，超導(dǎo)體處于基態(tài)，即超導(dǎo)電子對全部凝聚在上圖所示的同一能級上，遵守波色-愛因斯坦統(tǒng)計(jì)。受激準(zhǔn)粒子庫柏對V=0V/e金屬-超導(dǎo)體（N-I-S）隧道效應(yīng)-/eVIV-/eeVeVeV超導(dǎo)體正常金屬超導(dǎo)體正常金屬超導(dǎo)體正常金屬超導(dǎo)體正常金屬超導(dǎo)體正常金屬/eIV-/eT=0KS-I-N 伏安特性曲線T=0K，S-I-N 伏安特性曲線/eIV-/eT0KS-I-N 伏安特性曲線T0K，S-I-N 伏安特性曲線2eVV2/e2eVV=2/e2/eIV正常隧道效應(yīng)兩個相同超導(dǎo)體間（S-I-S)的隧道

11、效應(yīng)2/eIV-2/eT0K，S-I-S 伏安特性曲線T0K，S-I-S 伏安特性曲線約瑟夫森效應(yīng)：雙電子隧穿效應(yīng)約瑟夫森效應(yīng)上面提到的單電子隧道效應(yīng)，當(dāng)絕緣層厚度在幾十到幾百納米左右時，對于金屬-絕緣體-金屬而言，電子能夠穿過絕緣體；對于S-I-N，S-I-S而言，當(dāng)電壓達(dá)到一定程度時，庫柏電子對能夠分成兩個準(zhǔn)粒子，一個發(fā)生隧穿到另一個金屬，另外一個進(jìn)入本超導(dǎo)體的準(zhǔn)粒子態(tài)。不管怎樣，都是單個粒子穿越隧道結(jié)，因而稱這些為單電子隧道效應(yīng)。我們都知道超導(dǎo)體中的導(dǎo)電粒子是庫柏對，當(dāng)兩個超導(dǎo)體被絕緣薄層連接在一起時，有沒有可能庫柏對不發(fā)生分裂，直接穿過絕緣體呢？Brian D. JosephsonTh

12、e Discovery of Tunnelling SupercurrentsThe Nobel Prize in Physics 1973 絕緣薄層薄到一定程度時，超導(dǎo)電子對（庫柏對）就能夠隧穿絕緣薄膜，形成超導(dǎo)隧道電流。他宣稱用電線連接超導(dǎo)體絕緣體超導(dǎo)體的結(jié)，當(dāng)外加電壓為零時，會出現(xiàn)電流即超導(dǎo)電流；而如果在結(jié)上加一個很小的直流電壓會出現(xiàn)交變的超導(dǎo)電子對隧道電流高頻交流電的頻率等于2eV/h。 約瑟夫森1962年預(yù)言：1. 當(dāng)不存在電場時，有直流電流通過結(jié)，通過結(jié)的超導(dǎo)電子對電流J 為：2. 在結(jié)的兩端施加直流電壓時，電流發(fā)生震蕩，其頻率與施加的電壓成正比： J是通過隧道結(jié)的電流，J0是能夠

13、通過結(jié)的最大零壓電流，正比于遷移相互作用，是隧道結(jié)兩邊電子對波的位相差，V是結(jié)兩端的直流電壓 約瑟夫森在他的理論中，預(yù)言了外磁場的作用：當(dāng)外磁場恒定時，有一穩(wěn)定的超導(dǎo)電流流經(jīng)超導(dǎo)結(jié)(這與普通超導(dǎo)體的邁斯納效應(yīng)類似，但這里的超導(dǎo)電流很弱)。當(dāng)外磁場變化時，電流將隨外磁場的增大而周期件地起伏變化(這是超導(dǎo)結(jié)持有的現(xiàn)象)。1963年，美國人菲利普沃倫安德森觀察到了隧道電流的存在羅威爾進(jìn)一步證實(shí)了隧道電流和磁場的關(guān)系。1973年諾貝爾物理學(xué)獎：Leo Esaki Ivar Giaever Brian D. Josephson BCS理論指出，電子對的相位關(guān)系，在整塊超導(dǎo)體內(nèi)是高度有序排列的(即所謂長程

14、有序)。但是，當(dāng)兩塊超導(dǎo)體之間有一薄絕緣勢壘層分開時，隨即在這之間產(chǎn)生量子相位差。量子相位差就是產(chǎn)生約瑟夫森直流效應(yīng)與交流效應(yīng)的根源。而隧道超流等一系列的新奇現(xiàn)象，只不過是量子相位差的宏觀顯示 。直流約瑟夫森效應(yīng)的伏安特性曲線 1. 庫柏對能夠隧穿絕緣薄膜，形成無阻的超導(dǎo)電流，似乎絕緣薄層也成了超導(dǎo)體。事實(shí)上，絕緣薄層的超導(dǎo)電件完全是由庫柏對的隧道效應(yīng)引起的，因而是一種十分微弱的超導(dǎo)電性。一般情況下，隧道結(jié)的臨界電流是非常小的，大約只有幾十微安到幾十毫安量級2. 直流超導(dǎo)電流穿過隧道結(jié)，只要電流不大于臨界電流，隧道結(jié)就呈現(xiàn)無阻的性質(zhì)，從而結(jié)兩端的電壓為零。因此，這種隧道效應(yīng)通常稱為直流隧道效應(yīng)。它的伏安特性曲線是電流軸上的一段直線，從零到最大約瑟夫森電流Ic為止。 3. 如果電流繼續(xù)增加，超過超導(dǎo)結(jié)的臨界電流Ic，那么無阻特性被破壞，直流約瑟夫森效應(yīng)消失。但是，單電子隧道效應(yīng)仍可進(jìn)行。從下圖可以看出，I-V曲線將由直流約瑟夫森效應(yīng)曲線轉(zhuǎn)換到單電子隧道效應(yīng)曲線，同時顯示出隧道結(jié)兩端的壓不等于零，即結(jié)電阻不等于零。2/eIcV-2/e直流約瑟夫森效應(yīng)的伏安特性曲線IIc約瑟夫森效應(yīng)