4 8 講座超導(dǎo)現(xiàn)象及其實(shí)驗(yàn)事實(shí)

1、講座超導(dǎo)體的電磁性質(zhì)超導(dǎo)現(xiàn)象及其實(shí)驗(yàn)事實(shí) 零電阻現(xiàn)象 完全抗磁性邁斯納效應(yīng) 臨界磁場和臨界電流 同位素效應(yīng) 約瑟夫森效應(yīng) 各種超導(dǎo)材料簡介超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)和研究n 自1911 年卡末林. 昂尼斯（ KamerlinghOnnes）首次發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)電現(xiàn)象起直至今日，超導(dǎo)電性問題引起了人們極大的興趣，一門新興的物理學(xué)科超導(dǎo)物理學(xué)由此誕生。90年多來，該領(lǐng)域的研究獲得了一次又一次的重大進(jìn)展，有多項(xiàng)研究成果獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。超導(dǎo)發(fā)展大致經(jīng)歷了以下三個(gè)階段：北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編2005.5人類對超導(dǎo)電性的基本探索和認(rèn)識階段1911年1957年n 昂尼斯因在低溫的獲得和低溫下物性的研究而獲1913年諾貝爾物

2、理學(xué)獎(jiǎng)n 超導(dǎo)微觀理論BCS 理論（ 1957年）n 巴?。↗.Bardeen）n 庫柏(L.N.Cooper)n 施瑞弗（J.R.Schrieffer）n 獲1972年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編2005.5人類對超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用的準(zhǔn)備階段1958年1986年n 在本世紀(jì)60年代達(dá)到高峰 ，主要有四大方面發(fā)展n 實(shí)用超導(dǎo)材料的發(fā)展；n 超導(dǎo)電子器件的發(fā)展；n 大量技術(shù)應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)室初探；n 千方百計(jì)尋找超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度高的新超導(dǎo)材料n 1962年約瑟夫森（Josephson）發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)電子對隧道效應(yīng)約瑟夫森效應(yīng)使他與江崎玲於內(nèi)（ Leo Esaki） 賈埃沃（ Ivar.Giaever ）

3、分享了1973年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) 超導(dǎo)電子學(xué)（超導(dǎo)量子電子學(xué)）興起北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編2005.5發(fā)現(xiàn)了高溫銅氧化物超導(dǎo)體，揭開了人類對超導(dǎo)技術(shù)的開發(fā)的序幕1985年n 已故超導(dǎo)材料權(quán)威Matthias曾講過：“如能在常溫下，例如300 K左右實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)電性，則現(xiàn)代文明的一切技術(shù)都將發(fā)生變化。”n 貝德諾茲（Bednorz）和繆勒（Muller）因此獲得了1987年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。n 人們公認(rèn)“室溫超導(dǎo)電材料”和“高溫超導(dǎo)理論”是諾貝爾獎(jiǎng)級的問題北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編2005.5零電阻現(xiàn)象n 低溫的實(shí)現(xiàn)是研究超導(dǎo)的基礎(chǔ)1895年 “永久氣體”（空氣）被液化，液化點(diǎn)-192C81.15K；

4、1895年在大氣中發(fā)現(xiàn)氦氣；1898年 杜瓦（ Dewar）氫氣液化，液化點(diǎn) -253C20.15K1908 年， 由卡末林. 昂尼斯（ KamerlinghOnnes）領(lǐng)導(dǎo)的荷蘭萊登實(shí)驗(yàn)室完成了氦氣液化的實(shí)驗(yàn)，液化點(diǎn)-268C4.25K此后， 萊登實(shí)驗(yàn)室利用減壓降溫法獲得了4.25 K1.15K的低溫北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編2005.5零電阻現(xiàn)象物質(zhì)在低溫下會(huì)出現(xiàn)什么現(xiàn)象？1911年卡末林.昂尼斯發(fā)現(xiàn)，在4.2K下，Hg電阻突然消失4.2K下，電阻比從1/500下降到10-6，這個(gè)下降是突然的萊登實(shí)驗(yàn)室估計(jì)，1.5K下，電阻比10-9昂尼斯指出：在4.2K以下，進(jìn)入了一個(gè)新的物態(tài)，在這新物態(tài)

5、中的電阻實(shí)際上為零現(xiàn)代超導(dǎo)重力儀的觀測表明，超導(dǎo)態(tài)即使有電阻也必定小于10-28 ， 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于正常金屬迄今所能達(dá)到的最低電阻率 零電阻現(xiàn)象?？v坐標(biāo)為電阻比，橫坐標(biāo)為溫度北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編2005.5各種名詞n 超導(dǎo)態(tài)：顯示出超導(dǎo)電性質(zhì)的物質(zhì)狀態(tài)n 超導(dǎo)體：具有上述超導(dǎo)特性的物體n 超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度（臨界溫度）：n 物質(zhì)在低溫下，其電阻突然轉(zhuǎn)變?yōu)榱愕臏囟?，用TC表示，TC也叫轉(zhuǎn)變溫度。溫度高于TC，超導(dǎo)體和一般金屬一樣有電阻，稱為正常態(tài)n 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)除了外有幾十種元素、數(shù)千種合金和化合物都具有超導(dǎo)性。但在超導(dǎo)體發(fā)現(xiàn)以后的漫長時(shí)期內(nèi)，所發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)材料的臨界溫度都比較低，分布在23.2K0.02K之

6、間北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編2005.5完全抗磁性邁斯納效應(yīng)1933年由Meissner和Oshsenfeld發(fā)現(xiàn)，超導(dǎo)體一旦進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)，體內(nèi)磁通量將全部被排除出體外。磁感應(yīng)強(qiáng)度恒等于零邁斯納效應(yīng)。在超導(dǎo)體發(fā)現(xiàn)后的20多年中，人們一直把超導(dǎo)體的磁性歸結(jié)為超導(dǎo)體的完全導(dǎo)電性的結(jié)果，即把超導(dǎo)體看成僅僅是電阻為零的理想導(dǎo)體邁斯納效應(yīng)展示了超導(dǎo)體與理想導(dǎo)體完全不同的磁性質(zhì)，使人們對超導(dǎo)體有了全新的認(rèn)識邁斯納效應(yīng)和零電阻現(xiàn)象是超導(dǎo)體兩個(gè)獨(dú)立的基本性質(zhì)北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編2005.5理想導(dǎo)體和超導(dǎo)體的區(qū)別rr = 0j = sE Ei0n 理想導(dǎo)體n 理想導(dǎo)體內(nèi)不可能存在電場n 理想導(dǎo)體內(nèi)也不可能存在隨

7、 Bi= - E= 0時(shí)間變化的磁場itn 由理想導(dǎo)體的性質(zhì)可以推想超導(dǎo)體應(yīng)具有以下特點(diǎn)：n B應(yīng)由初始條件（或?qū)嶒?yàn)過程）決定，理想導(dǎo)體中不可 能有隨時(shí)間變化的磁場即內(nèi)部原有的磁通既不能減少也 不能增加。（對否？）北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編2005.5又Q E = - Bto 設(shè)想比較兩個(gè)實(shí)驗(yàn)n 實(shí)驗(yàn)一：金屬球經(jīng)歷下圖過程理想導(dǎo)體n 實(shí)驗(yàn)二：改變次序北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編2005.5內(nèi) 部應(yīng) 有磁場磁通不變， 內(nèi)無磁場結(jié)論：理想導(dǎo)體內(nèi)部是否存在磁力線以及如何分布與降溫及加外磁場的先后順序有關(guān)，即與它們的歷史經(jīng)歷有關(guān)。實(shí)際的超導(dǎo)體是否就是理想導(dǎo)體呢？n 1933年由Meissner和Oshsen

8、feld對圍繞球形導(dǎo)體（單晶錫）進(jìn)行了測量n 只要TTC或BBC，介質(zhì)處于正常態(tài)，磁場會(huì)穿透介質(zhì)n TTC或BBC，呈超導(dǎo)態(tài)，磁場被完全排出介質(zhì)n 超導(dǎo)體內(nèi)永遠(yuǎn)B=0完全抗磁性n 邁斯納效應(yīng)是獨(dú)立于零電阻效應(yīng)的另一種基本性質(zhì)。n 邁斯納效應(yīng)實(shí)際上成為判斷真?zhèn)纬瑢?dǎo)的依據(jù)北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編2005.5超導(dǎo)體的完全抗磁性的第一種解釋n 把超導(dǎo)體當(dāng)作磁介質(zhì)，它具有特殊磁性rrrrrrrr超導(dǎo)體內(nèi)，B = 0,則M = -H, cm= -1n 由于內(nèi)部，M0，超導(dǎo)體表面有磁化電流，n 磁化電流產(chǎn)生的磁場與外磁場相抵消，內(nèi)部沒有磁場北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編2005.5完全抗磁性B = m0H + m

9、0M , M = cmH超導(dǎo)體的完全抗磁性的第二種解釋把超導(dǎo)體看成是一種完全沒有磁性、根本不存在磁化的物體即認(rèn)為超導(dǎo)體的M=0或mr=1但是在外磁場的影響下，超導(dǎo)體表面層會(huì)出現(xiàn)某種面分布的傳導(dǎo)電流屏蔽電流傳導(dǎo)電流的屏蔽作用使超導(dǎo)體內(nèi)部的合磁場為零， 導(dǎo)致完全抗磁性，實(shí)驗(yàn)證實(shí)屏蔽電流存在。上述兩種觀點(diǎn)都指出：超導(dǎo)體表面有面電流，完全抗磁性起源于這種面電流，實(shí)際上第一種解釋是一種有用的形式模型，由于超導(dǎo)體的零電阻效應(yīng)，不論是磁化電流還是傳導(dǎo)電流，均無焦以兩種觀點(diǎn)是完全等價(jià)的損耗，所北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編2005.5n 現(xiàn)象：在錫盤上放置一條永久磁鐵，磁懸浮實(shí)驗(yàn)當(dāng)溫度低于錫的轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，小磁鐵會(huì)離

10、開錫盤飄然升起，升至一定距離后，便懸空不動(dòng)了n 解釋：由于磁鐵的磁力線不能穿過超導(dǎo)體在錫盤感應(yīng)出持續(xù)電流的磁場，與磁鐵之間產(chǎn)生了排斥力，磁體越遠(yuǎn)離錫盤，斥力越小，當(dāng)斥力減弱到與磁鐵的重力相平衡時(shí)，就懸浮不動(dòng)了。北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編2005.5臨界磁場和臨界電流n 超導(dǎo)體的零電阻特性，使人自然想到可以實(shí)現(xiàn)以下幾點(diǎn)n 超導(dǎo)回路中的電流持續(xù)，即在超導(dǎo)回路中一旦形成，便無需外電源就能持續(xù)幾年仍觀測不到衰減n 利用超導(dǎo)體制成的導(dǎo)線傳輸非常大的電流n 利用超導(dǎo)體制成的線圈來產(chǎn)生非常強(qiáng)的磁場n 但1914年，昂尼斯發(fā)現(xiàn)，當(dāng)超導(dǎo)體中電流太大或?qū)⒊瑢?dǎo)體置于太強(qiáng)的磁場中時(shí)，超導(dǎo)性遭到破壞，即導(dǎo)體將從超導(dǎo)態(tài)回到

11、正常態(tài)北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編2005.5實(shí)驗(yàn)表明n 每一種處在超導(dǎo)態(tài)的導(dǎo)體材料，當(dāng)其中的電流超過某一臨界值或超導(dǎo)體所在處的磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度超過某一臨界值時(shí)，超導(dǎo)性都會(huì)破壞三個(gè)臨界值之間有一定關(guān)系超導(dǎo)態(tài)TC臨界值正常態(tài)BCIC臨界溫度臨界電流 臨界磁場北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編2005.5是T=0 K時(shí)的臨界磁場臨界磁場與溫度的關(guān)系2 2 T TIC= I1 - BC= B1 - 00TTCC圖中，曲線把B-T平面劃分為兩個(gè)區(qū)域，正常態(tài)和超導(dǎo)態(tài)， 從超導(dǎo)態(tài)到正常態(tài)的變化可以通過改變溫度來實(shí)現(xiàn)，也可通過改變磁場來實(shí)現(xiàn)。在曲線上， 發(fā)生從正常態(tài)到超導(dǎo)態(tài)的可逆變化。北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編2005.5

12、同位素效應(yīng)n 1950年科學(xué)家在用水銀的不同的同位素作實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)了同位素效應(yīng)，即臨界溫度與同位素的質(zhì)量相關(guān)水銀n 同位素原子量越小，Tc越高n 作用：為探明超導(dǎo)轉(zhuǎn)變的微觀機(jī)制提供了一條重要的線索。n 為什么這么說？北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編2005.5其它超導(dǎo)元素不總是-1/2T M acT M -1 2c同位素效應(yīng)暗示了什么？n 金屬是由晶格粒子(原子實(shí))與共有化的電子組成，在它們之間概括講有三大類相互作用n 晶格電子相互作用；n 電子電子相互作用，n 晶格晶格相互作用n 聲子：描述晶格振動(dòng)的能量子n 究竟是哪一種相互作用促使金屬發(fā)生超導(dǎo)轉(zhuǎn)變呢?n 從同位素效應(yīng)可以看出Tc受原子質(zhì)量的影響n

13、原子質(zhì)量M的不同無疑會(huì)使晶格運(yùn)動(dòng)性質(zhì)不同n 暗示晶格電子相互作用必定在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變中起關(guān)鍵作用2005.5北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編電聲子作用是超導(dǎo)電性的根源 M Tc 0n 原子質(zhì)量無窮大，晶格粒子不可能運(yùn)動(dòng)，它不會(huì)振動(dòng)，便無超導(dǎo)特性這給我們以啟示n 超導(dǎo)特性與原子晶格的振動(dòng)及形變有關(guān)n 同位素效應(yīng)明確告訴我們，電聲子作用是超導(dǎo)電性的根源n 同位素效應(yīng)是微觀理論第一次成功地了超導(dǎo)效應(yīng)，對電聲子作用的深人探索產(chǎn)生了著名的BCS理論北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編2005.5T M ac約瑟夫森效應(yīng)n 磁通量子化n 超導(dǎo)體所包含的任何磁通量只能是基本量子單位的整數(shù)倍超導(dǎo)態(tài)的磁通量子化現(xiàn)象n 最初由倫敦（1950年）和昂色格（1954年）從n 1961年由迪費(fèi)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證n 約瑟夫森效應(yīng)n 后為安德森等在實(shí)驗(yàn)上所證實(shí)北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編2005.5n 1962年由Josephson從理論上理論上北京大學(xué)物理