超导物理概论及高温超导体 的研究进展与现状 余亚斌 一一、超导电性的研究历史与近年超导电性的研究历史与近年 来的进展来的进展 二、超导电性的应用 1. 1. 超导体零电阻现象的发现 1908年,Onnes 在4.125k,1个大气压下液化了 He.1911年,他又在Hg样品中首次发现了超导电现 象. 一、一、超导电性的研究历史与近年来超导电性的研究历史与近年来 的进展的进展 汞的电阻在4.2K附近消失 OnnesOnnes。 第一位超导领域的诺贝尔奖 2. 超导体完全抗磁性的发现 迈斯纳和奥克森费尔特于1933年发现超 导体具有完全抗磁性，即 “迈斯纳”效应。 迈斯纳效应的发现使人们认识到超导体的 抗磁性有别于完全导体的“抗磁性”，它是 一个独立于零电阻之外的超导体基本性质 。在此之后人们才比较全面地了解了超导 体的基本性质。 瓦尔特迈斯纳 迈斯纳效应示意图 小磁体悬浮在超导体上。 完全抗磁性 球体 置于外磁场中的超导体会表现出完全抗磁性，即超导 体内部磁感应强度恒为零的现象称为“迈斯纳效应迈斯纳效应” ” 9 超导体超导体 142 kg142 kg 10 磁悬浮列车 11 12 13 14 Meissner Effect Ideal Conductor Superconductor Magnetic levitation “Flux frozen” 15 16 2008-9-11 17 2008-9-11 3.超导体电动力学的建立 伦敦兄弟于1935年提出的伦敦方程是第 一个对超导体的电动力学作统一描述的理 论。该理论不仅说明了超导体的各种电磁 性质，而且也解释了前述的迈斯纳效应。 该理论指出：在超导态，处于外磁场中的 超导体内并不是完全没有磁场，实际上外 磁场可以穿透到超导体表面附近很薄的一 层中，其穿透深度约为十万分之一厘米。 磁场在超导体表面的穿透深度 Meissner Effect 4.京兹堡朗道（G-L)理论的建立 1950年，当时只有34岁的京茨堡和前苏 联另一位著名的物理学家朗道一同提出了 一个描述超导体特性的理论。这个理论是 在朗道二级相变理论基础上建立的，可以 准确地预测诸如超导体能负荷的最大电流 等特性。但该理论属于超导电性的唯象理 论。 在最初发现超导体之后很多年，人们才 知道世界上存在不止一种类型的超导体。 那种不允许磁场穿过的，是第一类超导体 。而阿布里科索夫在1953年的研究表明， 还存在第二类超导体，这种超导体允许磁 场穿过。 第一类超导体 在超导态是理想的 抗磁体 (Meissner态)。 HC：临界磁场 当HHC, 转变为正常态 HC TC H T 超导态 完全抗磁性 正常态 0 22 *超导体的分类 一些元素的超导临界温度 Pb 7.2 K La 4.9 K Ta 4.47 K Hg 4.15 K Sn 3.72 K In 3.40 K Tl 1.70 K Rh 1.697 K Pr 1.4 K Th 1.38 K Al 1.175 K Ga 1.10 K Ga 1.083 K Mo 0.915 K Zn 0.85 K Os 0.66 K Zr 0.61 K Am 0.6 K Cd 0.517 K Ru 0.49 K Ti 0.40 K U 0.20 K Ha 0.128 K Ir 0.1125 K Lu 0.1 K Be 0.026 K W 0.0154 K Pt 0.0019 K Rh 0.000325 K 23 已知的超导元素 24 第II类超导体 两个临界磁场 HC1、 HC2 HHc1 Meissner态，完全抗磁通 B=0 Hc1 H Hc2 混合态，磁通格子态 磁通量子、磁通钉扎、流动、蠕动。 HHc2 正常态 理想第II类超导体、非理想第II类超导体 25 第二类超导体相图 Meissner态 混合态 正常态 HC1 当 HC1HHC2, 处于混合态，磁通部分 穿透进超导体， 抗磁性不完全。 在混合态的磁通线 有规律地排列成 三角或四方格子， 称为磁通格子。 HC2 T H 26 混合态 1957年，苏联物理学家阿布里科 索夫提出存在第二类超导体，其主要 特点是存在下临界磁场Hc1和上临界 磁场Hc2。 当材料处于H Hc1的外加磁场中 时，材料为完全超导态； 当 Hc1 1013 Hz, 表面阻抗 R RN (T 0 K) f 0 开始强烈吸收电磁波(微波或者红外频谱) 41 从超导基态产生一个在 k 态的单激发准粒子的激发能： 超导基态中电子分布 6.约瑟夫森效应的发现 1962年英国物理学家约瑟夫森在研究超 导电性的量子特性时提出了量子隧道效应 理论，也就是今天人们所说的约瑟夫森效 应。 1973年诺贝尔物理学奖一半授予美国纽约州约克城高地（Yorktown Heights）IBM瓦森研究中心的江崎玲於奈（Leo Esaki，1925），美国 纽约州斯琴奈克塔迪（Schenectady）通用电器公司的贾埃沃（Ivar Giaever，1929），以表彰他们分别在有关半导体和超导体中的隧道现 象的实验发现；另一半授予英国剑桥大学的约瑟夫森（Brian Josephson ，1940），以表彰他对穿过隧道壁垒的超导电流所作的理论预言，特别 是关于普遍称为约瑟夫森效应的那些现象。 Josephson(约瑟夫森)效应 F0=2x10-7Gauss/cm2 45 超导量子干涉仪 (SQUID) F0=2x10- 7Gauss/cm2 46 该理论认为：电子对能够以隧道效应穿过 绝缘层，在势垒两边电压为零的情况下， 将产生直流超导电流，而在势垒两边有一 定电压时，还会产生特定频率的交流超导 电流。在该理论的基础上诞生了一门新的 学科-超导电子学。 D. Josephson, Phys. Lett. 1,251 (1962); Adv, Phys. 14,419 (1965) Josephson Effect n1973 Nobel Prize for Physics Completed the great work as a postgraduate! 48 Superconducting quantum interference device (SQUID) nThreshold for SQUID: 10-14 T nMagnetic field of heart:10-10 T nMagnetic field of brain: 10-13 T 49 1986年以前超导研究过程 1911年 Onnes发现Hg在4.2K电阻突然下降为零 1933年 Meissner效