本讲目的 与超导电现象有关的基本概念? *借助于澄清以下几个概念展开 #超导体不是理想导体→ Meissner效应 # Cooper对→超导机制 #超导能隙→拆散 Cooper对所需能量 AB Y http://10.107.0.68/jgche/ 超导电性
http://10.107.0.68/~jgche/ 超导电性 1 本讲目的 • 与超导电现象有关的基本概念？ * 借助于澄清以下几个概念展开 超导体不是理想导体Meissner效应 Cooper对超导机制 超导能隙拆散Cooper对所需能量
第32讲、专题:超导电性 传统超导现象及其微观理论 1.低温超导现象 临界温度、电流、磁场 2.超导体是否理想导体? Meissner效应 3. Cooper对 超导能隙 Josephson效应 I.铜氧化物高温超导 1.氧化物超导的发现 2.结构共性与超导电性 http://10.107.0.68/igche/ 超导电性
http://10.107.0.68/~jgche/ 超导电性 2 第32讲、专题：超导电性 I. 传统超导现象及其微观理论 1. 低温超导现象 • 临界温度、电流、磁场 2. 超导体是否理想导体？ • Meissner效应 3. Cooper对 • 超导能隙 4. Josephson效应 II. 铜氧化物高温超导 1. 氧化物超导的发现 2. 结构共性与超导电性
Ⅰ、传统超导现象及其微观理论 1911年, H.K. Onnes(1913得诺贝尔奖) 1957, J Bardeen, L N Cooper andJ.R Schrieffer(BCS理论,1972得诺贝尔奖) 1962年,B.D. Josephson(1973得诺贝尔奖) AB Y http://10.107.0.68/jgche/ 超导电性
http://10.107.0.68/~jgche/ 超导电性 3 I、传统超导现象及其微观理论 • 1911年, H. K. Onnes (1913得诺贝尔奖) • 1957年, J. Bardeen, L. N. Cooper and J. R. Schrieffer (BCS理论，1972得诺贝尔奖) • 1962年, B. D. Josephson (1973得诺贝尔奖)
1、低温超导现象 关于低温时金属电阻的推测 1.如完全来源于电子一声子散 射,极低温时T下降 2.如来源于杂质、缺陷散射, 则电阻与温度无关趋于常数 3.如金属中载流子浓度随T下降 而减少,则电阻反而上升 但1911年 Onnes发现,在临界 温度T=415K以下,汞进入 了一个新的状态:电阻为 零,或,电流一旦建立,永 不衰减→他称其为超导态 http://10.107.0.68/igche/ 超导电性
http://10.107.0.68/~jgche/ 超导电性 4 1、低温超导现象 关于低温时金属电阻的推测 1. 如完全来源于电子—声子散 射，极低温时T 5下降 2. 如来源于杂质、缺陷散射， 则电阻与温度无关趋于常数 3. 如金属中载流子浓度随T下降 而减少，则电阻反而上升 • 但1911年Onnes发现，在临界 温度T c =4.15K以下，汞进入 了一个新的状态：电阻为 零，或，电流一旦建立，永 不衰减他称其为超导态 T R
Ones发现超导现象 与新技术有密切联系 015 *1908年荷兰物理学家 Onnes成功液化氦气 0125 7<42K,开创了低温物0 理研究 1911年 ooso 007s *为观察杂质电阻,选择5 当时可提纯最高的水银a *发现415K附近水银电阻 0D25 突然消失 *这条曲线是可逆 404.14.24344 * Onnes因此而获1913年 Temperature kelvin 的Nobe物理奖 http://10.107.0.68/igche/ 超导电性
http://10.107.0.68/~jgche/ 超导电性 5 Onnes发现超导现象 • 与新技术有密切联系 * 1908年荷兰物理学家 Onnes成功液化氦气， T<4.2K，开创了低温物 理研究 • 1911 年 * 为观察杂质电阻，选择 当时可提纯最高的水银 * 发现4.15K附近水银电阻 突然消失 * 这条曲线是可逆 * Onnes因此而获1913 年 的Nobel物理奖
随后的研究表明材料T材料TK *很多金属都有这 Sn 3.72Nb2Ge23.2 种性质:有28种 TI 2.39Nb2Ga20.3 元素在常压下具 In 3.40Nb3Sn18.05 有超导电性,但 Al 1.14Nb2Al175 并不排除在更低 温下,其他元素 H 4.15 NaBi 4.25 也有 Cd 0.56AuBe264 *室温下是半导 0.39PdSb,1.25 体,低温时也有 Nb-9.26/TiCo 0.71 超导电性质,且 Zn 0.88AuSb,0.58 转变温度比纯金 属高 Ga 340ZrAl20.30 但Au、Ag、Cu a 448Mor8.8 等良导体没有 Pb 7.19 19.2 http://10.107.0.68/igche/ Tc 7.77 NbN 16.0
http://10.107.0.68/~jgche/ 6 • 随后的研究表明 * 很多金属都有这 种性质：有28 种 元素在常压下具 有超导电性，但 并不排除在更低 温下，其他元素 也有 * 室温下是半导 体，低温时也有 超导电性质，且 转变温度比纯金 属高 * 但Au 、Ag 、Cu 等良导体没有 材料 Tc /K 材料 Tc /K Sn 3.72 Nb3 Ge 23.2 Tl 2.39 Nb2 Ga 20.3 In 3.40 Nb3 Sn 18.05 Al 1.14 Nb3 Al 17.5 Hg 4.15 NiBi 4.25 Cd 0.56 AuBe 2.64 Ti 0.39 PdSb 2 1.25 Nb 9.26 TiCo 0.71 Zn 0.88 AuSb 2 0.58 Ga 3.40 ZrAl 2 0.30 Ta 4.48 Mo3 Ir 8.8 Pb 7.19 C60 19.2 Tc 7.77 NbN 16.0
蓝:标准条件;绿:高压下 0 NOWN SUPERCONDUCTIVE A ELEMENTS lⅣ A vA VIA VllAHe 2uBe·BLE= AT AMBIENT PRESS⊥FE BCNOFNe GREEN= ONLY UNDER HIGH PRESSURE 3 Na Mg I B IYB VBVIBⅦB IB B AI SiIP ISCIAr K CaI Sc TiY cr Mn Fe co Cu Zn Ga GeAsI Se BrKr 39 40 41 4243444546748495 51525354 5 Y Zr Mo Tc Ru Rh Cd In Sn sbTe Xe 6Cs Ba *La Hf I Ta w Re os Ir Pt Au Hg Ti Pb Bi Po At Rn FI 91041105106107108109110111112 Ra+ Ac Rf Ha106107108109110111112 SUPERCONOUC TORS. ORG Lanthanide 5859 606162 Series Ce Pr Nd PmSm TE Gd tb Dy Ho Er TmB +Actinide 92931941951969798199100101102103 Series Th Pa U Np Pu Am cm Bk cf Es Fm Md No Lr
http://10.107.0.68/~jgche/ 超导电性 7 蓝：标准条件；绿：高压下
临界温度、电流、磁场 既然没有电阻, Critical current 那就可具有很大 的电流呢? 1D0 不!临界直流电 10 流 Critical Curront *超过临界电流, 10 超导态被破坏, 转入正常态 0.1 为什么? 是被电流自身产 2345578910 Amperes 生的磁场所破坏 http://10.107.0.68/igche/ 超导电性
http://10.107.0.68/~jgche/ 超导电性 8 临界温度、电流、磁场 • 既然没有电阻， 那就可具有很大 的电流呢？ • 不！临界直流电 流 * 超过临界电流， 超导态被破坏， 转入正常态 • 为什么？ • 是被电流自身产 生的磁场所破坏
临界温度,临界电流,临界磁场相图 Critical Surface Phase Diagram http://10.107.0.68/jgche/ 超导电性
http://10.107.0.68/~jgche/ 超导电性 9 • 临界温度，临界电流，临界磁场相图
类和Ⅲ类超导体 若将磁场加大 到一临界值 Type I Superconductor 时,磁场会突 然进入超导体副 内部,从而破盖 Nor mal State 坏了超导态 大部分纯金属 &x8 Superconducting State 属第一类超导国目 体 *H较低,使用 Applied Magnetic Field 价值不大 http://10.107.0.68/igche/ 超导电性
http://10.107.0.68/~jgche/ 超导电性 10 I类和II类超导体 • 若将磁场加大 到一临界值 时，磁场会突 然进入超导体 内部，从而破 坏了超导态 • 大部分纯金属 属第一类超导 体 * Hc较低，使用 价值不大