第12章当代物理前沿.

景德镇高专物理系第12章当代物理前沿景德镇高专物理系本章要点：1、超导材料、纳米材料、光导纤维的性质及应用；2、声学的基本理论及应用；3、激光原理及激光技术的应用；4、原子能及其和平利用。景德镇高专物理系现代物理学的内容是极其广泛的，其空间尺度从亚核粒子到浩瀚的宇宙，其包含的时间从宇宙诞生到无尽的未来。物理学取得的成就是极为辉煌的，它本身以及它对各个自然学科、工程技术部门的相互作用深刻地影响着人类对自然的基本认识和人类的社会生活。今天的物理学是一门充满生机和活力的科学，它对当代以及未来的高新科技的进步和相关产业的建立和发展提供了巨大的推动力。而且，近三四十年来的一些物理学研究的重要成果在现代科技中已属于非常基本的内容，了解这些内容已成为培养21世纪人才的基本科学素养的一部分。本章仅就超导、纳米、光纤、声学、激光、原子能六个当代物理前沿专题作一介绍，以拓展同学们的知识面与视野。景德镇高专物理系12.1超导电性景德镇高专物理系我们知道，自由电子沿某一特定方向运动就在物体中形成了电流。但导体有电阻，电阻存在，使一部分电能转变为热能损耗掉了。人们曾有一个梦想：找到没有电阻的导体材料，则电流经过时不受阻力，没有热损耗，那就具有很高的应用价值。这一梦想于1911年由荷兰科学家卡末林—昂纳斯(H.K.Onnes,1853-1926)发现汞的超导现象而实现！超导电性是在人类发展低温技术并不断地在新的温度范围里研究物质的物理性质的过程中发现的。19世纪末，低温技术获得了显著的进展。1877年氧气被首先液化，液化温度90K，随后人们又液化了液化温度是77K的氮气。1898年杜瓦(J．Dewar)第一次把氢气变成液氢，液化温度为20K，他发明了以他的名字命名的杜瓦瓶。1906年，卡末林—昂纳斯液化了最后一个“永久气体”——氦气，获得4K的低温，这是当时所能达到的最低温度，为在极低温条件下探索各种物质的物理性质创造了必要条件，当然也为三年后卡末林—昂纳斯发现超导电性奠定了实验基础。图12—1就是超导电性的发现者卡末林—昂纳斯。景德镇高专物理系图12-1超导电性的发现者卡末林.昂纳斯景德镇高专物理系12.1.1超导体的基本性质零电阻效应随着低温技术的进展，1911年卡末林—昂纳斯决定研究一下在他们所达到的新低温区——液氦温区内金属电阻的变化规律。他选择了汞，想知道它在尽可能低的温度下其电阻的变化行为。他发现：当温度降低时，汞电阻先是平缓地减小，但出人意料的是在4.2K附近电阻突然降为零。图12—2是汞的电阻随温度的变化关系。（纵坐标是该温度下汞电阻与0０C时电阻的比值。）景德镇高专物理系图12-2汞的零电阻效应景德镇高专物理系卡末林—昂纳斯指出：在4.2K以下汞进入了一个新的物态，在这新物态中汞的电阻实际变为零。他把这种电阻突然降为零而显示出具有超传导电性的物质状态定名为超导态。而把电阻发生突变的温度称为超导临界温度或超导转变温度，用表示。此后，他们又发现了其它许多金属有超导电性。如1913年发现了锡在3.69K时，也有零电阻现象。cT景德镇高专物理系2.完全抗磁性1933年，德国物理学家迈斯纳（W.Meissner）和奥森菲尔德（R.Ochsenfeld）对锡单晶球超导体做磁场分布测量时发现：当置于磁场中的导体通过冷却过渡到超导体时，原来进入此导体中的磁力线会一下子被完全排斥到超导体之外，如图12-3所示，超导体内磁感应强度变为零，这表明超导体是完全抗磁体，超导体的这种现象称为迈斯纳效应。景德镇高专物理系正常态超导态图12-3迈斯纳效应景德镇高专物理系迈斯纳效应和零电阻效应是超导体的两个独立的基本属性，衡量一种材料是否有超导电性，必须看是否同时有零电阻和迈斯纳效应。景德镇高专物理系3存在临界磁场前面我们已经知道了当温度高于临界温度时，超导态被破坏而变成正常态，即有电阻的状态。通过实验还发现，超导电性也可以被外加磁场所破坏。在低于的任一温度下，当外加磁场强度小于某一临界值时，超导电性可以保持；当外磁场超过某一数值的时候，超导电性会被突然破坏而转变成正常态。我们将称作临界磁场。实验表明：对一定的超导体，临界磁场是温度的函数，达到临界温度了时，临界磁场为零。cH201/cccHHTT景德镇高专物理系4.存在临界电流实验还表明，如果在不加磁场的情况下．在超导体中通过足够强的电流也将会破坏超导电性，为破坏超导电性所需要的电流称作临界电流。在临界温度下，临界电流为零。cI景德镇高专物理系5.同位素效应超导体的临界温度与其同位素质量有关。越大，越低，这称为同位素效应。与有近似关系：=常数。cTMMcTMcT1/2cTM景德镇高专物理系12.1.2高温超导体所谓高温超导体是相对传统超导体而言的。传统超导体必须在液氦温度4．2K下工作，而铜氧化物超导体是可以在液氮温度77K下工作的，通常称之为高温超导体。由于传统超导体转变温度很低，这给超导的应用带来了极大的困难。如何提高材料的Tc以及寻求高Tc材料的超导体，自从超导电性被发现以来，一直是科学家们的研究课题。景德镇高专物理系1986年以前，人们发现周期表中相当一部分元素在各种不同的条件下出现超导电性，超导体种类繁多。40年代初，人们发现了第一个转变温度较高的超导体氮化铌NbN，其Tc＝15K。50年代以后，又发现了多种高临界温度超导材料，如V3Si、Nb3Ge等,此间超导临界温度纪录一直在缓慢地提高。直到1973年，在Nb3Ge薄膜中得到了23.2K的最高临界转变温度纪录。此后该纪录再未被打破，一直到1986年柏诺兹(J.G.Bednorz，1950-)和缪勒(K.A.Muller,1927-)首次发现LaBaCuO(镧钡铜氧化物)陶瓷材料中存在35K的超导转变，为超导体的研究开辟了崭新的道路，将超导体从金属、合金和化合物扩展到氧化物陶瓷。陶瓷材料在常温下一般是绝缘体，在低温下一下子变成了超导体，大大出乎人们的意料，改变了从金属和合金中寻找超导材料的传统想法。中国科学院物理研究所、美国休斯敦大学和日本东京大学的科学工作者重复了Bednorz和Muller的结果，并用Sr置换Ba，将提高到40～50K。1987年，中国科学院宣布，由赵忠贤领导的科研组已将钇钡铜氧化物（YBaCuO）的提高到92.8K以上，从而实现了转变温度在液氮温区的突破。虽然新型超导体的转变温度还远没有达到室温，但在液氮温区实现超导也是极大的飞跃。由于液氮与液氦相比，价格便宜100倍，冷却效率高63倍，且氮十分安全，故大大扩展了超导的应用前景，使沉闷了半个多世纪的超导界一下子变得气氛活跃起来。为此，柏诺兹和缪勒共同获得诺贝尔物理学奖。景德镇高专物理系12.1.3BCS理论超导电性量子理论是巴丁(J.Bardeen)、库柏(L.K.Cooper)和施瑞弗(J.R.Schrieffer)在1957年提出的,被称为Bcs超导微观理论。按照此理论，在超导体中两个自旋相反以及动量大小相等、方向相反的电子对之间有很强的关联作用（吸引作用），且胜过电子间的排斥，使两个电子结成对（称为库柏对）。在超导体中导电的不是自由电子，而是库柏对。该理论成功地指明了电子通过交换虚声子形成库柏对，定性地描述了能隙、热学和电磁性质。当考虑被绝缘体隔开的两个超导体，即超导体——绝缘体——超导体，绝缘体通常对于从一种超导体流向另一超导体的传导电子起阻挡层的作用。若阻挡层足够薄，则由于隧道效应，电子具有相当大的概率穿越绝缘层。当超导隧道结的绝缘层厚度只有10埃左右时，将发生一种奇异的约瑟夫森隧道电流效应，即库柏电子隧道效应，电子对穿过势垒时仍保持着配对状态。景德镇高专物理系12.1.4超导材料的应用超导态是物质的—种独特的状态，它的新奇特性，立刻使人想到要将它们应用到技术上去。开展应用问题的研究可以追溯到本世纪二十年代，人们对超导应用的热情总是比研究超导机理更高。超导体的零电阻效应显示其具有无损耗输运电流的性质，因而在工业、国防、科学研究的大工程上有着广泛的应用。大功率的发电机、电动机如能实现超导化，将大大降低能耗并使其小型化；如将超导体应用于潜艇的动力系统，可以大大提高它的隐蔽性和作战能力；在交通运输方面，负载能力强、速度快的超导悬浮列车和超导船的应用，都依赖于磁场强、体积小、重量轻的超导磁体。此外，超导体在电力、交通、国防、地质探矿和科学研究(回旋加速器、受控热核反应装置)中都有很多应用。景德镇高专物理系1.超导材料在强电方面的应用在超导电性被发现后首先应用于制作导线，目前最常用的制造超导导线的材料是传统超导体Nb—Ti(铌钛合金)与Nb3Sn合金，现在已能大规模生产。在lT的强磁场下，输运电流密度达103A／mm3以上。而截面积为1mm2的普通导线为了避免融化，电流不能超过1A一2A。超导线圈已用于制造发电机和电动机线圈、高速列车上的磁悬浮线圈、轮船和潜艇的磁流体和电磁推进系统，以及用于高能物理受控热核反应和凝聚态物理研究的强场磁体，这些物理研究需要很强的磁场，这样的磁场可由超导磁体提供，一些特殊的设备如果没有超导磁体就不能使用。中国科学院合肥等离子体研究所已建造了使用超导磁体的用于研究受控热核反应的托卡马克装置HT—7，见图12-4。景德镇高专物理系目前，应用超导体产生的强磁场，已研制出磁悬浮列车。列车运行时，超导磁体在地面环中产生强大感应电流，由于超导体磁场与环中感应电流相互作用，使车辆悬浮起来，因而车辆不受地面阻力影响，可实现高速运行，车速高达500公里/小时。若使超导磁悬浮列车在真空隧道中运行，完全消除空气阻力影响，车速可提高到1600公里/小时。图12-4托卡马克装置景德镇高专物理系2.超导材料在弱电方面的应用根据交流约瑟夫森效应，利用约瑟夫森结可以得到电压的精确值。它把电压基准提高了两个数量级以上，并已被确定为国际基准。约瑟夫森效应的另一个基本应用是超导量子干涉仪(SQUID)。用SQUID为基本元件可制作磁强计、磁场梯度计、检流计、伏特计、温度计、重力仪及射频衰减仪等装置，具有灵敏度高、噪声低、响应快、损耗小等特点。约瑟夫森结还有在计算应用上的巨大潜力，它的开关速度可达10-12s，比半导体元件快1000倍左右，而功耗仅为微瓦级，比半导体元件小1000倍。超导芯片制成的超导计算机，速度快、容量大、体积小、功耗低。景德镇高专物理系3.高温超导体的应用从原则上说，高温超导器件可比传统超导器件在更高的温度下工作，高温超导体的特有性质可用于研制未知的新器件。由铋、锶、钙、铜和氧构成的高温超导材料已制成超导导线，比常规铜线运载电流大100倍。我国第一根铋系高温超导输电电缆于1998年研制成功，运载电流达到1200安培。利用溅射、脉冲激光沉积、金属有机化学沉积等技术已能制备高质量的YBCuO(亿钡铜氧化物超导体)薄膜和高温超导多层膜，薄膜技术的发展为高温超导电子学器件的研制提供了先决条件。这种薄膜特别适用于蜂窝电话基地电台的滤波器，经其过滤的信号保持原来强度而提高了信噪比，而常规的铜滤波器使信号强度降低，难以与噪音区别。1996年，这种薄膜进入市场。景德镇高专物理系由于高温超导体具有较低的表面电阻和较高的工作温度，高温超导无源微波器件的研制获得了巨大的成功。例如滤波器，谐振器，延迟线等，这些器件可望在今后几年里变为商品面市，为全球通讯服务。综上所述，我们看到在人类的生活中已得到了超导电技术带来的诸多好处，我们还将看到超导电技术会越来越广泛地造福于人类。如解决人类未来能源的基本技术是受控热核反应，而实现这一点必须使用无损耗的超导磁体。因此人类的未来离不开超导电技术及其相关技术的发展。景德镇高专物理系12.2纳米技术景德镇高专物理系在当代，随着高新技术的发展，材料和器件的微型化成为一个重要的发展方向，这样在从宏观走向微观的过程中，出现了介于宏观与微观之间的纳米层次。它要在纳米尺度空间内，研究电子、原子和分子的特性及运动规律，从而实现人类按自己的意志直接操纵单个原子，重新