超导材料发展历程及现行理论解释与应用

超导材料的发展及理论解释与应用目录1.简介2.实验验证3.超导材料种类4.理论解释5.超导材料应用6.总结定义:超导材料（superconductor），是指具有在一定的低温条件下呈现出电阻等于零以及排斥磁力线的性质的材料。两个重要特性零电阻：超导材料处于超导态时电阻为0（在实验中，若导体电阻的测量值低于10-25Ω，可以认为电阻为0），能够无损耗地传输电能。迈斯纳效应（完全抗磁性）：超导材料处于超导态时，只要外加磁场不超过一定值，磁力线不能透入，超导材料内的磁场恒为零。•超导体具有三个临界参数：临界转变温度Tc、临界磁场强度Hc、临界电流密度Jc。当超导体同时处于三个临界条件内时，才显示出超导性。•（1）临界转变温度Tc：当温度低于临界转变温度Tc时，材料处于超导态；超过临界转变温度Tc，超导体由超导态恢复为正常状态。•（2）临界磁场强度Hc：当外界磁场强度超过临界磁场强度Hc时，超导体由超导体恢复为正常状态。临界磁场强度Hc与温度有关，关系式如下：•（3）临界电流密度Jc：当通过超导体的电流密度超过临界电流密度Jc时，超导体由超导体恢复为正常状态。临界电流密度Jc与温度、磁场强度有关。实验检验为了证实（超导体）电阻为零，科学家将一个铅制圆环，放入温度低于Tc=7.2K的空间，利用电磁感应使环内激发起感应电流。结果发现，环内电流能持续下去，从1954年3月16日始，到1956年9月5日止，在两年半的时间内的电流一直没有衰减，这说明圆环内的电能没有损失，当温度升到高于Tc时，圆环由超导状态变正常态，材料的电阻骤然增大，感应电流立刻消失，这就是著名的昂尼斯持久电流实验。发展历程•1911年，荷兰科学家H.K.Ones利用低温技术研究金属的电阻特性时发现Hg在温度低至4.2K时电阻降为零。后人把这种状态叫超导态。并把电阻突然降为零的温度称为临界温度，记为Tc。•但由于早期的超导体存在于液氦极低温度条件下，极大地限制了超导材料的应用。人们一直在探索高温超导体，从1911年到1986年，75年间从水银的4.2K提高到铌三锗的23．22K，才提高了19K,科学家们用乌龟来形容这个程度。追寻“高温”超导之路•这里说的“高温”，是相对于绝对零度而言的“高温”.事实上，高温超导的追寻“高温”之路是以室温为终极目标的.•直到1986年，缪勒(K.AlexanderMuller)和柏诺兹(J.GeorgBednorz)发现了铜氧化物高温超导体，人类提高超导转变温度的速度才坐上了火箭，开始飞速攀升。•这之后，超导转变温度也不断攀升，从最初的几K到目前一百多K，不断向室温靠近。新世纪超导的发展2009年10月10日，美国科学家合成物质(Tl4Ba)Ba2Ca2Cu7O13+,将超导温度提高到254K，距离冰点仅19℃，对于推广超导的实际应用具有极大的意义。国内外最新进展•德国马普所的研究人员借助短波红外激光脉冲的帮助，成功制成室温下的陶瓷超导体——尽管其维持的时间仅有百万分之几微秒。•吉林大学物理学院、超硬材料国家重点实验室的崔田教授组在“传统高温超导体”的研究上取得了实质性进展，理论预测H2S-H2化合物在高压下的超导临界温度可达到191K。并且已被德国马普所M.I.Eremets教授课题组的高压实验结果所证实。“BCS理论”的名称来自于它的创立者：巴丁(J.Bardeen)、库珀(L.Cooper)和施里弗(J.Schrieffer)现行理论1：BCS超导理论•BCS理论的基本观点认为：与晶格（或声子）的耦合可导致原本互相排斥的电子之间出现有效的吸引力，自旋和动量相反的两个电子通过声子作为媒介形成一个束缚态，即所谓“库珀对”，而“库珀对”能不受散射，顺利地通过晶格。•一个比较形象的理解：当一个电子在晶格中运动时，由于异性电荷相吸而导致局域晶格畸变，当另外一个电子通过时，会感受到第一个电子通过时导致的晶格畸变的影响，从而在两个电子之间产生间接吸引相互作用，这就是“库珀对”，其总动量和总自旋为零。所有电子对在运动过程中能够保持“步调一致”（相位相干，即相位相同），即使受到杂质等散射也将保持总动量不变，从而在外加电场作用下能够不损失能量而运动——这种现象就是超导。所以说，超导是微观量子凝聚态的宏观表现。GL理论是在朗道二级相变理论的基础上提出的唯象理论。理论的提出者是京茨堡（Ginsburg）、朗道（Landau）。现行理论2：GL理论GL理论1950年，V·L·京茨堡和L·D·朗道在二级相变理论的基础上提出了超导电性的唯象理论，称为京茨堡·朗道理论（简称GL理论）。超导态与正常态间的相互转变是二级相变（相变时无体积变化，也无相变潜热）。1937年朗道曾提出二级相变理论，认为两个相的不同全在于秩序度的不同，并引进序参量η来描述不同秩序度的两个相，η=0时为完全无序，η=1时为完全有序。GL理论把二级相变理论应用于正常态与超导态的相变过程，其独到之处是引进一个有效波函数ψ作为复数序参量，|ψ|2则代表超导电子的数密度，应用热力学理论建立了关于ψ的京茨堡-朗道方程。根据GL理论可得到许多与实验相符的结论，例如临界磁场、相干长度及穿透深度与温度的关系等。GL理论还给出了区分第一类超导体和第二类超导体的判据。贡献•GL理论的最大贡献在于预见了第二类超导体的存在。从GL理论出发，可以引出表面能κ的概念。当超导体的表面能κ时，为第一类超导体；当超导体的表面能κ时，为第二类超导体。第一类超导体和第二类超导体的磁场-温度相图超导材料应用前景•利用超导材料输电•利用超导储能•磁悬浮列车•用于热核反应•高精度仪器的制造•其他总结在人类尚未发现可替代的中间能量形式时，电依然是主要的能量传递途径，因此超导体在未来的很长的一段时间内都将占据极重要的地位而超导体或许能带领人类走进下一个新时代。THANKSFORATTENTATION