低温下的物理效应

物理效应及其应用低温下的量子效应物理效应及其应用5-2第五讲低温下的量子效应热运动往往掩盖量子效应，大多数量子效应都要在低温条件下观察，所以获取低温的效应是低温下量子效应的关键。※绝热膨胀制冷效应：在绝热膨胀过程中，与外界无热交换，。但对外做功，只得靠减小气体内能来补偿。内能减少，分子无规则运动动能减少，即温度下降。※焦-汤效应：气体通过小孔有节制地从高压向低压流动的过程称为节流过程。在节流过程中气体温度随压强变化的现象称为焦耳-汤姆孙效应。节流膨胀温度下降，产生制冷效应。制冷过程都是是系统有序度增加熵减少的过程——熵排出机。物理效应及其应用5-3第五讲低温下的量子效应※激光冷却与捕陷原子以往低温多在固体或液体系统中实现，这些系统都包含着有较强的相互作用的大量粒子。20世纪80年代，借助于激光技术获得了中性气体分子的极低温（例如，10–10K）状态，这种获得低温的方法就叫激光冷却。※绝热去磁制冷效应：借助磁场使某些顺磁盐中的电子自旋磁矩排列有序，等温磁化减少熵，再进行绝热去磁，使顺磁盐的温度降低。物理效应及其应用5-4第五讲低温下的量子效应导体：容易导电的物体。室温下金属导体的电阻率10-8Ω·m～10-6Ω·m.绝缘体：不容易导电的物体。室温下绝缘的电阻率108Ω·m～1018Ω·m.这种低温下的零电阻现象称为超导现象。一、超导现象(Superconductivity)具有超导电性的物质叫超导体。1911年，荷兰莱顿大学的卡茂林-昂尼斯意外地发现，将汞冷却到-268.98°C时，汞的电阻突然消失；后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性，由于它的特殊导电性能，卡茂林-昂尼斯称之为超导态。卡茂林由于他的这一发现获得了1913年诺贝尔奖。这一发现引起了世界范围内的震动。在他之后，人们开始把处于超导状态的导体称之为“超导体”。超导体的直流电阻率在一定的低温下突然消失，被称作零电阻效应。导体没有了电阻，电流流经超导体时就不发生热损耗，电流可以毫无阻力地在导线中流大的电流，从而产生超强磁场。物理效应及其应用5-5第五讲低温下的量子效应临界温度TC:超导体电阻突然变为零的温度。TTC,物质为超导态；TTC,为普通金属态迄今已知，超导体的电阻率远小于10-25Ω·cm。而00C普通导体的电阻率为1.6×10-6Ω·cm。临界磁场HC(T)磁场超过HC(T)时，即使TTC，普通金属态·超导态HC(T)超导态普通金属态TTCHC(0)0相平衡曲线汞电阻随温度变化物理效应及其应用5-6第五讲低温下的量子效应所谓“电阻消失”，只是说电阻小于仪表的最小可测电阻。正常导体组成的回路有电阻电能的损耗(热).如果回路没有电阻没有电能的损耗。电流可以持续地存在下去零电阻效应是超导态的两个基本性质之一。物理效应及其应用5-7第五讲低温下的量子效应具有超导电性的物质叫超导体，超导体电阻突然变为零的温度叫超导临界温度。至今已发现有28种元素、几千种合金和化合物是超导体。超导体进入超导状态时，不仅其内的电阻为零，而体内的磁场也为零，表现出完全的抗磁性。长期以来，人们发现的超导体只能在低温液氦区（4K左右）工作，这就需要许多低温设备和技术，费用很高且不方便，因而限制了超导体的应用。60年代开始，人们一直在探索把超导临界温度提高到液氮温区（77K）以上的办法，这就是高温超导研究。1986年高温超导研究取得了突破性的发展，科学家相继发现了许多高温超导物质。现在高温超导体的临界温度已达到130K左右，使超导体已走出了液氦的阴影，为人类挖掘超导电性所隐藏的宝藏开辟了广阔的前景。物理效应及其应用5-8第五讲低温下的量子效应1986年4月发现钡一镧氧化物制成的陶瓷材料具有35K的转变温度，1986年12月23日日本宣布研制出37．5K的超导材料；1986年12月25号美国贝尔实验室获得40K的超导材料；1986年12月26号中国科学院获得48．6K的超导材料；1987年2月16号休斯顿大学美籍华人朱经武获得98K的超导材料；1987年2月14号中国物理学家赵忠贤获得110K的超导材料；1987年3月9号，日本宣布获得175K的超导材料；1987年3月，中国科技大学获得215K的超导材料.1933年，荷兰的迈斯纳和奥森菲尔德共同发现了超导体的另一个极为重要的性质，当金属处在超导状态时，这一超导体内的磁感兴强度为零，却把原来存在于体内的磁场排挤出去。对单晶锡球进行实验发现：锡球过渡到超导态时，锡球周围的磁场突然发生变化，磁力线似乎一下子被排斥到超导体之外去了，人们将这种现象称之为“迈斯纳效应”。物理效应及其应用5-9第五讲低温下的量子效应迈斯纳效应——完全抗磁性A正常态金属球B超导态金属球D升高温度至超导态金属球沿不同路径在正常态与超导态之间转换C增大磁场至超导态D超导态金属球B增大磁场至正常态C降低温度至超导态A正常态金属球物理效应及其应用5-10第五讲低温下的量子效应实验表明，不管是先降温后加磁场，还是先加磁场后降温，使金属由正常态转变为超导态时，磁场力线将全部排挤出超导体外，超导体内恒有磁感应强度B=0。这种现象称为迈斯纳效应。完全抗磁性的反映超导悬浮？超导体内部磁场变为零时，由于电流沿超导体表面流过，这表面电流产生的磁场与外磁场抵偿的结果。物理效应及其应用5-11第五讲低温下的量子效应1913年翁内斯发现，当在超导线中的电流超过某一临界值时，超导线转变为正常态，1914年他又用实验表明，超导态也可以被外加磁场破坏，相应的电流称为临界电流Ic，相应的磁场称为临界磁场Hc。左图为Nb3Sn的磁场，电流与温度的关系。在无外加磁场情况下，临界电流在超导体表面所产生的磁场恰好等于临界磁场。临界电流物理效应及其应用5-12第五讲低温下的量子效应BCS理论是用量子力学来描述超导体系统状态的理论。1957年，美国依利诺伊大学的物理学家巴丁、库柏和施里弗提出了这一理论，后来以三位科学家姓名第一个大写字母命名，称之为BCS理论。这一理论的核心是计算出导体中存在电子相互吸引从而形成一种共振态，即存在“电子对”（称为库柏对(Cooper‘spairs)，该理论较好地解释了超导现象。正常态的电子是互相排斥的，超导态时，电子相互作用，使电子两两相互吸引，形成电子对，称之库柏对。含有库柏对电子的金属具有较低的能态。量子力学可以说明电子对的总动量在与金属正离子碰撞时不损失，在低能态下，库柏对电子就像无阻力的流体一样易于流动。因此巴丁、库珀、施里弗荣获1972年诺贝尔物理奖。特征参数：临界温度TC，临界磁场HC(T)，临界电流密度jc。超导电性：ρ=0，B=0.物理效应及其应用5-13第五讲低温下的量子效应“库柏对”的产生因为金属中的电子并不完全自由，他们通过点阵相互发生相互作用，即当一个自由电子吸引邻近的点阵离子时，邻近的点阵离子会向自由电子靠拢，是晶格发生畸变，局部正电荷密度变大——局部正电荷性，吸引别的电子，仅效果是一个自由电子和另一个自由电子互相吸引。低温时两个自由电子束缚成一个集团——电子对（库柏对）。在室温下，金属中不可能有大量自由电子组成稳定的电子对，因为晶格离子的无规则热运动会破坏瞬间存在的分子轨道，使自由电子不可能组成稳定的电子对。自由电子组成的电子对通过晶格运动时不受阻力，是因为当电子对中的一个电子受到晶格的散射（或偏析）而改变其动量时，另一个电子也同时要受到影响而发生相反的动量改变。其结果是自由电子组成的电子对定向运动的总动量不变。所以晶格既不能减慢也不能加快自由电子组成的电子对的定向运动，在宏观上表现为超导体对电流的电阻为零。物理效应及其应用5-14第五讲低温下的量子效应1962年约瑟夫森正在英国剑桥大学当研究生。他从理论上作出预言，对于超导体-绝缘层-超导体互相接触的结构（也叫S-I－S结构），只要绝缘层足够薄，超导体内的电子对就有可能穿透缘层势垒，导致如下效应：（1）在恒定电压下，既有直流超导电流产生，也有交流超流，其频率为2eV/h；（2）在零电压下，有直流超流产生，这一电流对磁场非常敏感，磁场加大，电流将迅速减小；（3）如果在直流电压上再叠加一交流电压，其频率为v，则会出现一零斜率的电阻区，在这个区域内电流有傅里叶成分，电压V与v的关系为2eV/h＝nv（其中n为整数）。物理效应及其应用5-15第五讲低温下的量子效应1962年英国剑桥大学研究生约瑟夫逊推测BCS理论提到的库柏对也可通过薄绝缘层，即“电子对”能穿过薄绝缘层（隧道效应），在薄绝缘层隔开的两种超导材料之间有电流通过；同时还产生一些特殊的现象，如电流通过薄绝缘层无需加电压，倘若加电压，电流反而停止而产生高频振荡。这一超导物理现象称为“约瑟夫逊效应”。这些预言于1963年在美国的贝尔实验室被罗威尔等人用试验证实了，“约瑟夫逊效应”有力的支持了“BCS理论”。约瑟夫森则获得1973年度诺贝尔物理奖。超导隧道效应二、约瑟夫森效应物理效应及其应用5-16第五讲低温下的量子效应正常电子隧道：当两块金属被一个薄的绝缘体分开时，在它们之间可以有电流通过，称此金属-绝缘体-金属叠层为隧道结；电流称为隧道电流。（N-I-N结）金属金属超导体VI超导隧道：当一块金属变成一个超导体时结电阻猛烈地增加。（N-I-S结）。单电子隧道超导隧道：相同超导体之间的隧道——双电子隧道（S-I-S结）。三、超导技术的应用超导技术的应用十分广泛，涉及输电、电机、交通运输、微电子和电子计算机、生物工程、医疗、军事等领域，这种新技术军民兼用，可研制出“双重”产品，将获得极大的社会效益和军事效益.绝缘体物理效应及其应用5-17第五讲低温下的量子效应①在电力工程方面的应用超导输电在原则上可以做到没有焦耳热的损耗，因而可节省大量能源；用超导线圈储存能量在军事上有重大应用，超导线圈用于发电机和电动机可以大大提高工作效率、降低损耗，从而导致电工领域的重大变革.②超导技术在交通运输方面的应用动用超导体产生的强磁场可以研制成磁悬浮列车，车辆不受地面阻力的影响，可高速运行，车速达500km/h以上，若让超导磁悬浮列车在真空中运行，车速可达1600km/h，利用超导体制成无摩擦轴承，用于发射火箭，可将发射速度提高3倍以上.③超导技术在电子工程方面的应用用超导技术制成各种仪器，具有灵敏度高、噪声低、反应快、损耗小等特点，如用超导量子干涉仪可确定地热、石油、各种矿藏的位置和储量，并可用于地震预报.物理效应及其应用5-18第五讲低温下的量子效应④超导技术在生物医疗方面的应用超导磁体在医学上的重要应用是核磁共振成像技术，可分辨早期肿瘤癌细胞等，还可做心电图，脑磁图、肺磁图，研究气功原理等.⑤超导技术在军事上的应用超导储能装置在定向武器上的应用使定向武器发生飞跃的发展.超导发电机，推进器在飞机上的应用可大大提高飞机的生存能力，在航海中的应用，可大大减小甚至没有噪音，推进速度快，可大大提高舰艇的生存、作战能力，超导计算机应用于C3I指挥系统，可使作战指挥能力迅速改善提高等等.随着超导技术的不断发展，高温氧化物超导材料和有机物超导材料将不断问世，目前超导还只应用在科学实验和高技术中，例如中国科学院合肥等离子体物理研究所，采用超导技术建成托卡马克实验装置(磁约束装置)，放电300ms，电流I=150kA，使我国核聚变研究能力向前跨进一大步.物理效应及其应用5-19第五讲低温下的量子效应国家科委(91)国科发高字126号关于印发《超导技术战略目标汇报会纪要》的通知中国科学院院长周光召同志说：“超导是物理学、材料科学中最热门的前沿。在全世界激烈竞争的情况下，中国的科学家和研究生们，奋力拼搏，在各方面做出了很好的成绩，表示了中国科技界这部分力量是非常宝贵的，是值得我们国家引为骄傲的一支科技力量。”物理效应及其应用5-20第五讲低温下的量子效应奇异的超导陶瓷1973年，人们发现了超导合金――铌锗合金，其临界超导温度为23.2K，该记录保持了13年。1986年，设在瑞士苏黎士的美国IBM公司的研究中心报道了一种氧化物（镧－钡－铜－氧）具有35K的高温