超导体

主要内容12341:超导体的两个基本特性1.1零电阻1911年，昂内斯选择了当时最容易提纯的Hg作为实验材料，在液氦温度下进行研究。实验发现当温度降到4.2K左右时，Hg的电阻陡然下降！这种在低温下发生的零电阻现象，被称为物质的超导电性具有超导电性的材料称为超导体电阻突然消失的温度叫做超导体的临界温度Tc超导体在超低温度下电阻为零的状态为超导态当温度升高而电阻不为零的状态为正常态1.2迈斯纳效应（完全抗磁性）1933年，迈斯纳对锡单晶体超导体做磁场分布测量时，在小磁场中把金属冷却进入超导态时，超导体内的磁感应线完全被排斥于体外，保持超导体内磁感应强度B=0。1.3超导体的临界磁场Hc当通到线圈的电流产生的磁场超过一定强度时，超导体会突然就变成正常导体，出现了电阻。这种大到一定强度就破坏超导态的磁场值，叫做临界磁场，用Hc表示。实验表明，对一定的超导体临界磁场是温度的函数。Hc不仅与超导体本身性质有关，还与温度T有关。Hc(0)为T→0时的临界磁场。另外，产生临界磁场的电流，即超导态允许流动的最大电流，称为临界电流Ic。)(21)0()(TcTHcTHc临界磁场与温度的关系2:伦敦方程伦敦第一方程电场对电荷的作用力将使电流的变化正比于电场,即(1)如果设想超导电流是由于单位体积有个完全不受阻力的电子所引起的，则(2)伦敦第一方程说明超导电流的时间变化率由电场决定。它表明了静场时超导体内电场为零，概括了零电阻效应。Etjs1)(Emvtetnesnsjs2)(ns伦敦第二方程根据麦克斯韦方程（3）将（2）式代入得到（4）这一方程说明超导电流与磁场的关系。它说明：1.超导电流是有旋的，可以在一环形回路中形成持续的超导电流。2.这个方程可以证明，js和B都只存在于超导体表面层内，即有迈斯纳效应tBEtBtmjness23：BCS超导理论3.1同位素效应实验发现，超导体的Tc反比于构成该超导体的同位素质量的平方根。同位素质量越大Tc就越低。这一效应叫做同位素效应。电子和点阵的相互作用一定是产生超导的原因所在。引入声子的概念，声子是一种能量量子。通常把电子与点阵的相互作用，称为电子-声子相互作用。电子与声子相互作用的直接效果是改变电子的运动状态，产生各种具体的物理效应，包括正常导体的电阻效应和超导体的无电阻效应。3.2库柏对1956年的时候，美国物理学家库柏提出了一个重要的观点：当满足一定条件，在电子和电子之间存在有吸引力时，这两个电子就会形成一个“电子对”，它们被束缚在一起。这样的“电子对”称为“库柏对”。电子在晶格点阵中运动，它对周围的正离子有吸引作用，从而造成局部正离子的相对集中，导致对另外电子的吸引作用。这种作用可以用电子-声子相互作用模式处理。3.3BCS理论1957年，巴丁(美国)、库柏和约翰·施里弗(美国)三人共同创立了近代超导微观理论，被称为超导BCS理论。固体中的电子以发射或吸收声子的方式与晶格振动相互作用。在发射声子及第二个电子吸收声子的过程中有动量守恒。金属导体的电阻：金属中的原子离解为带负电的自由电子和带正电的离子，离子排列成周期性的点阵。在金属的T＞Tc的情况下，自由电子在金属导体中运动时，它与金属晶格点阵上的离子发生碰撞而散射，这就是金属导体具有电阻的原因。超导机理如下：电子在晶格中移动时会吸引邻近格点上的正电荷，导致格点的局部畸变，形成一个局域的高正电荷区。这个局域的高正电荷区会吸引自旋相反的电子，和原来的电子以一定的结合能相结合配对。在很低的温度下，这个结合能可能高于晶格原子振动的能量，这样，电子对将不会和晶格发生能量交换，也就没有电阻，形成所谓“超导”。4：超导体的历史及最新进展4.1超导体的历史1911年——昂内斯发现Hg.1911-1932年——元素超导体，Pb、Sn、In、Ta、Nb、Ti等。1933年——迈斯纳和奥森菲尔德发现迈斯纳效应。1933-1953年——合金、过渡金属碳化物和氮化物。1953-1973年——Tc17k的V3Si、Nb3Sn等。1969年，超导纤维研制成功。1957年，BCS理论被提出。1973年——Nb3Ga、NbGe等，最高Tc=23.2k。金属氧化物超导体被发现，BaPbxBi1_xO3.1975年——500km/h的磁悬浮列车研制成功。1986年——朱经武发现Tc=52k的BaLaCuO.1987年——赵忠贤、陈立泉研制成功Tc=93k的YBaCuO。1988-2000年——高温超导体迅猛发展，Tc不断升高已达132k.4.2最新研究继铜基超导材料之后，2008年2月日本和中国科学家发现了一类新的高温超导材料——铁基超导材料。东京工业大学的研究小组发现临界温度达26k的镧氧氟铁砷超导材料LaO0.5F0.5FeAs。这种新的超导材料与铜基超导体有些相似，它们都是层状结构，低的超流密度和高的上临界场，因此超导机制有些类似。有助于揭示高温超导机制。2012年，日本发现了一种新的超导体材料——BiS2基超导体。在BiS2层状化合物如La(Pr)O0.5F0.5BiS2和Bi6O4S4(SO4)1-x中发现了新型的超导电性。BiS2层结构的超导体还有ReO1-xFxBiS2，其中Re代表稀土元素到目前为止，在LaO1-xFxBiS2，PrO1-xFxBiS2，NdO1-xFxBiS2，CeO1-xFxBiS2中都发现了超导现象，它们的超导转变温度分别是10.6k，3.0k，5.5k，5.6k。我所做的研究是基于BiS2超导电子结构的第一性原理计算。