超导材料

1第五章超导材料234《阿凡达》那神奇的悬浮山在《阿凡达》中，地球人为开采“Unobtanium”矿石和纳威人大打出手。它由“难获得的”(unobtainable)和表示元素的后缀“ium”结合在一起。它被用来指常温超导体。在《阿凡达》中，科学家把一块Unobtanium矿石放在一块永磁体的上方，它就悬浮在空中。5我们不禁要问在大千世界上，这种现象是否真能存在呢？？6一、超导体的基本知识超导体的定义：某某些物质当冷却到临界温度以下时,同时产生零电阻率和排斥磁场的能力,这种现象被称为超导性,该类材料称为超导体或超导材料。7超导体的特性1、超导体的零电阻特性电阻为零R=0（超导态时）1911年荷兰科学家Onnes(昂内斯)观测到Hg的电阻在4.2K突然下降为零,首次发现了超导现象。超导环中的永久电流实验：r10-23W.cm8金属Hg电阻随温度变化规律横坐标表示温度，纵坐标表示在该温度下汞的电阻与0℃时汞的电阻之比：R/R0R0：T=273K的电阻9卡末林·昂内斯H.Kamerlingh-Onnes(1853--1926)荷兰物理学家。1913年，诺贝尔物理学奖，因对物质低温性质的研究和液氦的制备而获奖。也被称为超导之父。10R=0（超导态时）TC：超导临界温度，TTC,R=011高温超导体YBCO的电阻-温度曲线122.Meissner（迈斯纳）效应Meissner效应(完全抗磁性,理想抗磁性)磁感应强度B=0(超导体内)Meissner（迈斯纳）和Ochsenfeld（奥克森菲尔德）1933年发现:如果把超导体放在磁场中冷却，则在材料电阻消失的同时，磁感应线将从超导体中排出，不能通过超导体，这种现象称为抗磁性。13完全抗磁性球体置于外磁场中的超导体会表现出完全抗磁性，即超导体内部磁感应强度恒为零的现象—称为“迈斯纳效应”14Meissner(迈斯纳)效应由于Meissner效应，磁铁和超导体之间存在很强的排斥作用，----磁悬浮右图：小磁体悬浮在超导体上。15超导体142kg16磁悬浮列车17二、三个重要的物理参数实现超导必须具备一定的条件，如温度、磁场、电流都必须足够的低。超导态的三大临界条件：临界温度临界电流临界磁场三者密切相关，相互制约18超导临界温度发展历程临界温度(Tc)超导体电阻突然变为零的温度。19逐渐增大磁场到达一定值后，超导体会从超导态变为正常态，把破坏超导电性所需的最小磁场称为临界磁场，记为Hc。正常态HHc(0)TcT超导态临界磁场有经验公式：Hc(T)=Hc(0)(1-T2/Tc2)20超导体无阻载流的能力是有限的，当通过超导体中的电流达到某一特定值时，又会重新出现电阻，使其产生这一相变的电流称为临界电流（Ic）。目前，常用电场描述Ic(V)，即当每厘米样品长度上出现电压为1V时所输送的电流。Ic(V)IV失超临界电流213.表征超导体的重要物理量穿透深度：，磁场在超导体表面穿透进入超导体的深度，~10–100nm相干长度：，电子配对（Cooper对）的尺寸，~1-50nm超导能隙：，超导态（基态）与激发态的能量差，或者说，破坏一个Cooper对需要2的能量Ginzburg-Landau参量：=/221962年，约瑟夫森（Josephson）提出，应有电子对通过超导-绝缘层-超导隧道元件，即一对对电子成伴地从势垒中贯穿过去。电子对穿过势垒可以在零电压下进行，所以约瑟夫森效应与单电子隧道效应不同，可用实验对它们加以鉴别。零电压下的约瑟夫森效应又称直流约瑟夫森效应。此外还有交流约瑟夫森效应。它们具有共同的特点，都是双电子隧道效应。4约瑟夫森效应（双电子隧道效应）23Josephson(约瑟夫森)效应F0=2x10-7Gauss/cm2约瑟夫森效应示意图245、超导理论：Bardeen(巴丁）、Cooper（库伯）、Schrierfer理论（BCS理论）(1957年提出，1972年获得诺贝尔奖)1986年发现的铜氧化物超导体的超导电性不能用BCS理论解释25BCS理论1957年在伊利诺大学的B.D.Bardeen(巴丁)、L.N.Cooper(库柏)及J.R.Schrieffer(施里弗)为了正确解释超导现象，发表了著名且完整的超导微观理论（量子理论），称为BCS理论。26BCS理论的三个观点1.在一定温度下，金属中参与导电的电子结成库珀对，这是一个相变过程；2.库珀对电子凝聚在费密面附近；3.费密面以上将出现一个宽度为Δ的能隙。要点：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”。缺点：BCS理论并无法成功的解释所谓第二类超导，或高温超导的现象27BCS理论电子引起晶格振动产生格波－发出声子格波影响到另一电子－声子被另一电子吸收－电子通过交换声子发生相互作用电子声子相互作用能在两电子间产生弱吸引力286、超导体的分类I类超导体：Pb,Sn,Hg等单质金属BBc超导态正常态Bc一般很小,中间态概念IIc超导态正常态Ic一般很小(通常无用)(Bc、Ic指的是临界磁感应强度、临界电流）29第一类超导体在超导态是理想的抗磁体(Meissner态)。HC：临界磁场当HHC,转变为正常态HCTCHT超导态完全抗磁性正常态030已知的超导元素31超导体的分类第II类超导体两个临界磁场HC1、HC2HHc1Meissner态，完全抗磁通B=0Hc1HHc2混合态，磁通格子态磁通量子、磁通钉扎、流动、蠕动。HHc2正常态32第二类超导体相图Meissner态正常态HC1当HC1HHC2,处于混合态，磁通部分穿透进超导体，抗磁性不完全。在混合态的磁通线有规律地排列成三角或四方格子，称为磁通格子。HC2H33第II类超导体分类第II类超导体根据其是否具有磁通钉扎中心而分为理想第II类超导体（体内组分均匀分布，不存在各种晶体缺陷，其磁化行为呈现完全可逆）非理想第II类超导体（非理想第二类超导体具有较大的实用价值）34混合态1957年，苏联物理学家阿布里科索夫提出存在第二类超导体，其主要特点是存在下临界磁场Hc1和上临界磁场Hc2。当材料处于HHc1的外加磁场中时，材料为完全超导态；当Hc1HHc2时，材料处于部分超导态，材料内部出现许多细小的管状正常态区域——有磁场通过——称为磁通线；---混合态当HHc2,变成正常态.II类超导体磁通穿透35二、超导研究的历史过程1、1986年以前超导研究过程1911年Onnes（昂内斯）发现Hg在4.2K电阻突然下降为零1933年Meissner（迈斯纳）效应的发现1911-1932年间,以研究元素的超导电性。Hg、Pb、Sn、In、Ta….1932-1953年，发现了许多具有超导电性的合金。如Pb-Bi，NbC，MoN，Mo-Re…….1953-1973年，发现了一系列A15型超导体和三元系超导体。如Tc17K的V3Si，Nb3Sn；特别是Nb3Ga，Nb3GeTc23.2K其中1957年提出了BCS理论(1972年诺贝尔物理奖)1962年发现了Josephson（约瑟夫森）效应(1973年诺贝尔物理奖)362、1973-1986年超导临界温度的提高，停滞不前。Tc=23.2KNb3Ge(1973年发现)非常规超导体研究得到了蓬勃发展重Fermi子超导体非晶态超导体低载流子密度超导体磁性超导体低维无机超导体超晶格超导体有机超导体37三、高温超导体研究的重大突破1986年Müller（缪勒）和Bednorz（柏诺兹）发现高温超导体1986.1La2-xBaxCuO435K1987.2YBa2Cu3O790K1988.1Bi-Sr-Ca-Cu-O80K,110K1988.3Tl-Ba-Ca-Cu-O130K1992Hg-Ba-Ca-Cu-O135K(几万个大气压165K)38一些复杂的氧化物陶瓷具有高的转变温度，其临界温度超过了77K，可在液氮的温度下工作，称为高温超导体。高温超导体缩写表示高温超导体39六、高温超导体的发现(1)高温超导体的发现自1911年出现第一个超导体水银到1973年出现合金超导体锗三铌，前后的时间长达62年，但临界温度TC总共只提高了20K左右，平均每年增长1/3（K）；1964年开始在金属氧化物中寻找超导材料，到1975年，临界温度只达到13K，远不及锗三铌。后来美国Bell贝尔实验室一个叫William.L.Mcmilam（威廉.L.麦克米兰）的人提出：金属超导临界温度上限值为30（K），这一断言使一部分科学家对金属材料失去信心。1980年后有人开始转向在有机材料中发现超导体，美国霍普金斯研究小组首先合成一种有机材料（TMTSF）2X，它在TC=1时成为超导体。此后短短5年中，有机超导材料临界温度提高到8（K）。尽管有机超导体的临界温度有待大幅度地提高，但有机材料易加工成型，易于人工合成，价格便宜，重量轻，故仍具有不可抗拒的诱惑力。40高温超导体的发现1986年4月，正当提高金属、合金有机材料的临界温度都遇到困难的时候，瑞士学者缪勒和西德学者柏努兹发现多相氧化物或称为陶瓷材料超导，激起人们对新陶瓷材料的高度热情，在不到一年时间内，中国、日本，美国等竞相努力，使陶瓷超导体的临界温度提高到300K以上。1987年初，中国的赵忠贤获得SrLaCuO的超导临界温度为48.6K，短短数月内就又提高至近300K，平均每月增长50K！出现了超导史上空前振奋人心的局面。41著名高温超导物理学家获1987年诺贝尔物理奖42高温超导体的机理研究1987年两人获得诺贝尔物理学奖高温超导理论:下一个诺贝尔奖?43(1)必须在一个确定的温度实现零电阻转变；(2)在零电阻转变温度的附近必须观察到完全抗磁性（迈斯纳效应）；(3)这一现象必须具有一定的稳定性和再现性；(4)这一现象必须为其它实验室所重复和验证。(2)高温超导体的四项判断准则44(3)高温超导理论研究现状1.BCS理论2.共振价键理论（RVB）3.双极化子机制4.激子机制5.等离子体机制6.杂质跃迁尽管如此，也还是没有一种理论能得到大家的一致公认。谁能最后揭开高TC超导之谜，谁就将是科学王国中的佼佼者45回到最初关于《阿凡达》的问题在《阿凡达》中，矿石可以在室温下悬浮在磁场上方，现在还没有发现一种物质能够做到这一点。“高温超导体”，也只不过在77K以上具有超导性质的材料而已，这个温度对一般人来说仍是难以想象的低，如果真有像Unobtanium那样的常温超导体，那确实会让一些人到潘多拉星球大开杀戒！高温超导体包括四大类：90K的稀土系，110K的铋系，125K的铊系，和135K的汞系。46四、其它奇异超导体1。水合钴氧化物超导体：NaxCoO2.yH2O2003年日本物质材料研究机构科学家发现。NaxCoO2的奇异性质：（1）离子导体，离子电池的材料；（2）热电材料，热电势S很大；（3）插水后出现超导电性；（4）改变Na含量，甚至可以变绝缘体。47钴氧化物超导体Nature422(7370)|doi:10.1038/nature01450发表日期：03年3月6日自从在由氧化铜构成、有铱、钡或其他金属间隔层的陶瓷材料中发现高温超导性以来，人们一直期待如钴和镍等其他过渡金属的氧化物可能也是超导体。但是，此前这些金属氧化物没有一个被制成超导材料。层状氧化钴在如电极等电子元件中很常见，但它们没有超导性。如果你在氧化钴层之间添加一个由钠离子构成的厚的绝缘层和水分子，就可以将该材料变成一种超导体，转变温度为5K。这可能是一系列多用途超导体中的第一个，这些超导体的性能可通过改变氧化物层中的电荷密度和通过调整层间间隔来控制。482、Ax-C60超导体491985年9月，美国Rice大学