第7章 超導電性

1、第七章 超導電性 Superconductivity就對社會沖擊而言，高溫（最終將達到室溫）超導可能是，除了受控核聚變外，物理學中最重要的問題！ Nobel獎獲得者Ginzburg7.1 引 言n固體超導現象的發(fā)現及超導體的基本性質n超導電性的研究歷史n超導現象的試驗研究n超導電性的熱力學及唯象理論n超導電性的微觀（量子）理論框架n超導電性的應用授課思路：實驗規(guī)律 物理啟發(fā)理論建立掌握超導電體的基本物理特性及相關理論對超導電性從實驗現象到理論的建立過程應有所感悟7.2超導電性的發(fā)現及超導體的基本性質n1908年荷蘭物理學家昂內斯（K. Onnes）實現了氦的液化。n1911年昂內斯在研究Hg的

2、低溫電阻特性時，意外發(fā)現零電阻現象K/T*在在4.20K附近汞的電阻突降為零附近汞的電阻突降為零R/ nFile等利用核磁共振方法車輛超導螺線管內的電流衰變，得出其衰變時間不小于10萬年超導零電阻現象被確認7.2 超導電性的發(fā)現及超導體的基本性質n1933年Meissner和Ochsenfeld發(fā)現，無論是在磁場中降溫使樣品進入零電阻態(tài)，還是已經是零電阻態(tài)的樣品移入磁場中，樣品中的磁感應強度均為零，即B0.稱為邁斯納效應0()BHMn邁斯納效應說明超導體是完全抗磁體B0 MH1MH T TcB=0T 77K) 1986年年 IBM蘇黎世實驗室蘇黎世實驗室 La-Ba-Cu-O 30K 美、中、

3、日科學家美、中、日科學家 La-Ba-Cu-O Sr-Ba-Cu-O 57K1987年年 休斯敦大學，朱經武休斯敦大學，朱經武 中科院，趙忠賢中科院，趙忠賢 Y-Ba-Cu-O 98K7.6 高溫超導體簡介高溫氧化物超導體高溫氧化物超導體的結構特點：的結構特點： 具有層狀鈣鈦礦型結構具有層狀鈣鈦礦型結構 晶格結構中存在晶格結構中存在Cu-O 層面層面高溫超導體的高溫超導體的 導電平面導電平面 氧含量和分布對性能有氧含量和分布對性能有 重要影響重要影響7.6 高溫超導體簡介（1） 電阻率的溫度特性：線性關系電阻率的溫度特性：線性關系 （2） 霍爾系數的溫度特性：隨溫度上升而單調下降霍爾系數的溫度

4、特性：隨溫度上升而單調下降（3） 光電導的反常特性光電導的反常特性 （4） 超導能隙的各向異性超導能隙的各向異性 （5） 電子電子電子關聯(lián)性電子關聯(lián)性 （6） 臨界磁場高，相干長度卻很短臨界磁場高，相干長度卻很短 高溫氧化物超導體的反常特性高溫氧化物超導體的反常特性 7.6 高溫超導體簡介高溫超導材料的制備高溫超導材料的制備高溫超導薄膜高溫超導薄膜在基片上鍍膜在基片上鍍膜 膜厚膜厚100 nm100 nm濺射法濺射法 分子外延法分子外延法 涂布法涂布法 機械熱加工法機械熱加工法照射法照射法 蒸汽淀積法蒸汽淀積法 混合法混合法 脈沖準分子激光法脈沖準分子激光法蒸發(fā)法蒸發(fā)法 化學汽相沉積法化學汽相

5、沉積法設備：研缽設備：研缽 + + 電爐電爐工藝：混勻原材料工藝：混勻原材料 燒結燒結研磨研磨成形成形 燒結燒結 再研磨再研磨成形成形燒結燒結優(yōu)點：簡單、實用、易于控制或改變合成條件產品優(yōu)點：簡單、實用、易于控制或改變合成條件產品, ,如如 優(yōu)質大塊樣品，優(yōu)質大塊樣品， 高質量粉料高質量粉料7.6 高溫超導體簡介7.7 超導電性的應用舉例電能在零電阻輸送，完全沒有損耗大尺度、強磁場、低消耗2、超導電纜1、超導磁體3、超導儲能超導體圓環(huán)置于磁場中，降溫至材料臨界溫度以下，撤去磁場，由于電磁感應，圓環(huán)中有感生電流產生。只要溫度保持在臨界溫度以下，電流便會持續(xù)。五、超導應用五、超導應用7.7 超導電

6、性的應用舉例1. 超導磁體：超導磁體： 永久磁鐵永久磁鐵 103Gs 常規(guī)磁鐵常規(guī)磁鐵 5105Gs (20噸，高溫，兆瓦噸，高溫，兆瓦) 超導磁鐵超導磁鐵 (530)104Gs （kg，無熱量，千瓦），無熱量，千瓦）7.7 超導電性的應用舉例五、超導應用五、超導應用2. 超導磁懸浮列車超導磁懸浮列車 James R. Powell 和和 Gordon T. Danby7.6 超導電性的應用舉例五、超導應用五、超導應用1972年，年， 日本，日本， 第一輛超導磁懸浮原理車第一輛超導磁懸浮原理車1979年年, 日本日本, 時速時速504公里公里1999年年4月，月， 日本，日本， 時速時速552

7、公里公里 日本研制的磁懸浮列車日本研制的磁懸浮列車7.7 超導電性的應用舉例五、超導應用五、超導應用中國研制的高溫超導磁懸浮實驗車中國研制的高溫超導磁懸浮實驗車7.7 超導電性的應用舉例上海磁浮列車上海磁浮列車7.7 超導電性的應用舉例電力能源方面：電力能源方面：輸電電纜、發(fā)電機、電動機、變壓器超導化輸電電纜、發(fā)電機、電動機、變壓器超導化 超導儲能系統(tǒng)超導儲能系統(tǒng) 大型電機設備形狀與性能的革命大型電機設備形狀與性能的革命能源工業(yè)：能源工業(yè)： 超導貯能調節(jié)電網負荷超導貯能調節(jié)電網負荷 超導磁體約束的等離子體和可能產生的核聚變超導磁體約束的等離子體和可能產生的核聚變高溫超導實用化高溫超導實用化誘人

8、前景誘人前景電子學方面：電子學方面： 超導計算機研究：超導計算機研究： 計算速度高，體積小，功耗低，使用方便計算速度高，體積小，功耗低，使用方便 信息儲存量大信息儲存量大醫(yī)學和生物方面：醫(yī)學和生物方面：核磁共振計算機斷層診斷裝置核磁共振計算機斷層診斷裝置(NMR-CT) 超導量子干涉儀超導量子干涉儀(SQUID)7.7 超導電性的應用舉例考試重點n分離變量方法，單電子近似，諧陣子能量（一維、三維）n倒易點陣，Bragg方程，布里淵區(qū)n晶格振動的色散關系，聲學和光學振動，聲子，德拜模型，態(tài)密度，晶體導熱n金屬的費米面，態(tài)密度，接觸勢差，電子的速度，周期性邊界條件n能帶的物理意義及起源分析，Blo

9、ch定理的物理解釋及能帶的普遍性及性質，金屬、半導體、絕緣體的能帶差別，每個能帶填充的電子數目、能帶填充情況與固體導電性的差別。n半導體的有效質量，載流子濃度及半導體電阻率與溫度的關系，p-n結的整流特性。n原子磁矩，鐵磁物質的起源（3d交換模型），技術磁化n超導現象，零電阻和麥斯納效應考試時間：11月21日（周三），18：0020：00考試地點：A41、A42、A51多余的話與大家共勉文如其人德為先n發(fā)表論文是途徑而不是目的n踏實認真是立足于學界的基本保證n人生漫長，不為蠅頭小利而失大節(jié)無不謙謙自律、溫潤如玉 無有不受人尊敬者，無不洋洋自得、驕橫狂妄 無有真受人尊敬者 大學之道，在于明德，在

10、于至于至善貴在創(chuàng)新學為本n物格而知至，知至而心明，心明而身正萬事可成矣。n基礎薄弱，創(chuàng)新無本，學問無根。n不急不燥，金子一定會發(fā)光。1. 基礎知識、基礎理論必須掌握2. 最新研究進展必須把握 源頭活水，水到渠成，清者自清學如攀登勤為徑n愚亦拙；n智亦拙；n唯勤能補拙。 天道酬勤結 語n攻讀碩士是人生的重要經歷，愿大家一路健康走來，為成就一番事業(yè)奠定堅實的基礎。n學實為己，學不為人，科學研究不是為了在別人面前顯示自己；做學問也不是文人相輕，愿大家做謙謙君子溫潤如玉。n做基礎研究的同學一定要記住，學問是在全國乃至全世界范圍內做的，這種比賽沒有銀牌，只有金牌。n不必拘泥于預定的目標，發(fā)現新現象后，即可調整研究方案。n不要處處挖坑，處處不見水，看準方向，