7.1引言固體超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)及超導(dǎo)體的基本性質(zhì)超導(dǎo)電性的研究歷史超導(dǎo)現(xiàn)象的試驗(yàn)研究超導(dǎo)電性的熱力學(xué)及唯象理論超導(dǎo)電性的微觀（量子）理論框架超導(dǎo)電性的應(yīng)用學(xué)習(xí)提示主要內(nèi)容授課思路：實(shí)驗(yàn)規(guī)律－物理啟發(fā)－理論建立掌握超導(dǎo)電體的基本物理特性及相關(guān)理論對(duì)超導(dǎo)電性從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象到理論的建立過(guò)程應(yīng)有所感悟7.1引言固體超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)及超導(dǎo)體的基本性質(zhì)學(xué)習(xí)提示主7.2超導(dǎo)電性的發(fā)現(xiàn)及超導(dǎo)體的基本性質(zhì)1908年荷蘭物理學(xué)家昂內(nèi)斯（K.Onnes）實(shí)現(xiàn)了氦的液化。1911年昂內(nèi)斯在研究Hg的低溫電阻特性時(shí)，意外發(fā)現(xiàn)零電阻現(xiàn)象一、零電阻現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)4.004.204.400.1500.1000.0500.000***TC：臨界溫度在4.20K附近汞的電阻突降為零R/

File等利用核磁共振方法車(chē)輛超導(dǎo)螺線管內(nèi)的電流衰變，得出其衰變時(shí)間不小于10萬(wàn)年—超導(dǎo)零電阻現(xiàn)象被確認(rèn)7.2超導(dǎo)電性的發(fā)現(xiàn)及超導(dǎo)體的基本性質(zhì)1908年荷蘭物理學(xué)家7.2超導(dǎo)電性的發(fā)現(xiàn)及超導(dǎo)體的基本性質(zhì)1933年Meissner和Ochsenfeld發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是在磁場(chǎng)中降溫使樣品進(jìn)入零電阻態(tài)，還是已經(jīng)是零電阻態(tài)的樣品移入磁場(chǎng)中，樣品中的磁感應(yīng)強(qiáng)度均為零，即B＝0.－稱(chēng)為邁斯納效應(yīng)二、邁斯納（Meissner）效應(yīng)邁斯納效應(yīng)說(shuō)明超導(dǎo)體是完全抗磁體B＝0T>TcB=0T<Tc超導(dǎo)體永磁體磁懸浮示意圖7.2超導(dǎo)電性的發(fā)現(xiàn)及超導(dǎo)體的基本性質(zhì)1933年Meiss7.2超導(dǎo)電性的發(fā)現(xiàn)及超導(dǎo)體的基本性質(zhì)邁斯納效應(yīng)是超導(dǎo)體獨(dú)立于零電阻效應(yīng)的物理現(xiàn)象對(duì)于零電阻導(dǎo)體而言：E＝0理想導(dǎo)體：B＝B0（t=0）超導(dǎo)體：B≡0降溫加場(chǎng)加場(chǎng)降溫去場(chǎng)去場(chǎng)降溫去場(chǎng)加場(chǎng)去場(chǎng)降溫加場(chǎng)理想導(dǎo)體內(nèi)B的變化超導(dǎo)體內(nèi)B的變化7.2超導(dǎo)電性的發(fā)現(xiàn)及超導(dǎo)體的基本性質(zhì)邁斯納效應(yīng)是超導(dǎo)體獨(dú)立7.2超導(dǎo)電性的發(fā)現(xiàn)及超導(dǎo)體的基本性質(zhì)1.臨界磁場(chǎng)三、超導(dǎo)體的臨界參數(shù)Hc（T）T超導(dǎo)態(tài)（S）正常態(tài)（N）2.臨界電流3.兩類(lèi)超導(dǎo)體MHHCSNMHHC1HC2SN混合態(tài)渦旋態(tài)第Ⅰ類(lèi)超導(dǎo)體第Ⅱ類(lèi)超導(dǎo)體7.2超導(dǎo)電性的發(fā)現(xiàn)及超導(dǎo)體的基本性質(zhì)1.臨界磁場(chǎng)7.3超導(dǎo)電性研究歷史Tc時(shí)間金屬及金屬間化合物低溫超導(dǎo)體氧化物高溫超導(dǎo)體（含CuO）MB2，C60，納米碳管等其它低溫超導(dǎo)體1985年125K或更高7.3超導(dǎo)電性研究歷史Tc時(shí)間金屬及金屬間化合物氧化物高溫超7.4超導(dǎo)體的實(shí)驗(yàn)研究1910’－1950’：Bragg方程和Laue方程已經(jīng)廣泛應(yīng)用，XRD晶體結(jié)構(gòu)研究極為普遍XRD衍射結(jié)果表明超導(dǎo)態(tài)與正常態(tài)的晶體結(jié)構(gòu)完全相同超導(dǎo)態(tài)是熱力學(xué)上的穩(wěn)定狀態(tài)一、超導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)研究N—S轉(zhuǎn)變不是由晶體結(jié)構(gòu)（原子排列）變化而引起的相變7.4超導(dǎo)體的實(shí)驗(yàn)研究1910’－1950’：Bragg方7.4超導(dǎo)體的實(shí)驗(yàn)研究二、超導(dǎo)體比熱超導(dǎo)體比熱按指數(shù)變化超導(dǎo)態(tài)與正常態(tài)存在能隙，盡管能隙很小Ga比熱的實(shí)驗(yàn)結(jié)果7.4超導(dǎo)體的實(shí)驗(yàn)研究二、超導(dǎo)體比熱超導(dǎo)體比熱按指數(shù)變化超7.4超導(dǎo)體的實(shí)驗(yàn)研究超導(dǎo)能隙如果存在，即可用紅外吸收光譜表征三、超導(dǎo)體能隙的紅外吸收光譜研究超導(dǎo)能隙的紅外吸收光譜測(cè)量結(jié)果

FEg超導(dǎo)態(tài)似乎同雙電子行為有關(guān)7.4超導(dǎo)體的實(shí)驗(yàn)研究超導(dǎo)能隙如果存在，即可用紅外吸收光譜7.4超導(dǎo)體的實(shí)驗(yàn)研究四、超導(dǎo)體熵Sn超導(dǎo)態(tài)和正常態(tài)熵的比較超導(dǎo)態(tài)是比正常態(tài)更為有序的狀態(tài)電子有序7.4超導(dǎo)體的實(shí)驗(yàn)研究四、超導(dǎo)體熵Sn超導(dǎo)態(tài)和正常態(tài)熵的比7.4超導(dǎo)體的實(shí)驗(yàn)研究五、超導(dǎo)體的同位素效應(yīng)超導(dǎo)的有序性與聲子有關(guān)電子有序與聲子有關(guān)原子質(zhì)量越大臨界溫度越低晶格振動(dòng)越困難晶格振動(dòng)可以用聲子描述7.4超導(dǎo)體的實(shí)驗(yàn)研究五、超導(dǎo)體的同位素效應(yīng)超導(dǎo)的有序性與7.5超導(dǎo)轉(zhuǎn)變的熱力學(xué)分析如果將超導(dǎo)體看成是T,H為強(qiáng)度量的熱力學(xué)體系，則超導(dǎo)體的摩爾自由能及其微分形式如下：一、超導(dǎo)體自由能溫度為T(mén)時(shí)：在H＝Hc（T）相變線上

：S態(tài)自由能更低正常超導(dǎo)ggS(T,0)gN(T,0)HHc7.5超導(dǎo)轉(zhuǎn)變的熱力學(xué)分析如果將超導(dǎo)體看成是T,H為強(qiáng)度7.5超導(dǎo)轉(zhuǎn)變的熱力學(xué)分析相變潛熱：由于當(dāng)T＝TC

時(shí)，SS＝SN，所以相變潛熱L＝T（SS－SN）＝0二、超導(dǎo)轉(zhuǎn)變的潛熱和比熱變化T＝TC,HC=0當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度為零時(shí)，N-S轉(zhuǎn)變是熱力學(xué)意義上的二級(jí)相變

比熱變化：7.5超導(dǎo)轉(zhuǎn)變的熱力學(xué)分析相變潛熱：二、超導(dǎo)轉(zhuǎn)變的潛熱和比7.4超導(dǎo)電性的唯象理論一、二流體模型1.超導(dǎo)體內(nèi)存在兩種電子正常電子,密度nN,受晶格振動(dòng)等散射，有阻超導(dǎo)電子,密度nS,不受晶格振動(dòng)等散射，無(wú)阻2.正常電子濃度和超導(dǎo)電子濃度皆是溫度的函數(shù),溫度大于TC時(shí)，所有電子都是正常電子3.超導(dǎo)電子是電子的一種有序狀態(tài)，其有序度可用下式表示：超導(dǎo)的零電阻效應(yīng)是由于超導(dǎo)電子所形成的無(wú)阻電流將正常電流“短路”形成的7.4超導(dǎo)電性的唯象理論一、二流體模型1.超導(dǎo)體內(nèi)存在兩7.4超導(dǎo)電性的唯象理論二、倫敦理論1935年London兄弟依據(jù)二流體模型提出的一種描述超導(dǎo)現(xiàn)象的唯象理論1.零電阻特性按二流體模型，超導(dǎo)電子的運(yùn)動(dòng)無(wú)阻，則有：如單位體積內(nèi)有nS個(gè)電子以速度vS運(yùn)動(dòng)，則超導(dǎo)電流密度JS為：對(duì)于穩(wěn)恒電流，E＝0，超導(dǎo)體電阻為零－倫敦方程7.4超導(dǎo)電性的唯象理論二、倫敦理論1935年London7.4超導(dǎo)電性的唯象理論二、倫敦理論2.邁斯納效應(yīng)利用麥克斯韋方程結(jié)合如果認(rèn)為上述方程的解為：利用麥克斯韋方程：等式：－倫敦方程7.4超導(dǎo)電性的唯象理論二、倫敦理論2.邁斯納效應(yīng)利用麥7.4超導(dǎo)電性的唯象理論二、倫敦理論2.邁斯納效應(yīng)作為一個(gè)例子：考慮超導(dǎo)體占滿z≥0半無(wú)限空間，外場(chǎng)平行于x方向xzyB

：穿透深度在穿透深度內(nèi)：這個(gè)在外場(chǎng)作用下“產(chǎn)生”的表面電流屏蔽了超導(dǎo)內(nèi)部的磁場(chǎng)7.4超導(dǎo)電性的唯象理論二、倫敦理論2.邁斯納效應(yīng)作為一7.5超導(dǎo)電性的微觀理論圖象同位素效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究超導(dǎo)熵的實(shí)驗(yàn)分析超導(dǎo)能隙實(shí)驗(yàn)測(cè)定……超導(dǎo)是一種源于電子的一種有序態(tài)所以一個(gè)能夠解釋超導(dǎo)現(xiàn)象的理論至少應(yīng)當(dāng)回答：電子之間如何形成有序態(tài)的？電子之間通過(guò)何種相互作用使超導(dǎo)態(tài)的能量比正常態(tài)低？超導(dǎo)態(tài)是怎樣形成的？—1957年巴?。˙ardeen）、庫(kù)柏（Cooper）和斯里弗（Schrieffer）在電子－聲子相互作用形成Copper對(duì)的基礎(chǔ)上，提出以他們名字命名的BCS理論，成功地闡明了超導(dǎo)現(xiàn)象的微觀本質(zhì)。－獲諾貝爾獎(jiǎng)7.5超導(dǎo)電性的微觀理論圖象同位素效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究超導(dǎo)是一種7.5超導(dǎo)電性的微觀理論圖象一、電子－聲子如何相互作用？－庫(kù)柏（Cooper）對(duì)的形成e1e2晶格畸變與電子之間的相互“吸引”注意：晶格畸變與晶格振動(dòng)、聲子的關(guān)系qk1k1-qk2k2+q-qk1k1+qk2k2-q電子－聲子交換形成Cooper對(duì)k1+k2=k1’＋k2’7.5超導(dǎo)電性的微觀理論圖象一、電子－聲子如何相互作用？－7.5超導(dǎo)電性的微觀理論圖象何種電子可以形成庫(kù)柏對(duì)？泡利不相容原理通過(guò)交換聲子形成庫(kù)柏對(duì)的電子只能位于費(fèi)米球以外kFk1k1’Kk2k2’k1+k2=k1’＋k2’=K聲子的能量決定k的大小7.5超導(dǎo)電性的微觀理論圖象何種電子可以形成庫(kù)柏對(duì)？泡利不Kk1k2kFkF7.5超導(dǎo)電性的微觀理論圖象何種電子最易形成庫(kù)柏對(duì)？K=0kFk1-k1庫(kù)柏對(duì)的最佳電子配對(duì)方式：(k↑,-k↓)庫(kù)柏對(duì)形成時(shí)：

k1+k2=k1’＋k2’=KKk1k2kFkF7.5超導(dǎo)電性的微觀理論圖象何種電子最易7.5超導(dǎo)電性的微觀理論圖象二、超導(dǎo)能隙是如何形成的？盡管電子之間的相互作用是排斥的，但是由于庫(kù)柏對(duì)借助聲子交換形成，具有凈的的相互吸引，所以能量是負(fù)的；庫(kù)柏對(duì)一旦形成，體系能量就下降，而且固體中的庫(kù)柏對(duì)越多，體系的能量愈低；拆散一個(gè)庫(kù)柏對(duì)需要一個(gè)最低能量，所以超導(dǎo)態(tài)和正常態(tài)存在能隙；由于溫度越高庫(kù)柏對(duì)越易拆散，能隙是溫度的函數(shù)，溫度越高，能隙越小，當(dāng)T＝TC

時(shí)，能隙為零。7.5超導(dǎo)電性的微觀理論圖象二、超導(dǎo)能隙是如何形成的？盡管7.5超導(dǎo)電性的微觀理論圖象三、如何基于庫(kù)柏對(duì)的概念描述超導(dǎo)電性？當(dāng)超導(dǎo)體為非載流狀態(tài)時(shí)，無(wú)論是庫(kù)柏對(duì)還是正常態(tài)電子在動(dòng)量空間分布是均勻的，沒(méi)有擇優(yōu)方向，所以無(wú)電流存在；在載流情況下，庫(kù)柏對(duì)的質(zhì)心動(dòng)量不為零，所有庫(kù)柏對(duì)都獲得了一個(gè)大小相等的質(zhì)心動(dòng)量；聲子對(duì)對(duì)庫(kù)柏對(duì)中電子的散射只是將一個(gè)庫(kù)柏對(duì)變成了另一個(gè)庫(kù)柏對(duì)，并改變庫(kù)柏對(duì)的整體動(dòng)量，所以載流庫(kù)柏對(duì)所產(chǎn)生的電流是無(wú)電阻的；拆散一個(gè)庫(kù)柏對(duì)需要一個(gè)最低能量，所以較小的電流密度的能量不足以拆散庫(kù)柏對(duì)。7.5超導(dǎo)電性的微觀理論圖象三、如何基于庫(kù)柏對(duì)的概念描述超

臨界溫度Tc達(dá)到液氮溫度（77K）以上的超導(dǎo)材料稱(chēng)為高溫超導(dǎo)材料至今已發(fā)現(xiàn)70余種高溫超導(dǎo)材料高溫氧化物超導(dǎo)體(Tc>77K)1986年IBM蘇黎世實(shí)驗(yàn)室La-Ba-Cu-O30K

美、中、日科學(xué)家La-Ba-Cu-OSr-Ba-Cu-O57K1987年休斯敦大學(xué)，朱經(jīng)武中科院，趙忠賢Y-Ba-Cu-O98K7.6高溫超導(dǎo)體簡(jiǎn)介臨界溫度Tc達(dá)到液氮溫度（77K）以上的超導(dǎo)材料至今已發(fā)高溫氧化物超導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：

具有層狀鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)晶格結(jié)構(gòu)中存在Cu-O

層面——高溫超導(dǎo)體的導(dǎo)電平面氧含量和分布對(duì)性能有重要影響7.6高溫超導(dǎo)體簡(jiǎn)介高溫氧化物超導(dǎo)體具有層狀鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)7.6高溫超導(dǎo)體簡(jiǎn)介（1）

電阻率的溫度特性：線性關(guān)系（2）霍爾系數(shù)的溫度特性：隨溫度上升而單調(diào)下降（3）光電導(dǎo)的反常特性（4）

超導(dǎo)能隙的各向異性（5）

電子——電子關(guān)聯(lián)性（6）

臨界磁場(chǎng)高，相干長(zhǎng)度卻很短

高溫氧化物超導(dǎo)體的反常特性

這些反常特性無(wú)法用低溫超導(dǎo)理論（BCS理論）來(lái)解釋?zhuān)瑢?duì)超導(dǎo)理論的研究提出了新課題和新的研究方向。7.6高溫超導(dǎo)體簡(jiǎn)介（1）

電阻率的溫度特性：線性關(guān)系高溫超導(dǎo)材料的制備高溫超導(dǎo)薄膜在基片上鍍膜

——膜厚<100nm濺射法分子外延法涂布法機(jī)械熱加工法照射法蒸汽淀積法混合法脈沖準(zhǔn)分子激光法蒸發(fā)法化學(xué)汽相沉積法設(shè)備：研缽+電爐工藝：混勻原材料——

燒結(jié)——研磨——成形——燒結(jié)

——再研磨——成形——燒結(jié)……優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、實(shí)用、易于控制或改變合成條件產(chǎn)品,如優(yōu)質(zhì)大塊樣品，高質(zhì)量粉料7.6高溫超導(dǎo)體簡(jiǎn)介高溫超導(dǎo)材料的制備高溫超導(dǎo)薄膜在基片上鍍膜設(shè)備：研缽+電7.7超導(dǎo)電性的應(yīng)用舉例電能在零電阻輸送，完全沒(méi)有損耗大尺度、強(qiáng)磁場(chǎng)、低消耗2、超導(dǎo)電纜1、超導(dǎo)磁體3、超導(dǎo)儲(chǔ)能超導(dǎo)體圓環(huán)置于磁場(chǎng)中，降溫至材料臨界溫度以下，撤去磁場(chǎng)，由于電磁感應(yīng)，圓環(huán)中有感生電流產(chǎn)生。只要溫度保持在臨界溫度以下，電流便會(huì)持續(xù)。7.7超導(dǎo)電性的應(yīng)用舉例電能在零電阻輸送，完全沒(méi)有損耗大尺五、超導(dǎo)應(yīng)用由超導(dǎo)材料制備的電子器件7.7超導(dǎo)電性的應(yīng)用舉例五、超導(dǎo)應(yīng)用由超導(dǎo)材料制備的電子器件7.7超導(dǎo)電性的應(yīng)用舉1.超導(dǎo)磁體：永久磁鐵103Gs

常規(guī)磁鐵5×105Gs(20噸，高溫，兆瓦)

超導(dǎo)磁鐵(5~30)×104Gs

（kg，無(wú)熱量，千瓦）體積小、重量輕、功耗小、輸出功率高、磁場(chǎng)強(qiáng)、穩(wěn)定、均勻……7.7超導(dǎo)電性的應(yīng)用舉例1.超導(dǎo)磁體：體積小、重量輕、功耗小、輸出功率高、7.7五、超導(dǎo)應(yīng)用2.超導(dǎo)磁懸浮列車(chē)常導(dǎo)型：

利用普通直流電磁鐵電磁吸力的原理將列車(chē)懸起，懸浮的氣隙小，一般為10mm左右。時(shí)速可達(dá)每小時(shí)400~500公里。磁懸浮列車(chē)——速度快、無(wú)噪音、不顛簸超導(dǎo)型：利用超導(dǎo)磁體產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)，列車(chē)運(yùn)行時(shí)與布置在地面上的線圈相互作用，產(chǎn)生電動(dòng)斥力的原理將列車(chē)懸起，懸浮的氣隙較大，一般為100mm左右。時(shí)速可達(dá)每小時(shí)500公里以上。JamesR.Powell和GordonT.Danby7.6超導(dǎo)電性的應(yīng)用舉例五、超導(dǎo)應(yīng)用2.超導(dǎo)磁懸浮列車(chē)常導(dǎo)型：磁懸浮列車(chē)——速五、超導(dǎo)應(yīng)用1972年，日本，第一輛超導(dǎo)磁懸浮原理車(chē)1979年,日本,時(shí)速504公里1999年4月，日本，時(shí)速552公里日本研制的磁懸浮列車(chē)7.7超導(dǎo)電性的應(yīng)用舉例五、超導(dǎo)應(yīng)用1972年，日本，第一輛超五、超導(dǎo)應(yīng)用西南交通大學(xué)研制出世界上第一臺(tái)載人高溫超導(dǎo)磁浮實(shí)驗(yàn)車(chē)！中國(guó)研制的高溫超導(dǎo)磁懸浮實(shí)驗(yàn)車(chē)7.7超導(dǎo)電性的應(yīng)用舉例五、超導(dǎo)應(yīng)用西南交通大學(xué)研制出世界上第一臺(tái)載人高溫超導(dǎo)磁浮實(shí)電力能源