第5章 超导材料及其应用

要使超导体处于超导状态，必须将条件控制在三个临界参数
Tc、Hc、Ic之下，不满足任何一个条件，超导状态都会立即消失。 Ic则彼此有关并依赖于温度。
其中Tc、Hc是材料的本征参数，只与材料的电子结构有关，而Hc、
超导体的临界参数
临界温度Tc 临界磁场Hc 临界电流密度Jc
维持超导状态的必要条件 一些金属超导体临界 磁场与温度的关系
温超导陶瓷亦属于第二类超导体。 一般来说，第二类超导体的临界温度Tc、Hc、Jc 要比第一类超导体
的高得多。
简答题：什么是第一类超导体，什么是第二类超导体， 二者有什么本质区别?
答：第一类超导体：对于超导态物体，外加磁场H增加到临界值，就
转入正常态，降低磁场，物体又恢复到超导态。 第二类超导体：磁化曲线上存在两个临界磁场：下临界磁场和上临 界磁场。当外磁场H小于Hc1，样品处于超导态；H大于Hc2，样品处 于正常态；当H介于两者之间时，样品处于混合态，磁通量并不完全
完全导电性
定义：将超导体冷却到某一临界温度以下时电阻突然降为零的
现象称为超导体的零电阻现象，即超导体的完全导电性。
高温超导体YBCO的电阻-温度曲线
铅环中的电流不停地流动，形成一 个永久的磁场，使一枚磁针悬浮在 空中
如果将这种导 线做成闭合电路， 电流就可以永无休 止地流动下去。确 实有人做了：将一 个铅环冷却到 7.25K以下，用磁 铁在铅环中感应出 几百安培的电流， 从1954年3月16日 直到1956年9月5日， 铅环中的电流不停 流动，数值也没有 变化 。
其他超导体
第一代超导体——镧系
高温超导体 （30K以上）
第二代超导体——钇系 第三代超导体——铋系、铊系、汞系
工作需要用氮气（液态）冷却
三、 低温超导体
现在已经应用的超导材料，一类是充分利用零电阻特性的，
要求其承受大电流和强磁场，叫强电超导材料；另一类是利
用约瑟夫森效应的，只涉及小电流和弱磁场，叫弱电超导材
对重费米子超导体的研究对于超导电机制研究有重大意义。
低温超导体的举例
日本古河电气公司通过引入岛状的Nb人工钉扎中心，使
NbTi多芯线的Jc提高到4.3×105A/cm2 (4.2K.5T)
美国Supercon公司采用Nb片与Ti片相互扩散法（非合金） 制备NbTi/Cu多芯复合线，这种线材在4.2K，2T下的临界电流
一、 超导体的基本知识——BCS理论 • 理论——高深的量子力学和
许多数学知识。
• 两个电子－电子库柏对－超 导电流。 • 晶格振动的热运动—拆散库 柏对 • 描述电子与声子相互作用 • 不能解释30K以上超导现现 象.(金属：30K为禁区). BCS理论的物理图像很清晰，它 第一次较为完善的解释了常规的 金属超导体（第一类超导体）的 热力学性质及电磁性质。
强电超导材料
实用化的强电超导材料可分为两类——
一类是合金，如铌钛合金等，这种超导材料的机械性能好（强度
大，韧性好），容易生产，价格便宜，性能稳定，安全可靠，是
最广泛使用的超导材料。 另一类是铌三锡、钒三镓等金属间化合物，其优点是超导性能好 （临界参数约比铌钛合金等高 1 倍），但是机械性能差（硬而
零电阻
零电阻是超导体的一个 重要特性，实验表明： 超导状态中零电阻现 象不仅与超导体温度 有关，还与外磁场强 度和通过超导体的电 流有关，这意味着存 在临界电流，超过临 界电流就会出现电阻.
零电阻
完全导电性（临界磁场、临界电流、临界温度）
对于温度为T(T<Tc)的超导体，当外加磁场超过某一数值Hc的 时候，超导电性就被破坏了，这个磁场强度称为临界磁场。在临 界温度Tc，临界磁场为零。 实验证实，在无外加电场时，超导体中如果通入足够强的电 流，超导电性也会遭到破坏，此时的电流称为临界电流Ic(T)。
强电超导材料
属于第二类超导体
工作时，处于混合态，即具有零电阻效应，体内又有磁场。 问题：阻止混合态中的磁通线运动——钉扎力 解决方法： 复合导体材料——超导线材表明包裹一层金属（Cu, Al）。 多芯扭绞复合线材——做成细丝，使一根复合线含有数干股 细丝并扭绞。
图：复合加工方法制备的V3Ga超细多芯线的原理图
B=0(H+M)
混合态
• 第二类超导体：当外磁场小于第一临界磁场Hc1 时，超导体内磁感
应强度B=0，为完全超导态；当外磁场超过Hc1时，则有部分磁通穿
入导体内，其中B从 0 迅速增强；当外磁场大于Hc1时，这类超导体 并没有完全变成正常体，它们能把一部分磁通排斥于体外，直到外
磁场为Hc2时，超导电性才消失。当外磁场介于Hc1与Hc2之间时，
补充的物理特性
：同位素效应，同位素的质量越大，转变温度越低。例如，原子 量为199.55的汞同位素，它的Tc是4.18K，而原子量为203.4的汞同 位素，Tc为4.146K。 材料由正常态转变到超导态，其晶体结构不变，而同位素的差别 主要在于原子核的质量。因此，超导材料中的同位素效应表明了 传导电子与晶格振动的相互作用是很重要的问题，该效应为探明 超导转变的微观机制提供了一条重要线索。通常我们也可以用同 位素效应来鉴别材料的超导电性。
完全抗磁性
定义：在超导状态，外加磁场不能进入超导体的内部；原来处
于外磁场中的正常态样品变成超导状态后，也会将原来在体内
的磁场完全排出。这个性质称为完全抗磁性，又称为迈斯纳效 应。
球体
磁悬浮演示
142 kg
超导体
磁悬浮列车
百度文库
完全抗磁性
理论解释：
当一个磁体和一个处于超导态的超导体相互靠近时，磁体 的磁场会使超导体表面中出现超导电流。此超导电流形成的磁 场，在超导体内部，恰好和磁体的磁场大小相等，方向相反。 这两个磁场相互抵消，使超导体内部的磁感应强度为零，B=0，
二、 超导体的分类
超导材料的分类——按其在磁场中的磁化行为可分成两类
• 第一类超导体：将细长圆柱形试样臵于同轴向的外磁场中，保
持一定的温度，逐渐增大外磁场，磁矩与外磁场的关系如图。 非金属元素和大部分过渡金属元素（除Nb、V外）以及按化学
计量比组成的化合物超导体均属于此类，也包括MgB2、C60 。
1988.3 Tl-Ba-Ca-Cu-O 130K 1992 Hg-Ba-Ca-Cu-O 135K
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?
一、 超导体的基本知识——三个基本特性
完全导电性——零电阻效应 完全抗磁性——迈斯纳效应 超导隧道效应——约瑟夫森效应 同位素效应
卡末林· 昂内斯
H. Kamerlingh-Onnes (1853--1926)
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。
2、1973-1986年
• • 超导临界温度的提高，停滞不前。
Tc=23.2K Nb3Ge (1973年发现)
非常规超导体研究得到了蓬勃发展
（2）第二代超导体——亿系
（3）第三代超导体——铋系、铊系、汞系 五、超导材料的应用 （1）磁悬浮列车 （2）SQUID量子干涉传感器
一、 超导体的基本知识——研究历史 1、 1973年以前超导研究过程 1911年 Onnes发现Hg在4.2K电阻突然下降为零 1933年 Meissner效应的发现 1911-1932年间, 以研究元素的超导电性。Hg、Pb、Sn、In、 Ta„.
重Fermi子超导体 低载流子密度超导体 低维无机超导体 非晶态超导体 磁性超导体
超晶格超导体
有机超导体
3 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
1986.1
La2-xBaxCuO4 35K 90K
1987.2 YBa2Cu3O7 1988.1 Bi-Sr-Ca-Cu-O 80K,110K
Bardeen、Cooper、Schrierfer
一、 超导体的基本知识——BCS理论
内容：电子间的直接相互作用是相互排斥的库伦力。如果仅仅存在
库伦直接作用的话，电子不能形成配对。但电子间还存在以晶格振动
（声子）为媒介的间接相互作用。电子间的这种相互作用是相互吸引 的，正是这种吸引作用导致了“库珀对”的产生。大致上，其机理如 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
排除在体外，而是有部分磁通穿过，这时既有抗磁性又有零电阻效应。
两类超导体的物理机制不同。高温超导体属于第二类超导体，其 超导物理机制无法用BCS理论解释。
二、 超导体的分类
元素超导体
按 照 相 变 温 度 （ 工 作 温 度 ） 划 分
低温超导体
工作需要用极低的液
（30K以下）
合金及化合物 态氦气冷却，或者其 超导体 他辅助物理手段
脆），较难生产，不便于使用，价格也贵，一般用作高磁场材料。
部分金属元素超导体的临界参数
几种重要的超导合金的临界参数
一些高临界参数的化合物超导体
三、 低温超导体——其他类型的低温超导体
非晶超导材料
范畴：
非晶态超导体的研究主要包括非晶态简单金属及其合金和非
晶态过渡金属及其合金。
特性： 它们具有高度均匀性、高强度、耐磨、耐蚀等优点。非晶态 结构的长程无序性对其超导电性的影响很大，使有些物质的超导 转变温度Tc提高，这是由于非晶态超导体与晶态超导体的不同所
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”。
不足：BCS理论无法解释高温超导现象——铜氧化物超导体
简答题：超导材料的几个物理特性是什么？简要叙述 超导体的BCS理论。
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 Tc17K的V3Si，Nb3Sn；特别是Nb3Ga，Nb3Ge Tc23.2K
1957年提出了BCS理论 (1972年诺贝尔物理奖) 1962年发现了Josephson效应 (1973年诺贝尔物理奖)
光电子材料
第五章
超导材料及其应用
Content
一、超导体的基本知识 （1）研究历史 （2）三个基本物理特性 （3）BCS理论 二、超导体的分类
（1）Ⅰ类和Ⅱ类超导体——按照磁化特性分类
（2）低温超导体和高温超导体——按照工作温度分类
三、低温超导体（符合BCS理论）
（1）元素超导体
（2）合金及化合物超导体 （3）其他类型超导体 四、高温超导体 （1）第一代超导体——镧系
超导体状态并不是迈斯纳态，但也不是正常态，即处于超导态的小 区与常态的小区嵌镶结构，此态为混合态（Mixed State）。这类超
导体在混合态时仍保持一定的超导性，只有当外磁场强度大于 Hc2
时，零电阻的现象才消失。具有这一特性的超导体即为第二类超导 体。
很多合金、化合物以及 Nb、V等元素金属均属于此类超导体。高
密度明显高于常规NbTi/Cu多芯线。
引起的。非晶态过渡金属及合金的性质比简单金属更为复杂。
三、 低温超导体——其他类型的低温超导体
重费米子超导体
重费米子超导体是70年代末期发现的，它的超导转变温度只
有0.7K。 这类超导体的低温电子比热系数非常大，是普通金属的几百 甚至几千倍。由此推断这类超导体的电子有效质量比自由电子 (费米子)的质量重几百甚至几千倍，因此称为重费米子超导体。
即超导体排斥体内的磁场。
超导隧道效应
弱连接超导体：S-I-S
超导隧道结（约瑟夫森结）示意图
两超导体中间的绝缘（真空， 正常）层也能让超导电流通过 的现象叫超导隧道效应。
约瑟夫森和贾埃弗的发现，对于研制高性能的半导体和超导体元器件具有 很高的应用价值，并导致超导电子学的建立。(SQUID) 科幻小说《约翰尼的记忆》中的仪器
料。直到 1991 年，所应用的这两类超导材料都须用极低温的 液氦冷却，故都属于低温超导材料。
强电超导材料——具有较高临界电流密度的超导材料，目前
多为低温第二类超导体，典型代表铌三锡（Nb3Sn， Tc
=18K），其临界电流密度，在温度为 4.2K 和磁场为 8.8 T的
情况下可达 104A/cm2 以上，已实用化。