2超导材料 ppt课件
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超导体的二流体模型(共12张PPT)
# 金属中自由电子气的存在
伦敦第二方程的简单推导
既然超导体内部B＝0，则超导体内部的电流亦为零。
超流电子 速度凝聚
伦敦方程 超导电动力学
在超导体内， 一定存在着电流与磁场相互制约的机制，使它
们都只能存在于表面薄层内，而不能深入到超导体内部
伦敦第二方程
伦敦假设除了麦氏方程外，在超导体内还有另一个磁场和电 流相互制约的关系
麦克斯韦方程+第二方程=迈纳斯效应
因为在超导体内部的回路C上，磁感应强度B=0，但A≠0，矢势A影响着超导电子波函数的相位，从而导致磁通量子化现象。
它指出在超导体内部B＝0，由磁场边值关系当超导体外部有磁场时，紧贴超导体表面两侧处应有边值关系
但 超可流以电有 子既某 动种 量然空 有间 序超，导有体序 额内外放部热 B＝0，则超导体内部的电流亦为零。
由麦氏方程
B L是在超导体内B值发生显著变化的线度。
伦敦假设除了麦氏方程外，在超导体内还有另一个磁场和电流相互制约的关系 伦敦假设除了麦氏方程外，在超导体内还有另一个磁场和电流相互制约的关系
L------电流穿透深度
J
因为在超导体内部的回路C上，磁感应强度B=0，但A≠0，矢势A影响着超导电子波函数的相位，从而导致磁通量子化现象。
伦敦方程 超导电动力学
伦敦假设除了麦氏方程外，在超导体内还有另一个磁场和电流相互制约的关系
但可以有某种பைடு நூலகம்间 伦敦方程 超导电动力学
2 1 1 磁通量子化在超导物理中具有重要作用。
B B, 超流电子动量有序 ， 有序 额外放热
2 L 这现象再次指出矢势A的物理实在性。
L是在超导体内B值发生显著变化的线度。 L 它指出在超导体内部B＝0，由磁场边值关系当超导体外部有磁场时，紧贴超导体表面两侧处应有边值关系
超导材料介绍课件PPT
No Power Loss Act as Magnet Tc, Jc, Hc Electron Tunnelling
第8页
1. 零电阻效应
不同导体的电阻-温度曲线
水银的零电阻效应
在特定的温度下材料的电阻突然消失的现象称为超导（电）现象，发生这 一现象的温度叫超导转变温度Tc，也叫临界温度。材料失去电阻的状态称 为超导态，存在电阻的状态称为正常态。具有超导态的材料称为超导材料。 零电阻效应是超导态的一个基本特征。
第4页
1986年缪勒和柏德诺兹发现了钡镧铜氧体系高温超导化合物。于1987 年获得若贝尔奖。这一研究成果导致了多种液氮温区高温超导体材料 的出现，并宣告了超导技术开发应用时代即将到来。
第5页
金兹伯格
莱格特
阿布里科索夫
2003年诺贝尔物理学奖授予美国阿尔贡国家实验室的阿力克谢·阿 布里科索夫、俄国莫斯科莱伯多夫物理研究所的维塔利·金兹伯格 和美国伊利诺斯大学教授安东尼·莱格特，以奖励他们在超导和超 流理论方面的先驱性贡献。
第11页
超导体与理想导体的磁性质的区别
超导态是一个 热力学平衡现 象，抗磁性可 逆；理想导体 的这种磁性质 与加场过程有 关，不可逆。
第12页
3. 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
一些金属超导体临界 磁场与温度的关系
维持超导状态的必要条件
第13页
4. 超导隧道效应
第二类超导体的相图
N
T Tc
第18页
混合态
T<Tc 0<H<Hc1
T<Tc Hc1<H<Hc2
Flux penetrates above the lower critical field Hc1 Superconductivity survives up to the upper critical field Hc2 Type II Most alloys, HTS, MgB2.
2.超导材料
磁悬浮现象就是超 导体具有完全抗磁性的 证明。人们做过这样一 个实验，在一个浅平的 锡盘中，放入一个体积 很小磁性很强的永久磁 铁，然后把温度降低， 使锡出现超导性。这时 可以看到，小磁铁竟然 离开锡盘表面，飘然升 起，与锡盘保持一定距 离后，便悬空不动了。
产生这一现象的原因，是由于超导体的 完全抗磁性，使小磁铁的磁力线无法穿透超 导体，磁场发生畸变，便产生了一个向上的 浮力。进一步的研究表明：处于超导态的物 体，外加磁场之所以无法穿透它的内部，是 因为在超导体的表面感生一个无损耗的抗磁 超导电流，这一电流产生的磁场，恰巧抵消 了超导体内部的磁场。
3.2迈斯纳效应(完全抗磁性)
迈斯纳 (Meissner) 于 1933 年通过实验证明， 当金属在外磁场中冷却而从非超导态转变 为超导态时，体内原有的磁力线立即被推 出体外，磁感应强度恒等丁零，这种现象称 为迈斯纳效应。迈斯纳效应又叫完全抗磁 性。而且若对超导体施以强外磁场 (小于等 于Hc) ，体内亦将没有磁力线透过。也就是 说，超导体不仅是一个理想的导电体，而 且也是一个理想的抗磁体。现常用迈斯纳 效应这个重要性质来判别物质是否具有超 导性。
为了防止合金在高温下被氧化和排除气 体，以获得良好的加工性能和较纯净的合金， 需要在真空或惰性保护气氛中熔炼。先在电 子轰击炉中熔炼成初锭，作为真空电弧熔炼 的自耗电极。再经真空自耗熔炼成 Nb-Ti 合 金锭。有时为了得到均匀的 Nb-Ti 合金锭， 需经多次重熔。但是，从超导性来看，杂质 的存在有利于Jc的提高（作为强磁场超导合 金材料要求其Jc高）。一定含量的杂质，常 常是改善超导性能所必要的。所以未必重熔 次数愈多、纯度愈高愈好。
大家都知道，若将金属线圈放在磁场中，则线圈内将产生感应 电流，对于正常金属线圈来说，当磁场去掉后，线圈内电流很 快衰减为零，而对于超导线圈，情况却完全不同，图 1 是著名 的持续电流实验。将一超导线圈放在磁场中并冷却到临界温度 以下，突然撤去磁场，则在超导线圈中产生感生电流。
超导应用.ppt
接着昂尼斯又对多种金属、合金、化合物材料进行低温下的实验，发现它们中 的许多都具有在低温下电阻消失、感应电流长期存在的现象。由于在通常条件下导 体都有电阻，昂尼斯就称这种低温下失去电阻的现象为超导。在取得一系列成功的 实验之后，昂尼斯立即正式公布这一发现，并且很快引起科学界的高度重视，昂尼 斯也因此荣获1913年诺贝尔物理学奖。
5:超导体的应用
❖ 电子学应用
自1962年超导量子隧道效应发现以后，超导技术在 电子学中的应用揭开了新的篇章，经过多年的发展， 至今已有许多新型的超导电子器件研制成功，这些 超导电子器件包括：超导量子干涉器（SQUID）、 超导混频器、超导数字电路、超导粒子探测器等。
❖ 生物医学应用
超导技术在生物医学中的应用包括超导核磁共振成 像装置（MRI）和核磁共振谱仪（NMR） 核磁共振成像的原理是基于被测对象的原子磁场与 外磁场的共振现象来分析被测对象的内部状态。
※BCS理论的一个基本近似是：取消了电－声子作用 对能量与动量的依赖关系，采用了常数截断处理。 实际上，该理论假设，只在费米面以外一定的能层 内，两电子间才会具有吸引作用而形成Cooper对， 且为作德用 拜势 频的 率大 。小 ）不实变际。上（在能晶层体范中围与为电子相D 关的相D 互， 作用是非常复杂的，因此虽然它能够解释低温超导 体大多数特征，但铅，汞，铌等几种元素的性质却 与BCS理论计算有相当的出入。——此时应当用强耦 合理论对其加以修正。
※伦敦方程的修正－Pippard非局域理论
JS与A(r)的非局域关系－Pippard方程：
j (r , t)
3
4l
d 3r
R
R A(r)
R4
eR/p
其中， 并且假设 a
nse2 m
5:超导体的应用
❖ 电子学应用
自1962年超导量子隧道效应发现以后，超导技术在 电子学中的应用揭开了新的篇章，经过多年的发展， 至今已有许多新型的超导电子器件研制成功，这些 超导电子器件包括：超导量子干涉器（SQUID）、 超导混频器、超导数字电路、超导粒子探测器等。
❖ 生物医学应用
超导技术在生物医学中的应用包括超导核磁共振成 像装置（MRI）和核磁共振谱仪（NMR） 核磁共振成像的原理是基于被测对象的原子磁场与 外磁场的共振现象来分析被测对象的内部状态。
※BCS理论的一个基本近似是：取消了电－声子作用 对能量与动量的依赖关系，采用了常数截断处理。 实际上，该理论假设，只在费米面以外一定的能层 内，两电子间才会具有吸引作用而形成Cooper对， 且为作德用 拜势 频的 率大 。小 ）不实变际。上（在能晶层体范中围与为电子相D 关的相D 互， 作用是非常复杂的，因此虽然它能够解释低温超导 体大多数特征，但铅，汞，铌等几种元素的性质却 与BCS理论计算有相当的出入。——此时应当用强耦 合理论对其加以修正。
※伦敦方程的修正－Pippard非局域理论
JS与A(r)的非局域关系－Pippard方程：
j (r , t)
3
4l
d 3r
R
R A(r)
R4
eR/p
其中， 并且假设 a
nse2 m
超导材料 PPT
仅从超导体的零电阻现象出发得不到迈斯纳效应，同样用迈斯纳效 应也不能描述零电阻现象，因此，迈斯纳效应和零电阻性质是超导态的 两个独立的基本属性，衡量一种材料是否具有超导电性必须看是否同时 具有零电阻和迈斯纳效应。
超导性质和相关理论
观察迈纳斯效应的磁悬浮试 验
超导性质和相关理论
超导隧道效应
弱连接超导体：S-I-S
02 超导性质和相关理论
零电阻效应
超导性质和相关理论
A) 临界温度: 电阻突然消失的温度被称为超导体的临界温度Tc。超导临界 温度与样品纯度无关，但是越均匀纯净的样品超导转变时的电阻陡降 越尖锐。
B)临界磁场: 超导电性可以被外加磁场所破坏, 对于温度为T (T<Tc)的超导 体, 当外磁场超过某一数值Hc (T)的时候，超导电性就被破坏了，Hc (T)称为临界磁场。在临界温度Tc，临界磁场为零。Hc(T)随温度的变化 一般可以近似地表示为抛物线关系:
(2) 正常电子的性质与正常金属自由电子气体相同，受到振动晶格的散射而产生 电阻，对熵有贡献。
超导性质和相关理论
(3) 超流电子处在一种凝聚状态，即某一低能态，所以超导态是比正常态 更加有序的状态。这个假设的依据是：超导态在H＝Hc 的磁场中将转变 为正常态，而超导态的自由能要比正常态低 0Hc2V/2 (V是超导材料的体 积)。超导态的电子不受晶格散射，所以超流电子对熵没有贡献。
超导性质和相关理论
伦敦电磁学方程
1935年，伦敦兄弟在二流体模型的基础上，提出两个描述超导电流
其中Hc0是绝对零度时的临界磁场。
大家学习辛苦了，还是要坚持
继续保持 安静
超导性质和相关理论
C) 临界电流: 在不加磁场的情况下，超导体中通过足够强的电流也会破 坏超导电性, 导致破坏超导电性所需要的电流称作临界电流Ic(T)。在临界 温度Tc，临界电流为0。 临界电流随温度变化的关系有：
超导性质和相关理论
观察迈纳斯效应的磁悬浮试 验
超导性质和相关理论
超导隧道效应
弱连接超导体：S-I-S
02 超导性质和相关理论
零电阻效应
超导性质和相关理论
A) 临界温度: 电阻突然消失的温度被称为超导体的临界温度Tc。超导临界 温度与样品纯度无关，但是越均匀纯净的样品超导转变时的电阻陡降 越尖锐。
B)临界磁场: 超导电性可以被外加磁场所破坏, 对于温度为T (T<Tc)的超导 体, 当外磁场超过某一数值Hc (T)的时候，超导电性就被破坏了，Hc (T)称为临界磁场。在临界温度Tc，临界磁场为零。Hc(T)随温度的变化 一般可以近似地表示为抛物线关系:
(2) 正常电子的性质与正常金属自由电子气体相同，受到振动晶格的散射而产生 电阻，对熵有贡献。
超导性质和相关理论
(3) 超流电子处在一种凝聚状态，即某一低能态，所以超导态是比正常态 更加有序的状态。这个假设的依据是：超导态在H＝Hc 的磁场中将转变 为正常态，而超导态的自由能要比正常态低 0Hc2V/2 (V是超导材料的体 积)。超导态的电子不受晶格散射，所以超流电子对熵没有贡献。
超导性质和相关理论
伦敦电磁学方程
1935年，伦敦兄弟在二流体模型的基础上，提出两个描述超导电流
其中Hc0是绝对零度时的临界磁场。
大家学习辛苦了，还是要坚持
继续保持 安静
超导性质和相关理论
C) 临界电流: 在不加磁场的情况下，超导体中通过足够强的电流也会破 坏超导电性, 导致破坏超导电性所需要的电流称作临界电流Ic(T)。在临界 温度Tc，临界电流为0。 临界电流随温度变化的关系有：
超导材料发展历程及现行理论解释与应用.pptx
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6
发展历程
• 1911年，荷兰科学家H. K. Ones 利用低温技术研究金属的电阻特性时发现Hg在温度 低至4.2K时电阻降为零。后人把这种状态叫超导态。并把电阻突然降为零的温度 称为临界温度，记为Tc。
• 但由于早期的超导体存在于液氦极低温度条件下，极大地限制了超导材料的应用。 人们一直在探索高温超导体，从1911年到1986年，75年间从水银的4.2K提高到铌 三锗的23．22K，才提高了19K,科学家们用乌龟来形容这个程度。
• 一个比较形象的理解：当一个电子在晶格中运动时，由于异性电荷相吸而导 致局域晶格畸变，当另外一个电子通过时，会感受到第一个电子通过时导致 的晶格畸变的影响，从而在两个电子之间产生间接吸引相互作用，这就是 “库珀对”，其总动量和总自旋为零。所有电子对在运动过程中能够保持 “步调一致”（相位相干，即相位相同），即使受到杂质等散射也将保持总 动量不变，从而在外加电场作用下能够不损失能量而运动——这种现象就是 超导。所以说，超导是微观量子凝聚态的宏观表现。
• （3）临界电流密度Jc：当通过超导体的电流密度超过临界电流密度Jc时， 超导体由超导体恢复为正常状态。临界电流密度Jc与温度、磁场强度有关。
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实验检验
为了证实（超导体）电阻为零，科学家将一 个铅制圆环，放入温度低于Tc=7.2K的空间， 利用电磁感应使环内激发起感应电流。结果 发现，环内电流能持续下去，从1954年3月16 日始，到1956年9月5日止，在两年半的时间 内的电流一直没有衰减，这说明圆环内的电 能没有损失，当温度升到高于Tc时，圆环由 超导状态变正常态，材料的电阻骤然增大， 感应电流立刻消失，这就是著名的昂尼斯持 久电流实验。
的崔田教授组在“传统
高温超导体”的研究上
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发展历程
• 1911年，荷兰科学家H. K. Ones 利用低温技术研究金属的电阻特性时发现Hg在温度 低至4.2K时电阻降为零。后人把这种状态叫超导态。并把电阻突然降为零的温度 称为临界温度，记为Tc。
• 但由于早期的超导体存在于液氦极低温度条件下，极大地限制了超导材料的应用。 人们一直在探索高温超导体，从1911年到1986年，75年间从水银的4.2K提高到铌 三锗的23．22K，才提高了19K,科学家们用乌龟来形容这个程度。
• 一个比较形象的理解：当一个电子在晶格中运动时，由于异性电荷相吸而导 致局域晶格畸变，当另外一个电子通过时，会感受到第一个电子通过时导致 的晶格畸变的影响，从而在两个电子之间产生间接吸引相互作用，这就是 “库珀对”，其总动量和总自旋为零。所有电子对在运动过程中能够保持 “步调一致”（相位相干，即相位相同），即使受到杂质等散射也将保持总 动量不变，从而在外加电场作用下能够不损失能量而运动——这种现象就是 超导。所以说，超导是微观量子凝聚态的宏观表现。
• （3）临界电流密度Jc：当通过超导体的电流密度超过临界电流密度Jc时， 超导体由超导体恢复为正常状态。临界电流密度Jc与温度、磁场强度有关。
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实验检验
为了证实（超导体）电阻为零，科学家将一 个铅制圆环，放入温度低于Tc=7.2K的空间， 利用电磁感应使环内激发起感应电流。结果 发现，环内电流能持续下去，从1954年3月16 日始，到1956年9月5日止，在两年半的时间 内的电流一直没有衰减，这说明圆环内的电 能没有损失，当温度升到高于Tc时，圆环由 超导状态变正常态，材料的电阻骤然增大， 感应电流立刻消失，这就是著名的昂尼斯持 久电流实验。
的崔田教授组在“传统
高温超导体”的研究上
超导材料
世界第一个高温超导输电系统部署完成
2008年7月2号，美国超导公司正式在一个商业电网中部署了世界上第一个 高温超导输电系统。超导体能够快速、高效并且轻松地传输大量电力。相 比同样粗细的铜导线，他们的输电能力高达150倍，但因为技术困难，超 导体输电的商业应用发展缓慢。 上周部署的这个系统收到了美国能源部的资助，是长岛电力局电网的 一部分，由三根138千伏的电缆组成。它于2008年4月开始通电，在满负荷 运转时能够满足30万户家庭的用电需求。 然而要在电网中用超导体完全取代铜导线，目前仍然有一些技术障碍， 最关键的问题是费用。现在在长岛运行的第一代电缆十分昂贵，因为它们 都镀上了一层银。第二代镀铜导线能够省下五分之四的费用，但才刚刚进 入实验阶段。
可以这样简单地理解：
在常温下，金属原子失去外层电子成为正离 子规则排列在晶格的结点上作微小振动。自由电 子无序地充满在正离子周围。在电压作用下，自 由电子的定向运动就成为电流。自由电子在运动 中受到的阻碍称为电阻。 当超导临界温度以下时，自由电子将不再完 全无序地“单独行动”，由于晶格的振动，会形 成“电子对”（即“库珀电子对”）。温度愈低， 结成的电子对愈多，电子对的结合愈牢固，不同 电子对之间相互的作用力愈弱。在电压的作用下， 这种有秩序的电子对按一定方向畅通无阻地流动 起来。如下图：
U
隧道 效应
E＜U
• 经典
E＜U
• 量子
如果其中的 Al 进入超导态，就称为约 瑟夫森结（下图）。 1962年，剑桥大学的博士后约瑟夫森 （B D Josephson）理论计算表明，当绝缘 层小于1.5～2×10-9m时，除了前面所述的 正常电子的隧道电流外，还会出现一种与 库珀电子对相联系的隧道电流，而且库珀 电子对穿越势垒后，仍保持其配对的形式。 这种不同于单电子隧道效应的新现象，称 为约瑟夫森效应。
超导材料解析PPT教学课件
2020/10/16
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而后朱经武发现的铊钡钙铜氧系合金的超导温度更 接近室温，达120K。使超导温度从极为寒冷的液氦区 进入到比较温暖的液氮区。
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二 超导基本原理
• 二流体模型
·BCS理论
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二流体模型
比热：
金属晶体的基本组成单位是原子，而原子又是
由原子核和核外电子组成，电子在金属内共有
外电子的吸引作用。这样两个电子通过晶格点阵发生
间接的吸引作用。
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库柏电子对
• 库柏(Cooper)证明：当2个 电子间存在净的吸引作用 时，在费米面附近就存在 一个动量大小相等、方向 相反且自旋相反的束缚态 ；它的能量比2个独立的电 子总能量低，这种2个电子 对的束缚态称为库柏对。
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BCS超导微观理论
1. 超导电性来源于电子间通过晶格作媒介所产生的相互吸引 作用，
2. 当这种作用超过电子间的库仑排斥作用时，电子会形成 束缚对，也就是库柏电子对，从而导致超导电性的出现。
3. 库柏对会导致能隙存在，超导临界场、热力学性质和大 多数电磁学性质都是这种库相对活动的结果。
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机理解释
L. N. Cooper认为超导态是由正则动量(机械 动量与场动量之和)为零的超导电子组成的，它是 动量空间的凝聚现象。要发生凝聚现象，必须有 吸引力的作用存在。
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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
4.
5. 元素或合金的超导转变温度与费米面附近电子能态密度 N(EF)和电子-声子相互作用能U有关，可用电阻率来估计。
2超导材料
力又大大富余，使得发电机常常白天超负荷运转，
深夜时却空转，电力白白浪费了。
3
能不能把夜间富余的电力储存起来用以 弥补白天电力不足的难题呢?
自从有了超导材料以来，解决这个问题
就大有希望了。
4
2.1 超导材料的发展历程 2.2 超导体的临界参数 2.2.1 临界温度 2.2.2 临界磁场 2.2.3 临界电流 2.3 超导材料的基本特性 2.3.1零电阻效应 2.3.2迈斯纳效应 2.4 传统超导电体的超导电性理论 2.4.1 唯象理论 2.4.2 传统超导体的微观机制 2.5 超导材料的分类 2.5.1 常规超导体 2.5.2 高温超导体 2.5.3 其它类型超导体 2.6 超导材料的应用与前景
2.4.1 唯象理论
一 二流体模型
二 三 伦敦方程 金兹堡--朗道理论
2.4.2 传统超导体的微观机制
一 同位素效应
二 超导能隙
三 库柏电子对
四 相干长度
五 BCS理论
46
2.4.1 唯象理论
一 、 二流体模型─超导体的热力学模型 早期为了解释超导体的热力学性质，1934年
戈特(C. J. Gorter)和卡西米尔(H. B. G. Casimir)提
8
昂尼斯和许多科学家后来又发现了28种超导元
素和8000多种超导化合物材料。但出现超导现象的
临界温度大多在接近绝对零度的极低温度，没有什
么经济价值，因为制造这种极低的温度，通常用液
氦作工作物质，本身就很花钱而且又很困难，限制 了超导技术的广泛应用。
9
为了寻找临界温度比较高的没有电阻的材
料，世界上无数科学家奋斗了近60年，也没有
温度，同时测量不同温度下固体水银的电阻，当温
第二类超导体
◆理想第II类超导体 晶体结构比较完整，不存在磁通钉扎中心，并 且当磁通线均匀排列时，在磁通线周围的涡旋电 流将彼此抵消，其体内无电流通过，从而不具有 高临界电流密度。 ◆非理想第II类超导体 晶体结构存在缺陷，并且存在磁通钉扎中心， 其体内的磁通线排列不均匀，体内各处的涡旋电 流不能完全抵消，出现体内电流，从而具有高临 界电流密度。真正适合实际应用的超导材料是非 理想的第二类超导体。
超导导线(含2120 根微米直径之铌 钛合金纤维)
• 超导储能装置
超导储能装置是利用超 导线圈将电磁能直接储 存起来，需要时再将电 磁能返回电网或其它负 载的一种电力设施。一 般由超导线圈、低温容 器、制冷装置、变流装 置和测控系统几个部件 组成。其中超导线圈是 超导储能装置的核心部 件，它可以是一个螺旋 管线圈或是环形线圈
Hale Waihona Puke 两类超导体相图第一类超导体只 存在一个临界磁 场Hc，当外磁场 H＜Hc时，呈现 完全抗磁性，体 内磁感应强度为 零。
第二类超导体具有两个临界磁场，分别用HC1（下临 界磁场）和HC2（上临界磁场）表示。当外磁场H＜ HC1时，具有完全抗磁性，体内磁感应强度处处为零。 外磁场满足HC1<H<HC2时，超导态和正常态同时并 存，磁力线通过体内正常态区域，称为混合态或涡旋 态。外磁场H增加时，超导态区域缩小，正常态区域 扩大，H≥HC2时，超导体全部变为正常态。
荷兰物理学家昂纳斯 (Heike Kamerlingh Onnes)
• 卡末林 昂尼斯 卡末林·昂尼斯 (Kamerlingh Onnes) 低温物理学家 • 1853年9月21日生于 1853年 21日生于 荷兰的格罗宁根， 荷兰的格罗宁根， 1926年 21日卒于 1926年2月21日卒于 荷兰的莱顿． 荷兰的莱顿．因制 成液氦和发现超导 现象在1913 1913年获诺 现象在1913年获诺 贝尔物理学奖． 贝尔物理学奖．
超导体(共7张PPT)
而 YBCO具有更为优异的磁场下性能，是真 第二代YBCO高温超导带材：
其中最有实用前途的是铋系、钇系（YBCO）和二硼化镁（MgB2）。 想得到性能优良的高温超导器件就必须有质量很好的薄膜，但由于种种因素使制备高质量高Tc超导薄膜具有相当大的困难。
正的液氮温区下强电应用的超导材料。 研究YBCO超导块材的目标之一是利用它在超导态下的迈斯纳效应及磁通钉扎特性导致的磁悬浮力，应用于超导轴承、贮能以及磁浮列车等。
有较好晶体取向的Bi系线带材,即把Bi（Pb）-Sr-Ca-CuO粉装入金属管（Ag或Ag合金）中进行加工和热处理的
方法。
• B. 第二代YBCO高温超导带材：
由于第一代Bi系带材 的高成本以及它的一些性能
问题如磁场下临界电流的急剧衰减等，使得基于 想得到性能优良的高温超导器件就必须有质量很好的薄膜，但由于种种因素使制备高质量高T系、钇系（YBCO）和二硼化镁（MgB2）。 其中最有实用前途的是铋系、钇系（YBCO）和二硼化镁（MgB2）。 高温超导体属于非理想的第II类超导体，且具有比低温超导体更高的临界磁场和临界电流，因此是更接近于实用的超导材料
• C. 新型MgB2超导线带材： 2001年1月，日本科学家发现了临界转变温度 为39 K的MgB2超导体。
3.薄膜
• 想得到性能优良的高温超导器件就必须有质量 很好的薄膜，但由于种种因素使制备高质量 高Tc超导薄膜具有相当大的困难。
高质量的外延YBCO薄膜的Tc在90K以上，零 磁场下77K时，临界电流密度已超过 1×106A/cm2，工艺已基本成熟，目前有了一 批高温超导薄膜电子器件问世。
综合制冷成本和材料成本，MgB2超导体在
20~30 K，低场条件下应用具有明显的价格优势，
其中最有实用前途的是铋系、钇系（YBCO）和二硼化镁（MgB2）。 想得到性能优良的高温超导器件就必须有质量很好的薄膜，但由于种种因素使制备高质量高Tc超导薄膜具有相当大的困难。
正的液氮温区下强电应用的超导材料。 研究YBCO超导块材的目标之一是利用它在超导态下的迈斯纳效应及磁通钉扎特性导致的磁悬浮力，应用于超导轴承、贮能以及磁浮列车等。
有较好晶体取向的Bi系线带材,即把Bi（Pb）-Sr-Ca-CuO粉装入金属管（Ag或Ag合金）中进行加工和热处理的
方法。
• B. 第二代YBCO高温超导带材：
由于第一代Bi系带材 的高成本以及它的一些性能
问题如磁场下临界电流的急剧衰减等，使得基于 想得到性能优良的高温超导器件就必须有质量很好的薄膜，但由于种种因素使制备高质量高T系、钇系（YBCO）和二硼化镁（MgB2）。 其中最有实用前途的是铋系、钇系（YBCO）和二硼化镁（MgB2）。 高温超导体属于非理想的第II类超导体，且具有比低温超导体更高的临界磁场和临界电流，因此是更接近于实用的超导材料
• C. 新型MgB2超导线带材： 2001年1月，日本科学家发现了临界转变温度 为39 K的MgB2超导体。
3.薄膜
• 想得到性能优良的高温超导器件就必须有质量 很好的薄膜，但由于种种因素使制备高质量 高Tc超导薄膜具有相当大的困难。
高质量的外延YBCO薄膜的Tc在90K以上，零 磁场下77K时，临界电流密度已超过 1×106A/cm2，工艺已基本成熟，目前有了一 批高温超导薄膜电子器件问世。
综合制冷成本和材料成本，MgB2超导体在
20~30 K，低场条件下应用具有明显的价格优势，
超导材料ppt
☆超导电机 在大型发电机或电动机中，一旦由超导体取代铜材则可望实现电阻损耗极小的大功率传输 。在高强度磁场下，超导体的电流密度超过铜的电流密度，这表明超导电机单机输出功率 可以大大增加。在同样的电机输出功率下，电机重量可以大大下降。小型、轻量、输 出功率高、损耗小等超导电机的优点，不仅对于大规模电力工程是重要的，而且对于航海 、航空的各种船舶、飞机特别理想。 ☆在核能开发中的应用 若想利用热核反应来发电，首先必须解决大体积、高强度的磁场问题。产生这样磁场的磁 体能量极高，结构复杂，电磁和机械应力巨大，常规磁体无法承担这一任务。只有通过超 导磁体产生强大的磁场，将高温等离子体约束住，并且达到一个所要求的密度，这样才可 以实现受控热核反应。
超导理论能较好的说明超导现象和第一类超导体的性质，但是尚不能完满解决完全抗 磁性的问题，随着超导材料的发展，BCS理论出现很多不足，超导理论尚不成熟。
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四.超导材料分类
☆超导材料包括的材料大类：常规超导体（如铌钛合金）高温超导体（如YBa2Cu3O7-x）、 非晶超导材料、复合超导材料（如超导线带材料）、重费米子超导体（如 CeCu2Si2）有机超导材料（如富勒烯等） ☆按临界转变温度来分 1.低温超导材料 具有低临界转变温度（TC＜30K＝在液氦温度条件下工作)的超导材料，分为金属、合金 和化合物 。在常压下有28中元素具有超导特性，其中铌和铅在实际中应用较广.合金系低 温超导材料是以为基的二元或三元合金组成的β相固溶体，TC在9K以上。如铌锆合金，铌 钛合金。超导化合物有如Nb3Sn ，V3Ga 等。 2.高温超导材料 具有高临界转变温度(TC>77K)在液氮温度条件下工作的超导材料,主要为多元系氧化物 包括铋系、钇系、铊系、汞系等高温超导体系，如钇钡铜氧系材料。 ☆按超导体的磁化特性不同可分为两类： 第一类超导体在低于临界磁场HC的磁场H重处于超导态，表现出完全抗磁性，即在超导内 部B=0；在高于HC的磁场中则处于正常态。 第二类超导体有两个临界磁场：下临界磁场HC1和上临界磁场HC2。当外加磁场低于HC1时， 第二类超导体也表现出完全抗磁性；当外磁场达到HC1时，就失去完全抗磁性，磁力线开 始穿过超导体内部，在达到HC2之前，超导体内的部分区域转变为正常态，其余仍处于超 10 导态，此称为混合态。在混合态时，超导体既具有抗磁性（不完全），又仍没有电阻 。当H=HC2时，超导区消失，整个材料都变为正常态。
超导材料课件(中科院).72页PPT
56、书不仅是生活，而且是现在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿
超导材料课件(中科院).
16、自己选择的路、跪着也要把它走 完。 17、一般情况下)不想三年以后的事， 只想现 在的事 。现在 有成就 ，以后 才能更 辉煌。
18、敢于向黑暗宣战的人，心里必须 充满光 明。 19、学习的关键--重复。
20、懦弱的人只会裹足不前，莽撞的 人只能 引为烧 身，只 有真正 勇敢的 人才能 所向披 靡。
拉
60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地 走到底 ，决不 回头。 ——左
ห้องสมุดไป่ตู้
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BCS超格作媒介所产生的相互吸引 作用，
2. 当这种作用超过电子间的库仑排斥作用时，电子会形成 束缚对，也就是库柏电子对，从而导致超导电性的出现。
3. 库柏对会导致能隙存在，超导临界场、热力学性质和大 多数电磁学性质都是这种库相对活动的结果。
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· 同位素效应
• 超导临界转变Tc 与原子质量的平 方根成反比
Tc M 1 (1/2)
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• 由于晶格振动的频率也与原子量的平方根成反比， 所以同位素效应也暗示了超导体中电子行为和晶 格之间的密切联系。
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超导能隙
• 由超导态的比热容可知 ，超导态的电子能谱中 存在一个半宽度为Δ的 能量间隔，在这个能量 间隔内禁止电子占据， 人们把2Δ或Δ称为超 导态的能隙。
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低温超导体应用的局限性
• 低温超导体的临界转变温度最高为 30 K， 因此，它必须在液氦 (零下269C) 温度下 工作。
• 液氮 (零下196C) 无论在价格、来源和制 备都比液氦具有大得多的优势。
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26 种超导金属元素
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研究发现：金属合金的超导转变温度比单 质金属稍微高一些
4. 5. 元素或合金的超导转变温度与费米面附近电子能态密度
N(EF)和电子-声子相互作用能U有关，可用电阻率来估计。
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BCS超导微观理论
3. 在绝对零度下，对于超导态，低能量的即在费米 球内部深处的电子，仍与处在正常态中的一样。
4. 但在费米面附近的电子，则在吸引力作用下， 按相反的动量和自旋全部结成库柏对，也就是凝 聚的超导电子，在有限温度下，一方面出现一些 不成对的单个激发电子，相当于所谓正常的电子 ；
锗三铌 (Nb3Ge) 的超导转变温度为 23.2 K, 在 20 世纪 80 年代以前是最高记录。
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1986年，贝特诺茨和缪勒从别人多次失败中 总结教训，放弃了在金属和合金中寻找超导材料 的老观念，终于发现一种Ba-La-Cu-O 系氧化物 材料 (BLCO) 材料在43K这一较高温度下出现超 导现象。
2.3.4 超导材料
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2 超导材料
超导材料是一种没有电阻的材料，既 能节约能量，还能把电流储存起来。
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精品资料
• 你怎么称呼老师？
• 如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你 是否会认为老师的教学方法需要改进？
• 你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？ • 教师的教鞭 • “不怕太阳晒，也不怕那风雨狂，只怕先生骂我笨，
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二流体模型认为金属超导转变后，金属中一
部分正常电子凝聚成超流状态，其行动完全自由， 畅通无阻，这是一种有序状态，是由于动量凝聚 造成的。
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另一个实验是伦敦的模型，超导电流只分布在超
导线表面附近的薄层内，超导体内没有电流也没 有磁场，因此体现抗磁性。
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化，所以金属实际上是由带正电的离子组成的 晶格点阵（C1)和电子气（Ce)组成。不难想象， 金属比热包含晶格比热和电子比热。前者和T3
成正比，后者满足 Ce =γT，γ是电子比热系数。
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• 实验表明，当达到临界温度时，晶格结构没有发 生变化，但金属比热却发生了跳跃式转变。
这种转变是由于电子 发生了某种转变，可 能金属内的电子变成 了“超流电子”。基 于这种联想高特-卡西 米提出了二流体模型
• 能隙就是破坏一个库柏对所需要的能量，至 少2Δ
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二流体模型的成功之处： • 1.把超导体中的电子分为两类：常态电子和超导电子。 • 2.认为超导态与电子的状态有关。
二流体模型的局限性：
• 1.电子是如何从常态变成超导态？ • 2.为何超导电流只分布在超导线表面附近的薄层内？
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·BCS理论
·同位素效应 ·超导能隙 ·机理解释
对另外电子的吸引作用。这样两个电子通过晶格点
阵发生间接的吸引作用。
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库柏电子对
• 库柏(Cooper)证明：当2个 电子间存在净的吸引作用 时，在费米面附近就存在 一个动量大小相等、方向 相反且自旋相反的束缚态 ；它的能量比2个独立的电 子总能量低，这种2个电子 对的束缚态称为库柏对。
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而后朱经武发现的铊钡钙铜氧系合金的超导温度更 接近室温，达120K。使超导温度从极为寒冷的液氦区 进入到比较温暖的液氮区。
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二 超导基本原理
• 二流体模型
·BCS理论
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二流体模型
比热：
金属晶体的基本组成单位是原子，而原子又是
由原子核和核外电子组成，电子在金属内共有
5. 另一方面库柏对吸引力减弱，结合程度变差。
温度越高，成对的电子数越少，结合程度越差。
当达到临界温度时，库柏对全部拆散成单个的正
常电子，超导态即转变成正常态了。
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用BCS理论解释超导性质
零电阻、能隙的解释
• 在超导态情况下，载流子是库柏电子对。库 柏对的电子虽然受到散射，但在过程中，总 动量不变，电流就不会变，相当于无阻状态
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机理解释
L. N. Cooper认为超导态是由正则动量(机械 动量与场动量之和)为零的超导电子组成的，它是 动量空间的凝聚现象。要发生凝聚现象，必须有 吸引力的作用存在。
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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
没有学问无颜见爹娘 ……” • “太阳当空照，花儿对我笑，小鸟说早早早……”
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2.1 超导材料的发展历程
1911年，科学家发现，金属的电阻和 它的温度条件有很大关系：
温度高时，它的电阻就增加，温度低 时电阻减少。
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1.超导现象的发现
1911年，昂内斯选
择了水银作为实验材料， 在液氦的温度下进行研究。 发现温度降到 4.2 K 左右 时，水银的电阻竟然消失 了！