超导材料简介与说明
超导材料的结构与性质
超导材料的结构与性质超导材料是一类在低温下表现出电阻为零的材料，具有极高的电导率和磁场排斥效应。
超导现象在许多领域中都具有重要的应用价值，因此研究超导材料的结构与性质对于推动超导技术的发展具有重要意义。
本文将探讨超导材料的结构层次和相关的性质。
一、晶体结构超导材料的晶体结构对其超导性能起着重要的影响。
一般来说，超导材料常采用复杂的晶体结构，其中最著名的是铜氧化物超导材料。
铜氧化物超导材料的晶体结构由铜氧化物层和填充层组成，其中铜氧化物层中的氧原子通过带负电荷的氧离子桥连接铜原子，形成了一个复杂的三维电子结构。
这种结构的复杂性使得铜氧化物超导材料具有独特的电子输运性质。
二、电子结构超导材料的电子结构直接决定了其超导性质。
在铜氧化物超导材料中，准确描述其电子结构的理论模型仍然是一个困难的问题。
一种常用的近似方法是使用最简单的Hubbard模型来描述电子在铜氧化物平面上的运动。
该模型中考虑了电子之间的库伦相互作用和晶体势场的影响。
通过计算Hubbard模型的基态能量和激发能谱，可以研究超导材料中电子的行为。
三、配对机制超导材料中电子的配对是产生超导性的关键。
在传统的BCS理论中，超导性是由于电子之间的库仑相互作用导致的费米面上的电子形成库珀对。
然而，铜氧化物超导材料中的超导机制与传统的BCS理论不同。
一种被广泛接受的理论是，铜氧化物超导材料中的超导性是由于电子之间的强关联效应导致的。
这种强关联效应使得电子在形成库珀对时伴随着自旋和电荷的有序排列。
四、磁性与自发电流在超导材料中，超导相变与磁性相变常常密切相关。
当温度低于临界温度时，超导材料会发生超导相变，此时材料内部不再存在电阻。
而在超导相变过程中，材料通常会表现出磁滞效应，即磁场的强度与外加电流之间的关系非线性。
此外，超导材料中的自发电流效应也是一个值得关注的现象，其产生的自由电流可以对外加磁场产生排斥效应，从而保持超导态。
总结通过对超导材料的结构与性质的探讨，我们可以更好地理解超导现象的机制以及超导技术的应用。
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。
3-4 超导体材料与器件
结构的钡镧铜氧化物转变温度高达35K；日本东
京大学工学部37K；美籍华裔科学家朱经武40.2K；
1987年日本提高到43K、46K和53K。中国赵忠贤
获得了48.6K的锶镧铜氧系超导材料，发现70K有发生 赵忠贤 转变迹象。朱经武和吴茂昆98K。2月20日中国发现
③ 三元合金 为了改善Nb-Zr和Nb-Ti等二元合金性能，在此基础上
又发展了一系列具有很高临界电流的三元超导合金材料， 如Nb-Zr-Ti, Nb-Ti-Ta, Nb-Zr-Ta, Nb-Ti-Hf和V-Zr-Hf等，主 要用于制造磁流体发电机的大型磁体。Nb-Zr-Ti合金的临 界温度一般在10K附近，影响Nb-Zr-Ti合金超导性能的主 要因素有：合金成分、含氧量、加工度和热处理等。NbTi-Ta合金具有良好的加工性能，形变率可达99.9%。成分 对合金的超导性能影响很大，Nb-70Ti-5Ta合金的Tc=9.8K， Hc=12.8T。
将Nb或者V粉末混入Cu中，熔炼制成Cu-Nb、Cu-V合 金。拔丝加工制成线材，表面上涂敷Sn或者Ga，扩散处理， 可以制成具有不连续纤维状的Nb3Sn或V3Ga线材。
3.4.4 高温超导体材料 （1）氧化物超导体材料
第一代高温超导体材料：钇系，钇钡铜氧化物（YBa-Cu-O），Tc=90K；
第二代高温超导体材料：铋系，铋锶钙铜氧化物 （Bi-Sr-Ca-Cu-O），Tc=114~120K；
物中，用过渡族元素Fe，Ni，Co和Zn以及Ga，Al，Mg等 置换Cu后，会导致Tc不同程度的下降。
在Y系超导体材料中，除Y-123外，还有Y-124， Tc=80K和Y-247，Tc=40K超导体材料。Y-124与Y-123有类 似的晶体结构，不同之处在于Y-123的Cu-O单键被双层 Cu-O键所代替。Y-124的优点是氧成分分配比较稳定，当 对Y-124相的Y用部分Ca代替时，超导转变温度可增加到 90K。Y-247相的结构是Y-123和Y-124相的有序排列，转变 温度对氧含量有强烈的依赖关系。
超导材料简介
科学家2002年发现以钚为基础的新的超导体族
美国能源部洛斯阿拉莫斯科学实验室、佛罗里达大学和德国铀后元 素研究所，以约翰· 尔拉奥博士为首的科学家小组首次发现钚的超导 效应，证实钚、钴和镓的合金在温度为18.5K时会变成超导体。
第24页
合金超导体
• 组成元素都具有超导性
合金
Tc (K)
Nb3Sn
第17页
H
Hc
正常态 超导态
0
Tc
T
第二类超导体
H Hc2
B 0, r = 0
N
Mixed T Tc
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Hc1
B = 0,
S r
= 0 Meissner
第二类超导体的相图
混合态
Flux penetrates above the lower critical field Hc1 Superconductivity survives up to the upper critical field Hc2 Type II T<Tc 0<H<Hc1 T<Tc Hc1<H<Hc2
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（5）汞超导家族
汞超导家族的化学通式为HgBa2Can-1CunO2n+2+x，n=1,2,3…。因 这个家族的晶格中一般地有多余的氧原子存在，所以在氧的下标上 有"+x"。这个家族的主要成员有HgBa2CuO4，HgBa2CaCu2O6+x和 HgBa2Ca2Cu3O8+x，即1201相、1212相和1223相，这三个相的转 变温度分别为85K，120K和133K。其中1223相中的133K是迄今为 止所发现的在常压下最高的超导临界转变温度。
超导材料和超级导体的定义和特点
超导材料和超级导体的定义和特点超导材料和超级导体是材料科学领域中的两个非常重要的概念，它们具有许多独特的特点和应用。
本文将着重探讨这两个概念的定义和特点。
一、超导材料的定义和特点超导材料是一类具有零电阻和完全磁场排斥的具有独特电学性质的材料。
超导体在低温下表现出的超导现象是一种量子力学现象，物理学家于1911年首次对其进行了描述。
超导材料的关键特点是其电阻率几乎为零，在超导状态下可以传输极大的电流，且在周围的磁场下表现出强磁场排斥力。
这些特点使得超导材料在电力传输、磁共振成像和粒子加速器等领域中发挥着重要的作用。
另外，超导材料的超导临界温度也是其关键特点之一。
高温超导材料的发现一度成为了物理学领域的焦点。
目前已经成功制备出了各种具有不同超导临界温度的超导材料，其中最高超导临界温度的材料可高达138K，已经大大提高了超导材料的实用性能。
二、超级导体的定义和特点超级导体是一类比超导材料更为高级的导体材料，其电导率也会达到极高的程度。
不同于超导材料在低温下表现出超导态的特点，超级导体在各种不同的温度和压强下都表现出优异的电学性质和低噪声特性。
超级导体具有非常好的热稳定性和低损耗特性，这是其在电子器件制造中的重要应用。
与超导材料不同，超级导体的应用领域更为广泛，例如在通信、雷达、微波等领域中广泛应用。
最近十年来，在超级导体领域，传统的材料制备方法已经难以提供更高的性能，新的制备方法和新材料的开发被认为是下一步的突破口。
此外，为了推广超级导体的应用，研究人员也在积极寻找替代现有材料的新材料。
三、超导材料和超级导体的比较虽然超导材料和超级导体在性质上存在许多相似之处，但它们的主要区别在于超导材料只在低温时才表现出超导特性，而超级导体则不受温度限制，表现出极低的阻抗和电阻率。
此外，超级导体的应用范围也比超导材料更广，包括通信、航空航天、军事和医疗等多个领域。
然而，由于超级导体仍然是一种较新的材料，尚未被广泛应用于实际生产中。
超导材料的特性与应用
超导材料的特性与应用超导材料是一种很特殊的材料，它具有非常强大的导电性能和磁性能。
自从超导材料被发现以来，一直是材料科学领域中的一个热门话题。
在过去的几十年中，超导材料被广泛研究和应用于各个领域，例如能源、医疗、电子、交通等等。
本文将探讨超导材料的特性与应用。
一、超导材料的特性超导材料是当温度降到一定的程度时（通常在低于室温下的几十度到几百度之间），电阻会变成零，从而正常电流会不受阻碍地流过。
这是因为超导材料内部的电子形成了一种特殊的电磁场，这种电磁场将原子和电子束缚在一起，导致电子流的无阻碍运动。
超导材料通常分为两类： Type I 和 Type II。
Type I超导材料是指当它们的温度降到超导温度以下时，它们会完全超导并驱使外磁场完全消失。
Type II超导材料是指在它们的临界温度以下，它们仅在特定磁场下超导。
当磁场超过某个阈值后，Type II超导材料仍然有一定的电阻，但它们的电阻非常小，甚至可以忽略。
鉴于超导材料的这种特殊性质，科学家们广泛研究超导现象的本质，以便发现新的超导材料，并将其应用于更多的领域。
二、超导材料的应用2.1 能源超导材料是发电机和电缆的重要组成部分，它们可以传输更大容量的电力，降低能量传输成本，并提高电力传输效率。
由于超导材料没有电阻，所以在输送大功率电能的过程中，它不会产生热量和电能损失。
此外，超导材料还可以应用于磁约束聚变，这是一种基于核融合的能源生产方式。
磁约束聚变要求高温、高密度的等离子体，而超导材料更适合制造超导磁体，以便产生和维持这样的等离子体。
2.2 医疗超导材料的应用还涉及医疗方面。
例如，MRI（核磁共振成像）是常见的医学诊断工具，它需要使用超导磁体产生极强的磁场来检查人体内部组织和器官。
超导材料可以制造宽大而高度均匀的磁体，这使得MRI诊断更准确。
2.3 电子超导材料还可以用于电子制造。
例如，超导电路是一种重要的电子器件，可以用于制造极低噪声的微波接收器、模拟计算器和快速数字逻辑电路等。
大学物理中的超导现象超导材料的特性与应用
大学物理中的超导现象超导材料的特性与应用超导现象是指在低温下，某些材料的电阻突然降为零的现象。
这是由于超导材料的电子在低温下能够形成一种特殊的电子对，称为库伯对，这种电子对能够无阻碍地通过材料，从而使得电阻消失。
超导材料具有以下几个主要特性：1. 零电阻：超导材料在超导态下电阻为零，电流可以在材料内部自由流动而不损失能量。
这使得超导材料在电力输送和电子元件中具有极高的应用价值。
通过利用超导材料，电力输送的效率能够大大提高，减少能量损耗。
2. 完全反磁性：超导材料在超导态下表现出完全的反磁性，即能够将外部磁场完全排斥。
这个特性使得超导材料在磁共振成像、磁悬浮等领域得到广泛应用。
3. 邻近效应：超导材料在临界温度附近具有邻近效应，即在超导态和正常态之间存在过渡区域，该区域内电阻的大小随温度的改变而变化。
这种邻近效应可以用来制作超导量子干涉仪和超导量子比特等量子器件。
除了以上的特性，超导材料在磁场中还具有潜在的应用价值。
在高磁场条件下，超导材料可以产生巨大的电流密度，这使得它们在磁体领域得到广泛应用。
超导材料可以制作超导电磁铁，用于医学成像、粒子加速器等领域。
此外，超导材料还可以制作超导电缆、超导发电机等设备，用于实现更高效的能源转换和储存。
超导材料的应用还包括超导传感器、超导量子干涉仪、超导量子计算机等等，这些应用在量子信息科学、精密测量等领域有广泛的前景。
总结起来，大学物理中的超导现象是一种令人着迷的现象。
超导材料具有零电阻、完全反磁性和邻近效应等特性，可以在电力输送、电子元件、磁体、量子器件等领域得到广泛应用。
超导材料的研究和应用对于推动科学技术的发展具有重要意义。
超导材料的特征、发展及其应用
超导材料的特性、发展及其应用1.超导材料简介1.1 超导材料的三个基本参量超导材料是指在一定的低温条件下会呈现出电阻等于零以及排斥磁力线的性质的材料，其材料具有三个基本临界参量，分别是：1> 临界温度T c：破坏超导所需的最低温度。
T c是物质常数，同一种材料在相同条件下有确定的值。
T c值因材料而异，已测得超导材料T c值最低的是钨，为0.012K。
当温度在T c 以上时，超导材料具有有限的电阻值，我们称其处于正常态；当温度在T c以下时，超导体进入零电阻状态，即超导态。
2> 临界电流I c和临界电流密度J c：临界电流即破坏超导所需的最小电流，I c一般随温度和外磁场的增加而减少。
单位截面积上所承载的I c称为临界电流密度，用J c来表示。
3> 临界磁场H c：即破坏超导状态所需的最小磁场。
图1-1 位于球内的部分为超导状态超导材料的这些参量限定了应用材料的条件，因而寻找高参量的新型超导材料成了人们研究的重要课题。
以T c为例，从1911年荷兰物理学家昂纳斯发现超导电性(Hg，T c=4.2K)起，直到1986年以前，人们发现的最高的T c才达到23.2K(Nb3Ge，1973)。
1986年瑞士物理学家K.A.米勒和联邦德国物理学家J.G.贝德诺尔茨发现了氧化物陶瓷材料的超导电性，从而将T c提高到35K；之后仅一年时间，新材料的T c已提高到了100K左右。
如今，超导材料的T c最高已超过了150K[1]。
1.2 超导体的分类第Ⅰ类超导体：第I类超导体主要包括一些在常温下具有良好导电性的纯金属，如铝、锌、镓、镉、锡、铟等，该类超导体的溶点较低、质地较软，亦被称作“软超导体”。
其特征是由正常态过渡到超导态时没有中间态，并且具有完全抗磁性。
第I类超导体由于其临界电流密度和临界磁场较低，因而没有很好的实用价值[2]。
第Ⅱ类超导体：除金属元素钒、锝和铌外，第II类超导体主要包括金属化合物及其合金。
超导材料发展历程及现行理论解释与应用.pptx
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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
超导材料的特性与性能分析
超导材料的特性与性能分析引言超导材料是一类具有特殊电子性质的材料，它们能够在低温下表现出零电阻和完全抗磁性的特性。
自从超导现象被发现以来，人们对于超导材料的研究一直在不断深入。
本文将对超导材料的特性和性能进行分析，探讨其在科学和工程领域中的应用前景。
超导材料的基本特性超导材料的最显著特性是在临界温度以下表现出零电阻和完全抗磁性。
这意味着电流可以在超导体内无阻力地流动，而磁场则会被超导体完全排斥。
这种零电阻特性使得超导材料在电力输送和能源存储方面具有巨大的潜力。
超导材料的临界温度是其超导性质的关键参数。
传统的超导材料需要在极低的温度下才能实现超导状态，如液氮温度（77K）以下。
然而，随着对超导材料的不断研究，人们已经成功合成出了一些高温超导材料，其临界温度可以达到室温以下。
这种高温超导材料的发现极大地促进了超导技术的应用。
超导材料的性能分析除了零电阻和完全抗磁性外，超导材料还具有其他一些重要的性能。
以下是对超导材料性能的分析：1. 临界电流密度（Jc）：临界电流密度是超导材料能够承受的最大电流密度。
它是评估超导材料应用性能的重要参数。
高临界电流密度意味着超导材料可以在更高的电流下保持超导状态，从而提高其在电力输送和电磁设备中的应用效率。
2. 超导材料的稳定性：超导材料在外部磁场和电流的作用下可能会失去超导性。
因此，超导材料的稳定性是评估其应用性能的关键指标。
研究人员通过改进超导材料的结构和化学成分，以提高其稳定性。
3. 磁场响应：超导材料在外部磁场下的行为是研究的重点之一。
研究人员发现，超导材料对磁场的响应可以分为两种模式：Meissner效应和Bean模型。
Meissner效应是指超导材料在外部磁场下完全排斥磁通量，而Bean模型则是指超导材料在高磁场下会形成磁通束缚区域。
对于不同的应用需求，选择合适的超导材料对磁场的响应模式至关重要。
4. 超导材料的制备和加工：超导材料的制备和加工技术对于其性能的提高至关重要。
超导的原理与应用
超导的原理与应用超导材料的基本磁性特点1. 超导材料1.1超导材料的发现及简介1908年，荷兰莱登实验室在昂尼斯（Kamerlingh Onnes）的指导下，经过长期的努力，首次将氨液化，获得了4.2K的低温。
随后在1911年，他在研究水银的低温电阻随温度的变化时发现水银的电阻R在4.2K附近突然降到了零。
如图1-1所示。
昂纳斯把这种电阻突然消失的状态称之为超导态。
此后，他们又发现其他许多金属也具有超导现象，他们把这种能随温度降低而进入超导态的材料叫做超导材料，也叫做超导体。
很多物质都是超导材料。
在元素周期表中，常压下具有超导电性的就有26个，如：Pb、In、Sn、Al、Nb、V、Ta等，有的元素在常压下不能成为超导体，但在高压下就能进入超导态，如：（见附表1-1）。
Ge、Si等材料名称NbTi NbZr Tc（开）9.5 11 3.4-7.3 8.5 14.7 材料名称Nb3Sn Nb3Al Nb3Ge V3Ga Tc(开) 18.1 18.8 23.2 16.8 17 PbIn PbBi PbMo6S8 NbN 表1.1-1超导合金和超导化合物的转变温度除此之外，还有一些金属元素的合金，化合物也能呈现超导电性，称之为合金超导体和化合物超导体。
超导合金以PbIn、NbTi为代表，超导化合物以Nb3Sn、V3Ga为代表。
他们的Tc见表1.1-1。
迄今为止，具有超导性的元素、化合物以有数千种。
特别是近20年来，高温氧化物超导体的发现，有使超导体的类属增加了成千上万个，表1.1-2列出了一些主要的高温氧化物超导体及其Tc。
材料名称Tc (开) La2?xSrxCuO4 YBa2Cu3O7?? Bi2Sr2CaCu2O8 Bi2Sr2Ca2Cu3O10 ?40 Nd2?xCexCuO4 90 Ba1?xKxBiO3 85 Tl2Ba2Ca2Cu3O10 110 HgBa2Ca2Cu3O10 材料名称Tc (开) ?20 ?30 125136 表1.1-2 高温氧化物超导体的超导转变温度2. 超导材料的基本磁性特点2.1临界磁场现以一圆柱形（长度比直径大的多，可近似的看为无限长）超导体为例。
专题二 超导材料
强，利用价值就越高。
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三、超导材料的基本特性
1．零电阻效应
2．超导体的完全抗磁性（迈斯纳效应）
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1．零电阻效应
当温度T下降至某一数值以下时，超导体
的电阻突然变为零，这就称为超导体的零电阻 效应，也称为超导电性。
下图是汞在液氦温度附近电阻的变化行为。
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超导临界温度 Tc虽然与样品纯度 无关,但是越均匀
当通过样品的电流在样品表面产生的磁场达 到Hc时，超导电性就被破坏．这个电流的大小就 是样品的临界电流。
临界电流随温度变化的关系有
T2 I C (T ) I C0 [1 2 ] TC
式中，Ｉc０是绝对零度时的临界电流。
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超导材料基本物理特性： 临界温度Tc、 临界磁场Hc和临界电流Ic三个临界值。 超导材料只有处在这些临界值以下的状态时 才显示超导性，所以临界值越高，实用性就
超群的超导磁体
超导材料最诱人的应用是发电、输电和储能。
其频率是：
2eV /
1uv的直流电压，产生振荡的频率为 483.6
M Hz。
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六、 超导材料的分类
⑴ 常规超导体 ⑵ 高温超导体(HTS) ⑶ 其它类型超导体
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⑴ 常规超导体
相对于高温超导体而言，元素、合金和
化合物的超导转变温度较低 (以液氮温度77K 为界)，因此这类超导体被称为常规超导体。
新的隧道现象，即库柏电子对的隧道效应，
电子对穿过位垒后仍保持着配对状态。
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约瑟夫逊在研究电子对通过超导金属间的绝 缘层时指出，当两块超导体之间的绝缘层薄至接 近原子尺寸(10-20Å )时，超导电子可以穿过绝缘 层产生隧道效应，即超导体--绝缘体--超导体这样
介绍超导材料和超导器件的物理性质
介绍超导材料和超导器件的物理性质超导材料和超导器件的物理性质超导材料和超导器件是当前物理学和电子工程学的重要研究领域，其物理性质是超导技术能够发挥出色的关键。
本文将介绍超导材料和超导器件的物理性质，包括超导现象的本质、超导态的性质、超导体的稳定性、磁通量量子化效应以及超导磁体的性质等方面。
超导现象的本质超导现象指的是某些材料在低温下具有完全减少电阻的性质。
这种现象的本质在于，在超导材料中电子对通过库伦相互作用形成了配对，能够在凝聚态中存在。
在室温下，电子之间会受到来自晶体网络的散射影响而无法形成电子对，因而电阻出现。
但是当温度足够低以至于电子之间无法被散射或散射非常微弱时，这些电子形成了具有零总角动量的波函数，即“库珀对”。
超导态的性质超导态的性质指的是超导材料在超导发生时所具有的物理性质。
在超导发生时，超导材料的电阻降至零，并且磁通线不会通过材料（也不会被材料所透磁）。
此外，超导态还表现出一系列其他特殊的物理性质，例如电场和磁场的屏蔽效应、超导体内部的局部电流、超导对外界磁场和电场的敏感性等等。
超导体的稳定性超导体的稳定性是指超导态具有的保持和维持时间的能力。
由于超导体处于零电阻状态，它在外界环境中可以持续流动电流而不会产生能量损耗。
这意味着超导体本质上是超稳定的，能够保持其超导性质在恒定电流下长期维持。
然而，过渡到正常态的临界电流极限是必须考虑的因素，即超导电流密度在超过一定值后会将材料从超导态转变为正常态，导致电阻突然增加并且产生局部的能量耗散。
磁通量量子化效应当磁场进入一个超导体时，它通常不能完全穿过材料并输出反面，因为这会导致超导体的磁通密度不断变化，从而违反能量守恒定律的原则。
量子力学证明了磁通量具有量子化的效应，即超导体中的磁通被约束在固定的单元大小（磁通量子）上，这种磁通量子化效应是超导现象的重要特征。
超导磁体的性质超导磁体是利用超导体的物理性质制成的电路元件，是当今高端电力、电子工程、核技术领域重要的设备。
超导无定形碳-概述说明以及解释
超导无定形碳-概述说明以及解释1.引言1.1 概述：超导无定形碳是一种新型的超导材料，具有独特的结构和性能特点。
本文将介绍超导无定形碳的基本特性和研究进展，探讨其在超导领域的潜在应用和未来发展方向。
通过对超导无定形碳的综合介绍，希望能够为读者提供更深入的了解和认识，促进该领域的进一步研究和发展。
.1 概述部分的内容1.2 文章结构文章结构部分包括了本文的章节组成和内容安排。
本文分为引言、正文和结论三部分。
- 引言部分主要包括了概述、文章结构和目的。
在这一部分，我们将简要介绍超导无定形碳这一主题的背景和意义，以及本文的结构和目的。
- 正文部分主要包括了超导材料简介、无定形碳的特性和超导无定形碳的研究进展。
在这一部分，我们将详细介绍超导材料的基本概念和特性，以及无定形碳作为新型超导材料的特点和研究进展情况。
- 结论部分主要包括了总结、未来展望和意义和应用。
在这一部分，我们将总结本文的主要内容和研究成果，展望未来超导无定形碳研究的发展方向，并探讨其在科学研究和实际应用中的意义和潜力。
1.3 目的本文旨在介绍超导无定形碳这一新兴领域的研究进展，探讨其在超导材料中的潜在应用。
为了更好地理解超导无定形碳的特性和潜力，我们将深入探讨其在超导材料领域中的优势和挑战，并展望未来可能的发展方向。
通过本文的研究和分析，希望可以为相关领域的研究人员提供新的思路和启示，推动超导无定形碳的研究和发展。
2.正文2.1 超导材料简介超导材料是一种在低温下表现出零电阻和完全抗磁性的材料。
这些材料能够让电流在其内部无阻碍地流动，从而在电力输送、磁共振成像等领域具有重要的应用价值。
超导材料通常具有两个关键的特性：临界温度和临界磁场。
临界温度是指材料在该温度以下可以表现出超导的特性，而临界磁场则是在该磁场值以下可以维持超导状态。
目前已经发现了多种不同类型的超导材料，包括传统的金属超导体、高温超导体和铁基超导体等。
其中，高温超导体由于其相对较高的临界温度，被广泛应用于实际领域。
超导材料
超导材料，是指具有在一定的低温 条件下呈现出电阻等于零以及排斥 磁力线的性质的材料。现已发现有 28种元素和几千种合金和化合物可 以成为超导体。
技术原理
零电阻
超导材料处于超导态时电阻为零，能够无损耗地传 输电能。如果用磁场在超导环中引发感生电流，这 一电流可以毫不衰减地维持下去。这种“持续电流” 已多次在实验中观察到。 抗磁性 超导材料处于超导态时，只要外加磁场不超过一定 值，磁力线不能透入，超导材料内的磁场恒为零。
发展历史
1911年，荷兰物理学家昂尼斯(1853～1926)发现，水银的电阻率并 不像预料的那样随温度降低逐渐减小，而是当温度降到4.15K附近 时，水银的电阻突然降到零。某些金属、合金和化合物，在温度降 到绝对零度附近某一特定温度时，它们的电阻率突然减小到无法测 量的现象叫做超导现象，能够发生超导现象的物质叫做超导体。超 导体由正常态转变为超导态的温度称为这种物质的转变温度(或临 界温度)TC。现已发现大多数金属元素以及数以千计的合金、化合 物都在不同条件下显示出超导性。如钨的转变温度为0.012K，锌为 0.75K，铝为1.196K，铅为7.193K。 超导体得天独厚的特性，使它可能在各种领域得到广泛的应用。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。 1986年，高温超导体的研究取得了重大的突破。掀起了以研究金属 氧化物陶瓷材料为对象，以寻找高临界温度超导体为目标的“超导 热”。全世界有260多个实验小组参加了这场竞赛。
临界电流和临界电流 密度
超导体的临界温度Tc与其同位素质量M有关。M越大，Tc 越低，这称为同位素效应。例如，原子量为199.55的汞同 位素，它的Tc是4.18开，而原子量为203.4的汞同位素，Tc 为4.146开。 通过超导材料的电流达到一定数值时也会使超导态破坏 而转变为正常态，以Ic表示。Ic一般随温度和外磁场的增 加而减少。单位截面积所承载的Ic称为临界电流密度，以 Jc表示。
超导材料
超导材料：具有在一定的低温条件下呈现出电阻等于零（零电阻）以及排斥磁力线（抗磁性）性质的材料。
研究历史：荷兰物理学家昂内斯在1908年成功的液化了氮气，1911年发现汞在4.2K下电阻突然消失，即超导现象。
1913年获得诺贝尔奖。
1973年，发现超导合金――铌锗合金（Nb3Ge），其临界超导温度为23.2K，这一记录保持了近13年。
1986年，高温超导体的研究取得了重大的突破，掀起了以研究金属氧化物陶瓷材料为对象，以寻找高临界温度超导体为目标的“超导热”。
1986年，美国IBM公司的研究中心报道了一种氧化物（镧钡铜氧化物La-Ba-Cu-O）具有36K的高温超导性。
1987年，亨茨维尔亚拉巴马大学的吴茂昆及其研究生，与休斯顿大学的中华民国科学家朱经武和他的学生共同发现了钇钡铜氧(Y-Ba-Cu-O)，这是首个超导温度在77K以上的材料，突破了液氮的“温度壁垒”（77K）。
也因此引发了对新高温超导材料的研究热潮。
随后，中国科学家赵忠贤以及中华民国科学家朱经武相继在钇－钡－铜－氧系材料上把临界超导温度提高到90K以上。
1987年底，铊－钡－钙－铜－氧系材料(Tl-Ba-Ga-Cu-O)又把临界超导温度的记录提高到125K。
从1986－1987年的短短一年多的时间里，临界超导温度提高了近100K。
2001年，二硼化镁(MgB2)被发现其超导临界温度达到39K。
此化合物的发现，打破了非铜氧化物超导体的临界温度纪录。
特性：零电阻性：超导材料处于超导态时电阻为零，能够无损耗地传输电能。
抗磁性：超导材料处于超导态时，只要外加磁场不超过一定值，磁力线不能透入，超导材料内的磁场恒为零。
（磁悬浮列车）临界参量临界温度：外磁场为零时超导材料由正常态转变为超导态(或相反)的温度，以Tc表示。
Tc值因材料不同而异。
已测得超导材料的最低Tc是钨，为0.012K。
到1987年，临界温度最高值已提高到100K左右。
现在，日本发现超导陶瓷临界温度可达14℃。
超导材料
储能环—可用于瞬时放电 优点：功率大、质量轻、体积小、损耗小、反应 快
大功率激光器
超导材料——电子学应用
原理： 因电“库柏对”的隧道效应， 用厚度为0.2纳米的绝缘层把 两地超导体间隔开后再结合。 形成SIS结时，会产生在电压 为零时也会出现导电流的现象。 这一现象被称为约瑟夫逊效应。 超导计算机
BCS理论把超导现象看作一种宏观量子效应。金属中自旋 和动量相反的电子可以配对形成所谓“库珀对”，库珀 对在晶格当中可以无损耗的运动，形成超导电流。
超导材料历史来源
超导的发现和发展，与低温的获得密切相关。传统的低 温环境主要依靠液化气体来实现，如液氢的沸点是20 K。 1908年，荷兰莱顿实验室的昂内斯（Karmerlingh Onnes）等将最难液化的气体——氦气成功液化，并获 得液氦的沸点为4.2 K。通过液氦进一步节流膨胀技术可 以获得低至1.5 K的低温环境。
超导材料及应用
制作：黄文峰
简介
超导材料，是指具有在一定的低温条件下呈现出电阻等 于零以及排斥磁力线的性质的材料。 特性：零电阻，抗磁性
Tc临界温度
超导原理
临界温度：导体从正常导电状态变为超导电状态时的转变 温度。超导体的临界温度与同位素的质量之间存在一定 的关系。
超导的微观理论（BCS）：
区别：此处采用的高温超导材 料属于二型超导体。对于二型 超导体，存在两个临界场—— 下临界场Hc1和上临界场Hc2。 当外磁场H小于Hc1时，产生 完全的抗磁性，体内磁场为0； 当外磁场H介于Hc1和Hc2之 间时，会有部分磁场穿透超导 体，产生穿透的位置是量子化 的。
超导磁流体推进器
超导电磁流体推进是把电能直接转换成流体动能，以喷 射推进取代传统螺旋桨推进的新技术。
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王宁博士(左）用电镜观察纳米 碳管，旁为汤子康博士。
电镜下的纳米碳管
Science, 2001, 292, 2462
N. Wang, Z. K. Tang, G. D. Li, J. S. Chen, Nature 2000, 408, 50
第40页
四、超 导 材 料的应用
从目前的研究情况来看，超导技术的应用可分成三类： 用超导材料作成磁性极强的超导磁铁，用于核聚变研 究和制造大容量储能装置、高速加速器、超导发电机和 超导列车，以解决人类的能源和交通问题； 用超导材料薄片制作约瑟夫逊器件，用于制造高速电 子计算机和灵敏度极高的电磁探测设备；
• Hexagonal AlB2 type structure (P 6/m m m)
• Alternating layers of hexagonal Mg and honeycomb B
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Fermi Surface
2D Bonding px,py () 3D Bonding pz () 3D Antibonding pz ()
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T 2 = 6.4Tc [1 ( )] Tc
1 2
正常态 能 量 费米能
正常态
20
超导态 超导态 T＝0K, 0K<T<Tc
2
费米能
能隙随温度变化的曲线
超导体的能隙
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三、超 导 材 料的种类
第22页
周期表中的元素超导体
大多数过渡元素和稀土元素都具有超导性；碱金属、铜、银、金，以及 一些铁磁和反铁磁元素未发现其超导电性。元素超导体中，铌具有最高 临界转化温度(9.2K)；只有钒、铌和钽属于第二类，其他元素均属第一 类; 大多数超导合金和化合物则属于第二类。
第6页
吴茂昆
朱经武
钇钡铜氧化合物,1987年2月，92K
赵忠贤
陈立泉
第7页
锶镧铜氧(1987年初，48.6K)、钡镧铜氧、钇钡铜氧系材料， 铋系超导体
二、超导电性的基本特征
Zero Resistance Meissner Effect No Power Loss Act as Magnet
Critical Properties
超导电子材料（弱电）
超导微波器件（YBCO高温超导薄膜） 超导量子干涉器件（SQUID）
铜稳定化多芯扭绞 超导线材Nb3Sn的截面 Tc=18.2K
高温超导材料
镧、钇、铋、铊等系列氧化物陶瓷及一些长链或环状结构的有机物
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目前已被发现的高温超导体 ——铜基氧化物超导体分为五大家族
（1）稀土214家族。化学通式一般写为(R, Ba)2CuO4-x，R表示某一 种稀土元素。至少有十种稀土元素可以用来合成这个家族的超导态。这 个化学分子式中含两个（R，Ba）类原子，一个Cu原子，4个氧原子， 所以被称为214结构。在晶格中，R和Ba的位置是等价的，所以这里把 它们看作一类原子。由于一般地讲，在晶格中存在着氧原子少缺，所以 在分子式中写成O4-x。这个家族的超导转变温度约为36K。 （2）稀土123家族。化学通式为RBa2Cu3O7-x，R同样表示某个稀土 元素。至少有13种稀土元素可以用来合成这个家族的超导体。因为这 个家族的分子式中金属元素的个数分别为1，2和3，所以人们把这三种 家族称为123超导体家族。因为元素的增多，人们习惯上不再把氧原子 写出来表示这个家族。由于这个家族被发现的第一个成员的稀土元素是 钇（Y），所以人们也常把123家族称为钇家族。123家族的超导转变 温度为90K左右。
第17页
H
Hc
正常态 超导态
0
Tc
T
第二类超导体
H Hc2
B 0, r = 0
N
Mixed T Tc
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Hc1
B = 0,
S r
= 0 Meissner
第二类超导体的相图
混合态
Flux penetrates above the lower critical field Hc1 Superconductivity survives up to the upper critical field Hc2 Type II T<Tc 0<H<Hc1 T<Tc Hc1<H<Hc2
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（3）铋超导家族
铋超导家族的化学通式为Bi2Sr2Can-1CunO2n+4，n=2,3。也就是 说这个家族有两个成员，即Bi2Sr2CaCu2O8和Bi2Sr2Ca2Cu3O10。习
惯上称为铋2212相和铋2223相。铋2212相的超导转变温度为85K，
铋2223相的超导转变温度为110K。在铋2223相中，如果用Pb少量 地取代Bi，材料的超导性能会得到改善。
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（4）铊超导家族
铊超导家族是高温超导体中最大的家族。又可分为两个分族。 第一个分族的分子通式为Tl2Ba2Can-1CunO2n+4，n=1,2,3…。这个家族有三 个主要成员，即2201相，2212相和2223相。2201相（Tl2Ba2CuO6）的超 导转变温度为90K，2212相（Tl2Ba2CaCu2O8）的超导转变温度为110K。 2223相（Tl2Ba2Ca2Cu3O10）的超导转变温度为125K。因这一分族的每个 成员的分子式里都含有两个Tl原子，在晶体结构上对应两个铊原子层，所 以人们又把这个分族叫做铊双层分族。 另一个分族的化学分子通式为Tl(Ba,Sr)2 Can-1CunO2n+3， n=1,2,3。这个通式 中的(Ba,Sr)表示这个位置可以是Ba也可以是Sr。当这个位置的原子是Sr时， Ca可以被某一种稀土元素（R）部分取代。能参与取代的稀土元素达15种之 多。这个家族的主要成员在晶体结构上有三个，即1201相，1212相和1223相。 因为每个相的(Ba,Sr)的位置都可以是Ba或者是Sr，所以结构上的三个相在化 学组成上就分成了TlBa2CuO5, TlSr2CuO5；TlBa2CaCu2O7，TlSr2CaCu2O7； TlBa2Ca2Cu3O9，TlSr2Ca2Cu3O9 6个成员。而每个含Sr的成员的Ca又可以被 稀土元素取代。所以这个分族有成员几十个。因这个分族每一个分子中只含 一个铊原子，即在晶格中只有一层铊原子，所以人们又常把这个分族称为铊 单层分族。铊单层分族的1201相、1212相和1223相的超导转变温度分别为 45K，95K和120K。
• (quasi) 2D cylinders derived from orbitals • 3D sheets from orbitals • two superconducting gaps:6.8 meV, 1.8 meV
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MgB2的性质
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Tc= 15 K
沸石晶体内的超导纳米碳管
超导材料简介
超导概述 超导电性的基本特征
超导材料的种类
超导材料的应用
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一、超 导 概 述
昂内斯(1853～1926) 荷兰低温物理学家 1908年成功地液化了氦气，1911年发现了 某些金属在液氦温度下电阻突然消失，即 “超导电性”现象，于 1913年获诺贝尔奖。
昂内斯(中间白衣者)在他 所创立的低温实验室内
氧
90.2K
氮
77.3K
氮
4.2/1.7K
Hg
4.15K
In
3.4K
Sn
3.7K
Pb
7.2K
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1957年巴丁、库珀和施里弗合作创建了超导微观理论 (BCS)，于1972年获诺贝尔奖。这一理论能对超导电性 作出正确的解释，并极大地促进了超导电性和超导磁体 的研究与应用。
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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。
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（5）汞超导家族
汞超导家族的化学通式为HgBa2Can-1CunO2n+2+x，n=1,2,3…。因 这个家族的晶格中一般地有多余的氧原子存在，所以在氧的下标上 有"+x"。这个家族的主要成员有HgBa2CuO4，HgBa2CaCu2O6+x和 HgBa2Ca2Cu3O8+x，即1201相、1212相和1223相，这三个相的转 变温度分别为85K，120K和133K。其中1223相中的133K是迄今为 止所发现的在常压下最高的超导临界转变温度。
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。
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物体是否为超导体的实验判据
电阻（率）-温度曲线，磁化率-温度曲线，比热容-温度曲线
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实 例
水银的零电阻效应 MgB2的x-T曲线
锡在正常态(N)和超导态(S)的比热容
18.1
NbTi
9.5
V3Ga
16.5
Nb3Ge
23.2
• 组成元素只有一种是超导元素或都不具有超导性
合金 Tc (K)
La2C3 5.9~11.0
C8K 9.5
MgB2 39
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化 合 物 超 导 体
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从应用角度对超导材料分类
强磁场（电）超导材料
1 2 3 4
铌钛（NbTi）合金，Nb3Sn等金属间化合物
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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。
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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
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
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4. 超导隧道效应