超导微观理论
电阻的微观理论和超导体讲义
则平均漂移速度 电流密度为
2 j nev ne( eE / v me ) (ne / v me ) E E
eE v v me
t /v
eEt v me
其中，电导率为
ne v me
2
从金属的电子理论导出了欧姆定律的微分形式 和电导率的表达式。
a F / m e eE / m e
由于电子与点阵碰撞，电子不 能一直加速， + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
电子定向速度增加受到限制， 电子只在两次碰撞之间加速
电子两次碰撞的时间间隔为t ，上次碰撞后的初速度为
万有引力的时空弯曲示意图
超导机制的核心（2）－电子对相干
金属中电子混乱
超导体中电子 对步调一致， 所有电子对可 以看作一个整 体，运动不易 受外界影响
高温超导体的发现：1986年1月柏诺兹和缪勒，发 现钡镧铜氧化物是超导体
发现了高温铜氧化物超导体，揭开了人类对超导 技术的开发的序幕
• 已故超导材料权威
• 电子固有的热运动以 外，因电场的作用， 还获得与场强方向相 反的加速度, 并做有规 则的定向运动
离子 (+)
4、电阻的起源
电子
电场
金属自由电子气体模型的近似
• 除了电子与晶格碰撞一瞬间以外，忽略电子与晶格之间 的相互作用，即“自由电子近似”
2-3 超导体的基本理论
（2）BCS理论 二流体模型和伦敦方程虽然可以解释一些超导现象，
但是不能揭示那种奇异的超导电子究竟是什么。1957年， 巴丁、库柏和施里佛提出了超导电性量子理论，称为BCS 超导微观理论。1972年获得了诺贝尔物理学奖。
BCS理论证明了低温下材料的超导电性起源于物质 中电子与声子的相互作用。当电子间通过声子的作用而产 生的吸引力大于库仑排斥力时，电子结合成库柏电子对， 使系统的总能量降低而进入超导态。在超导的基态与激发 态之间有一等于电子对结合能的能隙△（T），超导电子 对不接受小于能隙的能量。
M Tc 常数
对于大多数超导体，α=1/2。同位素效应使人们想到电 子-声子相互作用与超导电性有密切的联系，因而对超导理 论的建立产生了重要的影响。需要指出的是高温氧化物超导 体表现出很弱的同位素效应。
2.3.4 超导电性的微观机制 自超导现象发现以来，科学界一直在寻找能解释超
导这一奇异现象的理论，先后提出唯象理论，BCS理论 等。这些理论各有其合理性，同时也存在局限性。他们 在机理上并不互相排斥，相反可以互相补充。但到目前 为止，所有理论的一个严重不足之处就是，他们并不能 预测实际的超导材料的性质，也不能说明由哪些元素和 如何配比时才能得到所需临界参量的超导材料，尤其对 于高温超导现象还没有比较完善的理论加以解释。下面 简单介绍解释超导电现象的理论和微观机制。
晶体中电子是处于正离子组成的晶格环
境中，带负电荷的电子吸引正离子向它
靠拢；于是在电子周围又形成正电荷聚
集的区域，它又吸引附近的电子。电子
间通过交换声子能够产生吸引作用。
电子与正离子相互作用形 成库柏电子对示意图
当电子间有净的吸引作用时，费密面附近的两个电子将
形成束缚的电子对的状态，它的能量比两个独立的电子的总
第六章超导微观理论
由于相当于“对算子”的外势场，所以又称为对 势。 利用玻戈留玻夫正则变换可将以上哈密顿对角化
Ck uk k vk k,
Ck uk k vk k C uk vk k
|E|, 当V0时，E不能展开为V的幂级数，说明Cooper问题不能用微扰论求解
超导问题不能用微扰论求解
Cooper对的尺寸 利用测不准关系： cp ~
c为Cooper 对的半径
c ~
F EF ~ ~ ~ 104 cm p | E | k F | E |
EF为电子伏级， kF ~ 108 cm1, | E |~ 104 eV量级。
H coul
1 4e 2 2 C C C C 2 k1 q , 1 k 2 q , 2 k 2 , 2 k1 , 1 2 q ,k1 ,k2 q
1 , 2
两电子间净的相互作用势
1 4e 2 H ' (Vk1 ,q 2 ) C C k q , k q , Ck , Ck , 2 q ,k1 ,k2 q 2 1 1 2 2 2 2 1 1
FeAs基超导， Tc ~ 50K
液氮的温度为~77K。
超导体的基本属性可由下列3个特征表示 1. 超导态是一种新的凝聚态 T<Tc时，比热容不再与T成线性关系，变为指数式的温度关系。 T<Tc时，超导态的自由能比正常态低，因为必须加磁场Hc才能破坏超导性， 使金属恢复电阻，回到正常态。 Hc称为临界磁场。
他们得出了超导态的本征能量及波函数，解释了低温超导现象。
这里介绍简单的自洽场近似法求BCS约化哈密顿的本征函数和本征值 （其实质与BCS变分法相同）
超导电性的微观机制及其应用
超导电性的微观机制及其应用超导现象是指某些物质在低温下表现出的零电阻和完全磁场排斥的特性。
这个神奇的现象在实际应用中具有广泛的潜力，例如超导电缆、磁悬浮列车和MRI设备等。
要理解超导现象的微观机制，我们需要了解它的起源和相关理论。
超导现象的理论基础是由约瑟夫·巴丁、约翰·巴丁和恩里科·费米等人在20世纪50年代初提出的。
他们基于费米-狄拉克统计原理和电子与晶格之间的相互作用来解释超导电性。
根据这个理论，当某些金属或合金被冷却到超导转变温度以下时，电子会以成对的方式聚集在一起形成所谓的库珀对。
这些电子通过库珀对与晶格振动相互作用，从而导致电阻为零。
在更详细的层面上，超导电性的理论可以用BCS理论来描述。
BCS 理论认为，超导电性是由于电子与晶格之间的相互作用导致了库珀对的形成。
在超导体中，晶格的振动形成了一种被称为声子的粒子，它们传递相互作用给电子。
这种相互作用使得电子能够成对出现，形成库珀对。
库珀对的形成使得电子能够在整个超导体中以一种协同的方式运动，从而导致零电阻和磁场的排斥。
超导现象的应用非常广泛。
其中一个最重要的应用是超导电缆。
超导电缆由超导体和包裹超导体的保护层构成。
由于超导体的零电阻特性，超导电缆可以输送大电流而无能量损耗。
这使得超导电缆在电力输送中具有巨大的潜力，可以实现更高效、更可靠的电力传输。
另一个重要的应用是磁悬浮技术。
通过在磁铁上放置超导体，可以实现磁悬浮效应。
超导体在低温下对磁场具有完全的排斥，因此可以使物体浮在磁场中。
这种技术在磁悬浮列车和磁浮风力发电等领域得到了广泛应用，可以实现高速、低能耗的运输和发电方式。
此外，超导体还被广泛应用于医学领域。
MRI（磁共振成像）是一种通过利用超导磁体产生强磁场的技术来观察人体内部结构的方法。
超导磁体能够提供非常强大的磁场，在医学图像诊断中起到关键的作用。
总之，超导电性的微观机制可以通过BCS理论解释。
超导现象具有零电阻和磁场排斥的特性，可以在超导电缆、磁悬浮技术和医学领域等多个应用中发挥作用。
超导介绍及应用PPT课件
(6)科学工程和实验室应用
• 科学工程和实验室是超导技 术应用的一个重要方面，它 包括高能加速器、核聚变装 置等。高能加速器用来加速 粒子产生人工核反应以研究 物质内部结构，是基本粒子 物理学研究的主要装备。
当通过超导体中的电流达到某一特定值时， 又会重新出现电阻，使其产生这一相变的电 流称为临界电流 临界磁场(Hc): 逐渐增大磁场到达一定值后，超 导体会从超导态变为正常态，把破坏超导电 性所需的最小磁场
临 界 温 度
(Tc)
临界磁场
逐渐增大磁场到 H 达一定值后，超导体 会从超导态变为正常 Hc(0) 态，把破坏超导电性 所需的最小磁场称为 临界磁场，记为Hc。
超导发电机
在电力领域，利用超导线 圈磁体可以将发电机的磁场强 度提高到5万～6 万高斯，并且 几乎没有能量损失，这种发电 机便是交流超导发电机。超导 发电机的单机发电容量比常规 发电机提高5～10倍，达1万兆 瓦，而体积却减少1/2，整机重 量减轻1/3，发电效率提高50％
超导限流器
超导限流器是利用超 导体的超导/正常态转变 特性，有效限制电力系 统故障短路电流，能够 快速和有效地达到限流 作用的一种电力设备。 超导限流器集检测、触 发和限流于一体，反应 速度快，正常运行时的 损耗很低，能自动复位， 克服了常规熔断器只能 使用一次的缺点 。
巴丁、库柏、施里弗
巴丁、库柏、施里弗获得了1972年诺贝 尔物理奖
BCS理论的三个观点
bcs是什么意思
bcs是什么意思
bcs意思是：
常规超导体微观理论。
BCS理论是解释常规超导体的超导电性的微观理论（所以也常意译为超导的微观理论）。
该理论以其发明者约翰·巴丁、利昂·库珀和约翰·施里弗的名字首字母命名。
BCS理论中作出了一个重要的假设：电子之间存在吸引力。
在典型的I型超导体中，这种力是由于电子和晶格之间的库仑吸引力。
晶格中的电子将导致其周围的正电荷轻微增加。
正电荷的增加又会吸引另一个电子。
这两个电子被称为库珀对（cooperpair）。
如果将这些电子结合在一起所需的能量小于试图将它们分开的晶格的热振动的能量，则这个库珀对将保持互相约束的状态。
这也解释了为什么超导要求低温--晶格的热振动必须足够小以允许库珀对的形成。
在超导体中，电流由这些库珀对而不是单独的电子形成。
高二物理竞赛课件：超导电性的微观理论图象
能源工业： 超导贮能调节电网负荷、超导磁体约束的等离子体
和可能产生的核聚变
电子学方面： 超导计算机研究：计算速度高，体积小，功
耗低，使用方便，信息储存量大
医学和生物方面：核磁共振计算机断层诊断装置(NMR-CT)、
超导量子干涉场、低消耗
2、超导电缆
电能在零电阻输送，完全没有损耗
3、超导储能
超导体圆环置于磁场中，降温至材料临界温度以下，撤去磁场， 由于电磁感应，圆环中有感生电流产生。只要温度保持在临界温 度以下，电流便会持续。
高温超导实用化——诱人前景
电力能源方面：输电电缆、发电机、电动机、变压器超导化超导
超导电性的微观理论图象
三、如何基于库柏对的概念描述超导电性？
◇当超导体为非载流状态时，无论是库柏对还是正常态电子在动量空 间分布是均匀的，没有择优方向，所以无电流存在； ◇在载流情况下，库柏对的质心动量不为零，所有库柏对都获得了一 个大小相等的质心动量； ◇声子对对库柏对中电子的散射只是将一个库柏对变成了另一个库柏 对，并改变库柏对的整体动量，所以载流库柏对所产生的电流是无电 阻的； ◇拆散一个库柏对需要一个最低能量，所以较小的电流密度的能量不 足以拆散库柏对。
超导电性的微观理论图象
超导电性的微观理论图象
一、电子－声子如何相互作用？
何种电子可以形成库柏对？
超导电性的微观理论图象
一、电子－声子如何相互作用？
何种电子最易形成库柏对？
超导电性的微观理论图象
二、超导能隙是如何形成的？
◇尽管电子之间的相互作用是排斥的，但是由于库柏对借助声子交换 形成，具有净的的相互吸引，所以能量是负的； ◇库柏对一旦形成，体系能量就下降，而且固体中的库柏对越多，体 系的能量愈低； ◇拆散一个库柏对需要一个最低能量，所以超导态和正常态存在能隙； ◇由于温度越高库柏对越易拆散，能隙是温度的函数，温度越高，能 隙越小，当T＝TC 时，能隙为零。
1972年诺贝尔物理学奖
1972年诺贝尔物理学奖1972年物理学奖，颁发给了三位美国的物理学家，他们是约翰·巴丁（John Bardeen）、利昂·库珀（Leon NCoope）和约翰·施里弗（John R.Schrieffer，1931—2019），他们曾在同一个实验室工作过，并且创立了以他们名字的第一个字母为缩写的BCS超导微观理论。
其中巴丁是第二次获得这一奖项（第一次获奖是1956年），是物理学史上唯一两次获得这一荣誉的人。
约翰·巴丁（John Bardeen，1908—1991），他的生平在前面已经介绍过，在这里不再重复。
早在20世纪50年代早期，巴丁就已经开始考虑超导电性的问题。
他意识到电子与声子的相互作用是解决问题的关键。
1953年，施里弗来到伊利诺伊大学，在巴丁的指导下攻读物理学博士学位，并选择超导问题作为博士论文题目。
在普林斯顿高等研究院的杨振宁的推荐下，刚从哥伦比亚大学获得博士学位不久的库柏开始与巴丁和施里弗进行合作，研究超导的微观机制。
从20世纪30年代开始，巴丁就接触到了超导电性，他对这种现象长期得不到解释甚为担忧，认为这是理论物理学界的耻辱。
E.伦敦（E.London）认为，超导电性是一种宏观尺度上的量子现象，他的能隙概念和对迈斯纳效应的重视，对巴丁很有启发。
1940年，巴丁曾经尝试对超导电性进行解释，他认为关键在于费米面（描述金属中电子状态的动量空间中的等能面）是起因于微小点阵位移而出现的一些小能隙，1在紧靠费米面下面的态的电子能量被降低，处于这种态的电子具有非常小的有效能量、很大的轨道和很强的抗磁性。
巴丁的这一解释是不成功的。
1941年，巴丁参加战时军事研究，只好把超导电性的研究暂时放下。
1950年，由于麦克斯韦（E.Maxwell）等人发现超导体的同位素效应，促使巴丁回到超导电性的研究上来。
当巴丁听到这一效应的发现时，马上想到有可能是一种电子和声子的相互作用。
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
第18页
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
第30页
（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。
超导现象的巨观和微观理论解释
超导现象的巨观和微观理论解释超导是物理学中一种引人注目的现象，指的是一些物质在低温下表现出完全无电阻的特性。
超导现象的原理一直是科学家们研究的焦点之一，对于揭示其微观机制和应用于实际中具有重要意义。
本文将从巨观和微观两个层面探讨超导现象的理论解释。
首先，我们从巨观层面入手，观察超导现象的整体特性和性质。
当某些物质被冷却到一个临界温度以下时，就会出现超导现象。
在超导状态下，电流可以无损耗地在材料内部流动，这意味着电流可以在超导体内无限延续下去而不会受到阻力。
这种特性使得超导材料在电力输送、电子器件制造等领域具有广泛的应用潜力。
对于超导现象的巨观解释，目前最被广泛接受的理论是BCS理论，即“巴丁-库珀-斯坦因理论”。
BCS理论认为，超导是由于电子与晶格振动之间的相互作用导致的。
在低温下，晶格振动会形成一种被称为“库珀对”的特殊态，电子通过与这些库珀对的相互作用而形成一个整体，从而形成了超导现象。
BCS理论的核心是超导能隙的形成。
超导能隙是指在超导体中，电子必须具有一定的能量以克服超导材料产生的能隙才能从一个能级跃迁到另一个能级。
这就是为何只有在低温下才能观察到超导现象。
超导能隙的形成和库珀对的形成密切相关，库珀对提供了足够的能量使电子跃迁，进而产生超导现象。
接下来，我们来探讨超导现象的微观解释。
超导的微观机制可以从电子的运动和相互作用的角度进行解释。
在超导材料中，电子之间存在相互排斥的库伦力，这会导致电子在晶格中受到散射，并且能量会损失到晶格中去。
然而，在低温下，电子与晶格振动的相互作用会导致电子和晶格之间的相互作用具有吸引力，形成库珀对。
库珀对的形成是超导现象的关键步骤。
正常情况下，库伦排斥力会使得电子间的相互作用能增加，从而阻碍超导的发生。
但在超导材料中，晶体格子振动引起的吸引力抵消了库伦排斥力，形成了库珀对。
这种库珀对是由电子和晶格共同参与的量子态，具有特殊的运动和相互作用方式。
库珀对的产生降低了电子之间的相互作用能，使得电子可以在超导材料中自由地流动而不受到散射的干扰。
超导简介
2. 超导体的临界磁场 Hc 当通到线圈的电流产生的磁场超过一定强度 时，超导体 会突然 就变成 正常导体 ，出现了电 阻。这种大到一定强度就破坏超导态的磁场值， 叫做 临界磁场， 用 Hc 表示。
问题1.是不是一旦超过临界磁 场，超导态就真的消失了？
第一類超導體(Type I)
Type I 超導體: 外加磁場一旦超過超導臨界磁場值，超導狀態便消失，讓所有 外加磁場穿過。
磁悬浮列车 具有低噪音、无污 染、安全舒适和高速高 效的特点。
由铋、锶、钙、铜和氧构成的高温超导材料 已制成超导导线，比常规铜线运载电流大100倍。 1998 年7月，北京有色金属研究总院与兄弟单位 共同研制成我国第一根 1 米长的铋系高温超导直 流输电模型电缆，运载电流达到 1200 安 ，使我 国顺利成为世界上少数几个掌握这一技术的国家。
2000 年 11月 26日北京有色金属研究总院宣
超导体的三个临界参量 1. 超导体的临界温度 Tc
在Байду номын сангаас定值的温度下，电阻突然变到零，或 者 说电阻完全消失 ，这种 状态 称为 超导态 ( superconducting state )， 而具有这种特性的物质就称为 超导体 ( superconductor ) 。
超导体在刚刚进入超导态的温度叫作 超导临 界温度 ( superconducting critical temperature )， 用 Tc 表示。
布，设在该院的超导材料研究中心研究成功 我国 第一根百米长的铋系高温超导带材 ，表明我国超 导材料研究从实验室迈向应用阶段 ，达到国际先 进水平。
此次研制成功的高温超导带材长 116 米，宽
3.6 毫米，厚为 0.28 毫米 ，以螺旋管方式缠绕， 用四引线法全长度测量，77 K 液态温度自场下临 临界电流达 12.7 安培。 高温超导带材达到 100 米以上就可进入生产
超导物理的基本概念及应用
超导物理的基本概念及应用1. 超导现象的发现超导现象是指在特定条件下，某些材料的电阻突然降为零的现象。
这个现象最早由荷兰物理学家海克·卡末林·昂内斯在1911年发现。
他在实验中发现，当汞的温度降至4.2K（-268.95°C）时，其电阻突然下降到无法测量的水平。
此后，许多其他材料也被发现在超低温下表现出超导性质。
2. 超导物理的基本概念2.1 库珀对超导现象的微观解释是库珀对理论。
1956年，美国物理学家列昂·库珀提出了库珀对的概念。
库珀对是由两个电子组成的束缚态，它们之间通过声子相互作用而保持相对稳定的状态。
在超导体中，大量的库珀对可以无阻力地通过材料，从而实现零电阻。
2.2 伦敦方程伦敦方程是描述超导材料中磁场的分布的方程。
英国物理学家弗雷德里克·伦敦在1935年提出了这个方程。
伦敦方程表明，在超导体内部，磁场线是圆形的，且相互排斥。
这种现象称为迈斯纳效应。
2.3 临界温度和临界磁场临界温度（Tc）是指材料从正常态转变为超导态的温度。
临界磁场（Hc）是指材料能够承受的最大磁场。
不同材料的临界温度和临界磁场不同。
例如，汞的临界温度为4.2K，临界磁场为1.8T；铝的临界温度为13.5K，临界磁场为1.2T。
3. 超导体的类型根据临界温度的不同，超导体可以分为三类：3.1 高温超导体高温超导体是指临界温度在液氮温度（77K）以上的超导体。
高温超导体的发现是超导物理研究的重要突破。
1986年，德国物理学家卡尔·穆勒和俄罗斯物理学家亚历山大·阿布拉莫夫发现了第一个高温超导体——钇钡铜氧化物（YBCO）。
高温超导体的出现使超导技术的应用成为可能。
3.2 低温超导体低温超导体是指临界温度在液氮温度以下的超导体。
常见的低温超导体有汞、铅、锡等。
低温超导体在实验室和研究领域中得到了广泛应用，如磁悬浮列车、核磁共振成像等。
3.3 室温超导体室温超导体是指在室温（约20°C）下就能表现出超导性质的材料。
超导体的经典电磁理论
超导体的经典电磁理论摘要自超导现象被发现以来，众多物理学家致力于探索超导的物理机制和新型超导材料的研发。
研究发现，超导体是量子多体系统，超导电性和迈斯纳效应是宏观量子效应，因此超导理论必须是建立在量子力学基础上的微观理论。
然而，超导微观机理的建立经历了一个艰巨而曲折的漫长过程，直到超导发现近50年后，超导微观理论才被建立。
在BCS理论出现并对常规超导体的超导电性进行解释之前，对超导电性的认识中，以经典电动力学为根本的唯象理论起到了非常重要的作用，其中包括伦敦唯象理论和金兹堡-朗道(G-L)理论，它们都在一定程度上对超导体的宏观电磁性质做出了解释。
本文主要介绍伦敦唯象理论，其基本思想是以麦克斯韦方程为基础，建立超导电流与电场的局域关系，即伦敦方程，并由此对超导电性和抗磁性做出解释。
关键词：超导电性，抗磁性，二流体模型，伦敦方程前言超导的发现和发展，与低温的获得密切相关。
1911年以来，陆续发现某些元素、合金、化合物或其他材料，当温度下降至某临界温度Tc以下时，其电阻变得微乎其微，这种现象称为超导电性。
随着研究的深入，在1933年又发现超导体具有抗磁性，这种现象称为迈斯纳效应。
超导电性和抗磁性是超导体最重要的两个宏观性质，一种材料是否为超导体，零电阻态和完全抗磁性必须同时具备。
超导现象发现之后，人们又陆续研究了其他金属和合金是否在低温下具有超导电性。
20世纪70年代以前发现的超导体主要是元素超导体（包括金属和半导体）和合金超导体，临界温度一般为几K，最高不超30K。
不难看出，金属和合金以及简单金属化合物的超导临界温度都很低，这些称为常规超导体。
1957年，美国科学家巴丁、库珀和施里弗用电子——声子建立的BCS理论对常规超导体的超导电性成因及其一系列性质非常成功的做出了解释。
理论的成功建立意味着人们对超导的认知更加深入，但低临界温度却意味着实现超导态需要依赖非常昂贵的液氦来维持低温环境，极大地制约了超导研究和超导应用。
超导材料发展历程及现行理论解释与应用.pptx
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。
4
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-2013
Tc does not exceed 10K in pure elements under normal conditions. Pb (7.19K), Nb (9.25K)
Superconductivity in binary and ternary compounds
Superconducting solid solutions of transition metals In contrast to intermetallic compounds, they are quite ductile.
Nb0.75Zr0.25 (Tc=11K) and Nb0.75Ti0.25 (Tc=10K) have become technologically the most important superconducting materials
Superconducting intermetallic compounds
NaCl-type struture
Non-crystalline metallic superconductors Two kinds: Formed by transition elements (La,Zr,Nb) and Au, Pd（钯）,Rh(铑) Formed by metals doped with semimetals (P,B,Si, C and Ge)
正常态
超导态
有经验公式：
Hc(T)=Hc(0)(1-T /Tc )
2 2
Tc
T
(3) 临界电流: Ic
V
当通过超导体中的电流达到 某一特定值时，又会重新出 现电阻，使其产生这一相变 的电流称为临界电流，记为 Ic。目前，常用电场描述 Ic(V) ，即当每厘米样品长度 上出现电压为1V时所输送 的电流。 对于第一类超导体： Ic=1/2 aHc
第十章超导介绍
几个重要概念：
1. 临界温度(Tc)：出现超导电性 的温度称为超导转变温度。 2. 起始转变温度：电阻由正常 值开始陡然下降时的温度。 3. 超导转变的可逆性：即当降 低温度至Tc时，样品电阻突然 降为零；当加热样品使温度达 到Tc时，电阻又会突然恢复正 常值，这个过程可以反复进行.
4. 超导转变宽度：电阻由正常值开始陡然下降到完全消失 的温区。对于非常纯的样品，转变宽度可小至10-5K。而较 差的样品转变宽度可扩大到几K甚至十几K．新发现的高温 氧化物超导体的超导转变宽度就相对于传统超导体更宽．
MgB2超导体在应用上的契 机更让人激动。首先，这个 超导体在20 K左右的温度， 在8万倍于地球磁场的情况 下可以承载很大的超导电流 而且能耗极低。
（2）MgCNi3 2001年，He T.等发现 三元金属间化合物超导体 MgCNi3 (超导转变温度 Tc~7 K)，它具有三维简 单立方钙钛矿结构，其Ni 元素含量高，因而颇引人关 注。Mg、C 和Ni 分别对 应钙钛矿CaTiO3 中的Ca、 Ti 和O。 有可能成为联结两大超导材料(金属化合物和钙钛矿结 构氧化物)的纽带。
经过反复检查后， 卡末林· 昂内斯终于证 实了这是真实的情况。
昂内斯因对物质 低温性质的研究和液 氦的制备而获得1913 年度的诺贝尔物理学 奖。
1911年
H. Kamerlingh Onnes发现汞(Hg)在绝对温度4.2度附近 呈现超导性(获1913年诺贝尔物理学奖)
1913年
1914年 1930年
2. 临界磁场与临界电流 当T<Tc时，当施加磁场强 度达到某一值Hc(T)时，超导 态就会变为正常态，恢复正常 电阻值。H<Hc(T)为超导态， H>Hc(T)为正常态，转变同样 具有可逆性。把Hc(T)称为临 界磁场，它是温度的函数。
超导相变机理的微观理论
超导相变机理的微观理论超导现象是固体物理学中的重要现象之一，其具有高电导、零电阻和磁场排斥等特点，对能源传输、电子器件等领域具有广泛的应用前景。
超导材料在低温下显示出这些独特的性质，但其具体的相变机理却一直以来都是科学家们研究的焦点。
本文将就超导相变机理的微观理论进行论述。
1. 超导材料的基本特性超导材料是指在低温下，电阻突然减为零的材料。
其超导特性可分为两类：一类是Type-I超导体，磁场在超导转变温度下完全被排斥出材料；另一类是Type-II超导体，磁场在临界磁场下进入材料形成磁通线，但电流仍然无阻碍地通过。
这些特性相信与材料电子结构和能带的相关信息密切相关。
2. 超导相变的微观理论在材料研究中，研究者首先发现，绝大部分超导体的超导转变与电子对（Cooper pair）的形成和破裂有关。
Cooper pair是一对电子，在晶体中通过库伦相互作用形成一对具有相反自旋的束缚态。
当材料处于超导态时，Cooper pair的形成能量下降，对电子的相互作用强化使得这对电子对能够通过晶格存在较长的寿命。
基于BCS理论，Bardeen、Cooper和Schrieffer提出了描述超导相变的微观理论，BCS理论。
该理论认为超导的本质是电子-晶格的相互作用引发的电子对_condensate_相变。
其关键观点包括：电子在晶格振动场中发生配对（Cooper pair）；电子对具有玻色性质，可与振动的晶格模式相互作用；当温度降低到临界临界温度时，超导态形成并且电子对开始在晶格中运动。
3. BCS理论的关键步骤BCS理论中描述了电子配对的形成和超导相变的关键步骤。
总结起来，主要包括以下几个方面：a. 电子与晶格的相互作用：晶格振动产生了电子间的吸引力，这种吸引力可以被看作是一个传递相互作用，即库伦相互作用。
b. Cooper pair的形成：在超导转变温度以下，传导带上电子和费米能级以下的能量态可以形成状态密度较高的电子对，而这些电子对被称为Cooper pair。
超导体的微观机理与唯象理论的研究
超导体的微观机理与唯象理论的研究引言：超导体是一种在低温下表现出无电阻电流传导现象的材料。
它具有重要的理论和实际应用价值，例如在能源传输、磁共振成像、电子器件等方面都有广泛的应用。
本文将重点讨论超导体的微观机理与唯象理论的研究，包括超导现象的物理定律、实验准备和过程，并探讨其在其他专业性角度的应用。
一、超导现象的物理定律1. 超导的临界温度：根据超导现象的临界温度，超导体可以分为低温超导体和高温超导体。
对于低温超导体，其临界温度通常在几开尔文以下。
根据BCS理论，低温超导体的超导性来源于库伦相互作用引起的电子配对。
而对于高温超导体来说，其临界温度可以达到液氮的沸点（77K），并且不需要太强的电子-电子相互作用即可形成电子配对。
2. 零电阻电流：超导体在超导态时的最显著特征之一是零电阻电流，即电流可以在超导体内部无阻抗地流动，这是超导现象的本质特征之一。
这是由于电子配对导致的库伦相互作用减弱了散射过程，电流的传输不会受到电阻的限制。
3. 磁场抗拒现象：超导体在零阻态下对外界磁场表现出完全的抗拒，这被称为迈斯纳效应。
根据迈斯纳效应，当磁场越过超导体表面时，在超导体内部会形成一个抵消外磁场的屏蔽区域，使得磁场无法渗入超导体内部。
二、实验准备和过程1. 实验器材：进行超导体的微观机理研究需要一系列实验器材，包括低温制冷设备、电磁炉、氦气瓶、超导体样品等。
低温制冷设备用于将超导体冷却到其临界温度以下，以观察超导现象的发生。
电磁炉用于加热样品，以探索高温超导体的特性。
而氦气瓶则用于提供低温制冷所需的液氦。
2. 实验过程：在实验过程中，首先需要选择合适的超导体样品，并使用低温制冷设备将其冷却到超导态的临界温度以下。
然后，通过电磁炉进行加热实验，观察高温超导体的临界温度和其他性质。
实验过程中需要测量电阻、磁场、电压等参数，以获得相关的物理数据和曲线。
三、应用和其他专业性角度1. 超导磁体：超导磁体是应用超导体材料制造的磁体器件，具有巨大的磁场强度和高能效的特点。