第三章 超导材料

HgBaCaCuO的
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Tc为135K，加压后变为163K。
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2. 临界磁场强度Hc
在小于Tc的一定温度下，外加磁场强度大于某一特定值Hc时，超导体的 超导态被破坏，转变为正常态，Hc被称为临界磁场强度。
临界磁场是温度的函数，记为Hc（T） ；
不同的超导体，它们的Hc（T）曲线 尽管有差异，但都非常相似：
水银电阻随温度的变化
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Fra Baidu bibliotek
几个概念： 超导电性：低温下失去电阻的性质； 超导体：具有超导电性的物质。
临界温度（Tc）：电阻消失时的温度，即从正常态转变为超导态时的温度； 超导态：超导体在超低温下电阻为零的状态； 正常态：当温度较高，电阻不为零的状态。
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3-2 超导材料的发展历史
极低温下电阻的可能变化
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Hg在4.2K时，电阻完全消失！
“Mercury has passed into a new state， which on account of its extraordinary electrical properties may be called the superconductive state.”
第三章
超导材料
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3-1 超导现象的发现
☺1895：空气被液化 -192℃ （81K） ☺1898：氢气被液化 -253℃ （20K） ☺1908：氦气被液化 -268.9 ℃ （4.25K ）
“绝对零度先生”
荷兰物理学家 Kammerlingh Onnes （ 1853-1926）
803
293
99
52
30
)奥斯特104=特斯拉1（
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超导体的相图
正常态 超导态
临界温度Tc和临界磁场Hc是超导体的本征参数，只跟材料的电子结构有关。
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超导体分为两类：第一类超导体和第二类超导体；
第一类超导体（软超导体）：只有一个临界磁场Hc， 除铌、钒、锝以外的元素超导体，主要用于固体物理和超导理论研究。
H
B=0 H
as
迈斯纳效应和零电阻现象是实验上判定一个材料是否为超导体的两大要素。
超导体的定义：具有在一定的低温下呈现出电阻等于零及排斥磁力线性质的材料。
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2.1 穿透深度 在外磁场中的超导体，从体外到超导体内，磁感应强度不会突然降为零，而是 逐渐减小为零：
B B0
B xB 0ex -xp
0
1
（1 - t 4）2
0：材料在绝对零度时的穿透深度；
t：温度T与临界温度Tc的比值，即
t T 。
Tc
2）穿透深度 还与材料的纯度及外加磁场有关：超导体的非局域理论。
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2.2 迈斯纳效应的应用
磁悬浮
f
S
N
mg
省能源、低噪音、高时速；
1999年，日本研制的超导磁悬浮列车 时速已达552公里，创世界铁路时速最 高记录。
氯仿和溴仿结合C60— 117K；
？ 3. 氧化聚丙烯：300K —700K；
4. 掺杂了钾和铷的菲：5K
新型超导体
MgB2 40K
铁基超导体
LaO1-xFxFeAs：26K； SmO1-xFxFeAs：43K； PrO1-xFxFeAs：52K
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3-3 超导体的两个基本电磁特性
B0 e
X O
磁场强度降为B0/e处距离超导体表面距离，称为穿透深度，通常用 表示； 在X > 区间：认为磁感应强度衰减到零；在0 < X < 区域，磁场可以穿透；
。cm 6-10~ 5-10穿透深度约为
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由于超导体的完全抗磁性，在 X > 区域，磁力线不能穿过，因此电流不能由 超导体内通过，只能在表面穿透深度 的范围内流动；
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3-4 超导的三个临界条件
1. 临界温度Tc
超导转变温度Tc，超导体最重要的参数之一，提高Tc是超导研究最主要的目标；
常用的超导体Tc的测量方法：
1）测量电阻（R）随温度（T）的变化：R-T曲线；
零电阻效应
2）测量磁化率（x）随温度（T）的变化：x-T曲线；
迈斯纳效应
加压可以提高超导体的临界温度：
1. 零电阻效应
电流在超导体中一旦形成，便能经久不衰的持续下去，而无需电场的作用。
电阻
Perfect conductor
ρ0
T 0 TMT s
温度
I 10 5 yrs dI dt
T s ：起始转变温度
T 0 ：零电阻温度
T M ：中点温度
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2. 完全抗磁性（迈斯纳效应）
当超导体处于超导态时，若周围存在着磁场H，在超导体表面会感生出屏蔽电流， 从而产生一个恰好能抵消外磁场的附加磁场，使外磁场完全不能进入超导体内部， 这种完全抗磁性又称迈斯纳效应。
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影响穿透深度的因素
1）穿透深度紧密的依赖于温度的变化： 温度远低于Tc： 几乎与温度无关，不同材料具有不用0值； 温度高于0.8Tc：穿透深度 迅速增加； 温度接近Tc：穿透深度 趋于无穷大。
Sn的穿透PP深T学度习随交流温度的变化
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穿透深度 随温度T的变化，常用如下的经验公式：
1986年： LaBaCuO（铜氧化物超导体）； Tc达35K；
液氮温度（77K） 液氢温度（20K）
超导体发展简史
1987年： YBaCuO； Tc为92K，进入液氮温区；
1993年： HgBaCaCuO； Tc为135K（高压下163K）；
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有机超导体
1. 电荷转移复合物：最高Tc为12.5K； 2. 掺杂C60：钾掺杂—18K；铷掺杂— 28K；铯铷掺杂— 33K；
穿透深度又定义为：超导体中电流流动的表面层厚度。
元素
In Sa Hg
Pb Tl Cd Al
0 （ cm 10-6 ）
6.4
5.1
3.8- 4.6
3.9
9.2
13.0
5.0
对于块材：穿透深度远小于样品的尺寸，可以忽略磁通的穿透，看成是完全 抗磁性的；
对于粉末或者薄膜：磁通量的穿透变得非常重要，样品内有明显的磁通密度 分布，需要单独进行研究。
T=0K：Hc最大； T=Tc：Hc=0; 0 < T < Tc：Hc（T）随温度升高而减小。
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Hc（T）曲线都可以近似的表示为：
H（T）H（
C
C
0）1-TTC
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Hc(0)：0K时的临界磁场，超导体任何温度下的临界磁场可以由Hc(0)和Tc确定。
元素
Pb
In
Al
Zn
Cd
Hc(0),(Oe)