超导材料 PPT
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第三章超导材料-PPT
超导体发展简史
1986年: LaBaCuO(铜氧化物超导体); Tc达35K;
1987年: YBaCuO; Tc为92K,进入液氮温区;
1993年: HgBaCaCuO; Tc为135K(高压下163K);
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; 氯仿与溴仿结合C60— 117K; 3、 氧化聚丙烯:300K —700K; 4、 掺杂了钾与铷得菲:5K
B B0
Bx B0exp - x
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;
穿透深度约为10-5 ~10-6 cm。
由于超导体得完全抗磁性,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 得范围内流动;
Superconductor
② Hc1< H < Hc2: 超导体失去完全抗磁性,磁力线开始穿过超导体内部;并且随着外磁场得增大,
进入超导体内得磁力线逐渐增多;
Superconductor
H
超导区
正常区
磁力线进入超导体内,说明超导体内部分区域转变为正常态,其余部分仍处于 超导态,称这时得超导体处于混合态;
Schrieffer将电子对得物理图像与当时流行得舞蹈Frug作了类比,在这种 舞蹈中跳舞者在舞池中相互分离,中间隔了许多其它人,但就是她们始终就是一对 。
钉扎作用可以有效得提高临界电流密度Jc,在第二类超导体中产生晶格缺陷或 掺入杂质: ➢ 用各种粒子(中子或各种离子)辐照高温超导体后,其Jc可提高两个数量级; ➢工业生产得NbTi线,临界电流密度2×10-4 ~ 10-5A/cm2,一根没有缺陷得NbTi线, 临界电流密度几乎为零。
1986年: LaBaCuO(铜氧化物超导体); Tc达35K;
1987年: YBaCuO; Tc为92K,进入液氮温区;
1993年: HgBaCaCuO; Tc为135K(高压下163K);
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; 氯仿与溴仿结合C60— 117K; 3、 氧化聚丙烯:300K —700K; 4、 掺杂了钾与铷得菲:5K
B B0
Bx B0exp - x
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;
穿透深度约为10-5 ~10-6 cm。
由于超导体得完全抗磁性,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 得范围内流动;
Superconductor
② Hc1< H < Hc2: 超导体失去完全抗磁性,磁力线开始穿过超导体内部;并且随着外磁场得增大,
进入超导体内得磁力线逐渐增多;
Superconductor
H
超导区
正常区
磁力线进入超导体内,说明超导体内部分区域转变为正常态,其余部分仍处于 超导态,称这时得超导体处于混合态;
Schrieffer将电子对得物理图像与当时流行得舞蹈Frug作了类比,在这种 舞蹈中跳舞者在舞池中相互分离,中间隔了许多其它人,但就是她们始终就是一对 。
钉扎作用可以有效得提高临界电流密度Jc,在第二类超导体中产生晶格缺陷或 掺入杂质: ➢ 用各种粒子(中子或各种离子)辐照高温超导体后,其Jc可提高两个数量级; ➢工业生产得NbTi线,临界电流密度2×10-4 ~ 10-5A/cm2,一根没有缺陷得NbTi线, 临界电流密度几乎为零。
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)
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R A(r)
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其中， 并且假设 a
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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。
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
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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。
超导材料获奖课件
热学性质及大多数电磁性质都是这种电子配正确成果。
(2) 元素或合金旳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，它们能够从电阻率来估计，当UN(EF) << l时，BCS理论预测临界温度
：
θD为德拜温度。
(3) 一种金属假如在室温下具有较高旳电阻率，冷却时就有更大可能成为超导体。
η＝0时为完全无序，η＝1时为完全有序。
超导性质和有关理论
二级相变理论旳基础：三个基本假设
金兹堡-朗道方程
gs (H ) gn (0)
2
2
4 1 2m
i
eA 2 B2
20
BH
超导性质和有关理论
老式超导体旳微观机制- BCS理论
二流体模型，伦敦方程和金兹堡-朗道理论作为唯象理论在解释超导电 性旳宏观性质方面取得了很大成功，然而这些理论无法给出超导电性旳微 观图像。
1 ( js ) B
数形式迅速衰减为零。
超导性质和有关理论
金兹堡-朗道理论
1950年，京茨堡和朗道在二级相变理论旳基础上提出了超导电性旳 唯象理论，简称GL理论。 GL理论把二级相变理论应用于正常态与超导态旳相变过程，其独到之 处是引进一种有效波函数ψ作为复数序参量。 ｜ψ｜2 代表超导电子密度。 1937年朗道曾提出二级相变理论，以为两个相旳不同全在于秩序度旳 不同，并引进序参量η来描述不同秩序度旳两个相。
9.5
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超导材料旳种类 化合物超导体
超导材料旳种类
强磁场（电）超导材料
铌钛（NbTi）合金，Nb3Sn等金属间化合物
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）
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。
超导材料的应用举例课件
VS
详细描述
超导储能系统利用超导线圈在磁场中快速 旋转的原理，实现大容量电能的储存和释 放。由于超导材料的零电阻特性，电能传 输效率极高，充电和放电过程迅速且高效。 超导储能系统在电网调峰、分布式能源并 网等领域具有广泛的应用前景。
超导材料在磁悬浮列车中的应
04
用
磁悬浮列车的原理
磁悬浮列车利用磁场力克 服重力，使车体悬浮于轨 道之上。
超导量子计算
总结词
超导量子计算是利用超导材料实现量子比特的一种技术路线，具有可扩展性强、操作精 度高、稳定性好等优点。
详细描述
超导量子计算利用超导材料的磁通量子化和约瑟夫森效应等特性，实现量子比特的控制 和操作。由于超导材料成熟的半导体制造工艺，使得超导量子计算成为目前最有前景的
技术路线之一。
超导计算机的未来展望
利用超导材料的特殊性质，可以构建能耗极低的计算机，有 助于实现高效能计算。
超导材料在电力传输与存储中
03
的应用
超导电缆
总结词
超导电缆利用超导材料在低温下电阻为零的特性，实现电能的高效传输。
详细描述
超导电缆采用超导材料作为导体，在低温环境下，超导材料电阻为零，因此电能传输过程中几乎无损 耗，相比传统电缆能够显著提高传输效率。此外，超导电缆还具有体积小、重量轻、高可靠性等优点。
总结词
随着超导材料和技术的不断发展，超导计算 机有望在未来成为高性能计算的重要选择。
详细描述
目前，超导计算机已经在一些特定领域展现 出强大的计算能力，如天气预报、大数据分 析、人工智能等。未来，随着超导材料性能 的不断提升和制造工艺的改进，超导计算机 有望在更多领域得到应用，成为下一代高性
能计算的重要选择。
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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：
其中Ic0是绝对零度时的临界电流
超导材料
目录 CONTENTS
1 超导发展概述 2 超导性质和相关理论 3 超导材料的种类 4 超导材料的应用
01 超导概述
超导发展概述
1908年，荷兰莱顿大学的Onnes首次实现氦的液化， 获得了4.2K的低温，为研究低温条件下物质导电打开了 方便之门。1911 年，荷兰物理学家卡麦林·昂尼斯首次意 外地发现了超导现象：将水银冷却到接近绝对零度时， 其电阻突然消失。后来他又发现许多金属(例如铝、锡)和 合金都具有与水银相类似的特性：在低温下电阻为零 （超导体的电阻率小于目前所能检测的最小电阻率10-26 Ω·cm，可以认为电阻为零）。，由于它的特殊导电性能， 昂尼斯称之超导态。 至今已发现有28种元素、几千种合金和化合物是超导体。我们通常称这些金 属或金属合金的超导体为常规超导体。
超导性质和相关理论
超导与温度、电流密度和磁场的关系
超导性质和相关理论
迈斯纳效应
1933年，德国物理学家迈斯纳和奥森菲尔德对锡单晶球超导体 做磁场分布测量时发现，在小磁场中，把金属冷却到超导态时，超导体 内的磁通线全部被排斥出去，保持体内磁感应强度B等于零，超导体的 这一性质被称为迈斯纳效应。超导体内磁感应强度B总是等于零，即， 的元素金属有32种（如 图元素周期表中青色方框 所示）,而在高压下或制成 薄膜状时具有超导电性的 元素金属有14种（如图元 素周期表中绿色方框所示）
超导性质和相关理论
超导的发展
➢自超导电性发现以来，经过70多年的努力，常规超导体临界温度只能提高到 23K。 ➢1986 年 初 ， 物 理 学 家 Mueller 和 Bednorz 发 现 了 高 温 铜 氧 化 物 超 导 体 La2xBaxCuO4，超导临界温度达40K。 ➢1987 年 2 月 ， 美 国 华 裔 科 学 家 朱 经 武 和 中 国 科 学 家 赵 忠 贤 相 继 在 钇 （YBa2Cu3O7）系材料上把超导临界温度提高到90K以上，液氮的禁区（77K） 也奇迹般地被突破了。 ➢1987年底，Tl-Ba-Ca-Cu-O系材料又把临界超导温度的记录提高到125K。随后 更有在常压下 Tc 高达 133K，在高压下达 164K的汞系铜氧化物超导被发现。这 些都已远远超过了 BCS 理论下得到的 40K 的麦克米兰极限。而铁基超导的发现， 再次颠覆了人们的认识。此前人们认为，磁性是不利于超导配对的。因此在探索 超导材料时往往避开了有磁性的铁元素，直到 2008 年铁基超导材料被发现。此 后，铁基超导也跻身于高温超导家族。
超导隧道结（约瑟夫森结）示意图
约瑟夫森(Josephson)效应：1962年， 英国物理学家约瑟夫森在研究超导电性的量 子特性时提出了量子隧道效应理论，也就是 约瑟夫森效应。
该理论认为：电子对能够以隧道效应穿 过绝缘层，在势垒两边电压为零的情况下， 将产生直流超导电流。而在势垒两边有一定 电压时，还会产生特定频率的交流超导电流。 在该理论的基础上诞生了一门新的学科—— 超导电子学。
超导性质和相关理论
超导相关理论 * 二流体模型 * 伦敦方程 * 金兹堡-朗道方程 * BCS 理论
超导性质和相关理论
传统超导体的超导电性理论
二流体模型
早期为了解释超导体的热力学性质，1934年戈特和卡西米尔提出超导电性 的二流体模型，它包含以下三个假设：
(1) 金属处于超导态时，自由电子分为两部分：一部分叫正常电子，另一部分叫 超流电子, 正常电子在晶格中有阻地流动，超流电子在晶格中无阻地流动，两部 分电子占据同一体积，在空间上相互渗透，彼此独立地运动，两种电子相对的数 目是温度的函数。
二流体模型对超导体零电阻特性的解释是：当T<Tc时，出现超流电子， 它们的运动是无阻的，超导体内部的电流完全来自超流电子的贡献，它们 对正常电子起到短路作用，正常电子不载荷电流，样品内部不存在电场， 也没有电阻效应。
从这个模型出发可以解释许多超导实验现象，如超导转变时电子比热 的“λ”型跃变等。伦敦正是在这个模型的基础上建立了超导体的电磁理论。
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：
其中Ic0是绝对零度时的临界电流
超导材料
目录 CONTENTS
1 超导发展概述 2 超导性质和相关理论 3 超导材料的种类 4 超导材料的应用
01 超导概述
超导发展概述
1908年，荷兰莱顿大学的Onnes首次实现氦的液化， 获得了4.2K的低温，为研究低温条件下物质导电打开了 方便之门。1911 年，荷兰物理学家卡麦林·昂尼斯首次意 外地发现了超导现象：将水银冷却到接近绝对零度时， 其电阻突然消失。后来他又发现许多金属(例如铝、锡)和 合金都具有与水银相类似的特性：在低温下电阻为零 （超导体的电阻率小于目前所能检测的最小电阻率10-26 Ω·cm，可以认为电阻为零）。，由于它的特殊导电性能， 昂尼斯称之超导态。 至今已发现有28种元素、几千种合金和化合物是超导体。我们通常称这些金 属或金属合金的超导体为常规超导体。
超导性质和相关理论
超导与温度、电流密度和磁场的关系
超导性质和相关理论
迈斯纳效应
1933年，德国物理学家迈斯纳和奥森菲尔德对锡单晶球超导体 做磁场分布测量时发现，在小磁场中，把金属冷却到超导态时，超导体 内的磁通线全部被排斥出去，保持体内磁感应强度B等于零，超导体的 这一性质被称为迈斯纳效应。超导体内磁感应强度B总是等于零，即， 的元素金属有32种（如 图元素周期表中青色方框 所示）,而在高压下或制成 薄膜状时具有超导电性的 元素金属有14种（如图元 素周期表中绿色方框所示）
超导性质和相关理论
超导的发展
➢自超导电性发现以来，经过70多年的努力，常规超导体临界温度只能提高到 23K。 ➢1986 年 初 ， 物 理 学 家 Mueller 和 Bednorz 发 现 了 高 温 铜 氧 化 物 超 导 体 La2xBaxCuO4，超导临界温度达40K。 ➢1987 年 2 月 ， 美 国 华 裔 科 学 家 朱 经 武 和 中 国 科 学 家 赵 忠 贤 相 继 在 钇 （YBa2Cu3O7）系材料上把超导临界温度提高到90K以上，液氮的禁区（77K） 也奇迹般地被突破了。 ➢1987年底，Tl-Ba-Ca-Cu-O系材料又把临界超导温度的记录提高到125K。随后 更有在常压下 Tc 高达 133K，在高压下达 164K的汞系铜氧化物超导被发现。这 些都已远远超过了 BCS 理论下得到的 40K 的麦克米兰极限。而铁基超导的发现， 再次颠覆了人们的认识。此前人们认为，磁性是不利于超导配对的。因此在探索 超导材料时往往避开了有磁性的铁元素，直到 2008 年铁基超导材料被发现。此 后，铁基超导也跻身于高温超导家族。
超导隧道结（约瑟夫森结）示意图
约瑟夫森(Josephson)效应：1962年， 英国物理学家约瑟夫森在研究超导电性的量 子特性时提出了量子隧道效应理论，也就是 约瑟夫森效应。
该理论认为：电子对能够以隧道效应穿 过绝缘层，在势垒两边电压为零的情况下， 将产生直流超导电流。而在势垒两边有一定 电压时，还会产生特定频率的交流超导电流。 在该理论的基础上诞生了一门新的学科—— 超导电子学。
超导性质和相关理论
超导相关理论 * 二流体模型 * 伦敦方程 * 金兹堡-朗道方程 * BCS 理论
超导性质和相关理论
传统超导体的超导电性理论
二流体模型
早期为了解释超导体的热力学性质，1934年戈特和卡西米尔提出超导电性 的二流体模型，它包含以下三个假设：
(1) 金属处于超导态时，自由电子分为两部分：一部分叫正常电子，另一部分叫 超流电子, 正常电子在晶格中有阻地流动，超流电子在晶格中无阻地流动，两部 分电子占据同一体积，在空间上相互渗透，彼此独立地运动，两种电子相对的数 目是温度的函数。
二流体模型对超导体零电阻特性的解释是：当T<Tc时，出现超流电子， 它们的运动是无阻的，超导体内部的电流完全来自超流电子的贡献，它们 对正常电子起到短路作用，正常电子不载荷电流，样品内部不存在电场， 也没有电阻效应。
从这个模型出发可以解释许多超导实验现象，如超导转变时电子比热 的“λ”型跃变等。伦敦正是在这个模型的基础上建立了超导体的电磁理论。