低温下的物理效应

物理效应及其应用
第五讲低温下的量子效应
1986年4月发现钡一镧氧化物制成的陶瓷材料具有35K的转变温度， 1986年12月23日日本宣布研制出37．5K的超导材料； 1986年12月25号美国贝尔实验室获得40K的超导材料； 1986年12月26号中国科学院获得48．6K的超导材料； 1987年2月16号休斯顿大学美籍华人朱经武获得98K的超导材料； 1987年2月14号中国物理学家赵忠贤获得110K的超导材料；
超导悬浮
？超导体内部磁场变为零时，由于电流沿超导体表面流过，
这表面电流产生的磁场与外磁场抵偿的结果。
5-10
物理效应及其应用
第五讲低温下的量子效应
临界电流
1913年翁内斯发现，当在超导线中的电流 超过某一临界值时，超导线转变为正常态， 1914年他又用实验表明，超导态也可以被 外加磁场破坏，相应的电流称为临界电流 Ic， 相应的磁场称为临界磁场Hc。 左图为Nb3Sn的磁场，电流与温度的关系。
在无外加磁场情况下，临界电流在超导体表面所产生 的磁场恰好等于临界磁场。
5-11
物理效应及其应用
第五讲低温下的量子效应
BCS理论是用量子力学来描述超导体系统状态的理论。
1957年，美国依利诺伊大学的物理学家巴丁、库柏和施里弗提 出了这一理论，后来以三位科学家姓名第一个大写字母命名， 称之为 BCS理论。这一理论的核心是计算出导体中存在电子相 互吸引从而形成一种共振态，即存在“电子对”（称为库柏对 (Cooper‘s pairs)，该理论较好地解释了超导现象。正常态的电子 是互相排斥的，超导态时，电子相互作用，使电子两两相互吸引， 形成电子对，称之库柏对。含有库柏对电子的金属具有较低的能 态。量子力学可以说明电子对的总动量在与金属正离子碰撞时不 损失，在低能态下，库柏对电子就像无阻力的流体一样易于流动。 因此巴丁、库珀、施里弗荣获1972年诺贝尔物理奖。 超导电性：ρ=0，B=0.
特征参数：临界温度TC，临界磁场HC(T)，临界电流密度jc 。
5-12
物理效应及其应用
第五讲低温下的量子效应
―库柏对”的产生 因为金属中的电子并不完全自由，他们通 过点阵相互发生相互作用，即当一个自由电子吸引邻近的点阵 离子时，邻近的点阵离子会向自由电子靠拢，是晶格发生畸变， 局部正电荷密度变大——局部正电荷性，吸引别的电子，仅效 果是一个自由电子和另一个自由电子互相吸引。低温时两个自 由电子束缚成一个集团——电子对（库柏对）。 在室温下，金属中不可能有大量自由电子组成稳定的电子 对，因为晶格离子的无规则热运动会破坏瞬间存在的分子轨道， 使自由电子不可能组成稳定的电子对。
超导隧道效应
5-15
物理效应及其应用
第五讲低温下的量子效应
正常电子隧道：当两块金属被一个薄的绝缘体分开时，在它们 之间可以有电流通过，称此金属-绝缘体-金属叠层为隧道结； 电流称为隧道电流。（N-I-N 结） 绝 缘 体
金属 超导体 金属 I
V
超导隧道：当一块金属变成一个超导体时结电阻猛烈地增加。 （N-I-S 结）。单电子隧道
第五讲低温下的量子效应
超导输电在原则上可以做到没有焦耳热的损耗，因而可节省大 量能源；用超导线圈储存能量在军事上有重大应用，超导线圈 用于发电机和电动机可以大大提高工作效率、降低损耗，从而 导致电工领域的重大变革. ②超导技术在交通运输方面的应用 动用超导体产生的强磁场可以研制成磁悬浮列车，车辆不受 地面阻力的影响，可高速运行，车速达500km/h以上，若让超 导磁悬浮列车在真空中运行，车速可达1600km/h，利用超导体 制成无摩擦轴承，用于发射火箭，可将发射速度提高3倍以上. ③超导技术在电子工程方面的应用
物理效应及其应用
第五讲低温下的量子效应
1962年约瑟夫森正在英国剑桥大学当研究生。他从理论上作 出预言，对于超导体-绝缘层-超导体互相接触的结构（也叫S-I－ S结构），只要绝缘层足够薄，超导体内的电子对就有可能穿透 缘层势垒，导致如下效应： （1）在恒定电压下，既有直流超导电流产生，也有交流超流，其 频率为2eV/h； （2）在零电压下，有直流超流产生，这一 电流对磁场非常敏感，磁场加大，电流将迅 速减小； （3）如果在直流电压上再叠加一交流电压， 其频率为v，则会出现一零斜率的电阻区， 在这个区域内电流有傅里叶成分，电压V 与v的关系为2eV/h＝nv（其中n为整数）。
物理效应及其应用
第五讲低温下的量子效应
国家科委(91)国科发高字126号 关于印发《超导技术战略目标汇报会纪要》的通知
中国科学院院长周光召同志说：“超导是物理学、材料科学 中最热门的前沿。在全世界激烈竞争的情况下，中国的科学家 和研究生们，奋力拼搏，在各方面做出了很好的成绩，表示了 中国科技界这部分力量是非常宝贵的，是值得我们国家引为骄 傲的一支科技力量。”
用超导技术制成各种仪器，具有灵敏度高、噪声低、反应快、 损耗小等特点，如用超导量子干涉仪可确定地热、石油、各 种矿藏的位置和储量，并可用于地震预报. 5-17
物理效应及其应用
第五讲低温下的量子效应
④超导技术在生物医疗方面的应用 超导磁体在医学上的重要应用是核磁共振成像技术，可分辨 早期肿瘤癌细胞等，还可做心电图，脑磁图、肺磁图，研究 气功原理等.
物理效应及其应用
第五讲低温下的量子效应
T<TC , 物质为超导态； T>TC , 为普通金属态
临界温度TC:超导体电阻突然变为零的温度。
迄今已知，超导体的电阻率远小于10-25Ω·cm。 而00C普通导体的电阻率为1.6×10-6 Ω·cm。
临界磁场HC(T)
· 磁场超过HC(T)时，即使T<TC，
物 理 效 应 及 其 应 用
低温下的量子效应
物理效应及其应用
第五讲低温下的量子效应
热运动往往掩盖量子效应，大多数量子效应都要在低温条 件下观察，所以获取低温的效应是低温下量子效应的关键。 制冷过程都是是系统有序度增加熵减少的过程——熵排出机。 ※绝热膨胀制冷效应：在绝热膨胀过程中，与外界无热交换，。 但对外做功，只得靠减小气体内能来补偿。 内能减少，分子无规则运动动能减少，即 温 度下降。 ※焦-汤效应：气体通过小孔有节制地从高压向低压流动的过程 称为节流过程。在节流过程中气体温度随压强变 化的现象称为焦耳-汤姆孙效应。节流膨胀温度下 降，产生制冷效应。 5-2
超导隧道：相同超导体之间的隧道——双电子隧道（S-I-S 结）。
三、超导技术的应用
超导技术的应用十分广泛，涉及输电、电机、交通运输、 微电子和电子计算机、生物工程、医疗、军事等领域，这种 新技术军民兼用，可研制出“双重”产品，将获得极大的社会 效益和军事效益.
5-16
物理效应及其应用
①在电力工程方面的应用
自由电子组成的电子对通过晶格运动时不受阻力，是因为 当电子对中的一个电子受到晶格的散射（或偏析）而改变其动 量时，另一个电子也同时要受到影响而发生相反的动量改变。 其结果是自由电子组成的电子对定向运动的总动量不变。所以 晶格既不能减慢也不能加快自由电子组成的电子对的定向运动， 在宏观上表现为超导体对电流的电阻为零。 5-13
超导态
相平 衡曲 线
HC(T)
汞电阻随温度变化
HC(0) 普通金属态
普通金属态
超导态
0
TC
T
5-5
物理效应及其应用
第五讲低温下的量子效应
所谓“电阻消失”，只是说电阻小于仪表的最小可测电阻。 正常导体组成的回路有电阻 电能的损耗(热). 如果回路没有电阻 没有电能的损耗。 电流可以持续地存在下去 零电阻效应是超导态的两个基本性质之一。
5-14
物理效应及其应用
第五讲低温下的量子效应
二、约瑟夫森效应
1962年英国剑桥大学研究生约瑟夫逊推测 BCS理论提到的 库柏对也可通过薄绝缘层，即“电子对”能穿过薄绝缘层（隧道 效应），在薄绝缘层隔开的两种超导材料之间有电流通过；同 时还产生一些特殊的现象，如电流通过薄绝缘层无需加电压， 倘若加电压，电流反而停止而产生高频振荡。这一超导物理现 象称为“约瑟夫逊效应”。这些预言于1963年在美国的贝尔实验 室被罗威尔等人用试验证实了，“约瑟夫逊效应”有力的支持了 “BCS理论”。约瑟夫森则获得1973年度诺贝尔物理奖。
⑤超导技术在军事上的应用 超导储能装置在定向武器上的应用使定向武器发生飞跃的发展. 超导发电机，推进器在飞机上的应用可大大提高飞机的生存能 力，在航海中的应用，可大大减小甚至没有噪音，推进速度快， 可大大提高舰艇的生存、作战能力，超导计算机应用于C3I指挥 系统，可使作战指挥能力迅速改善提高等等. 随着超导技术的不断发展，高温氧化物超导材料和有机物超 导材料将不断问世，目前超导还只应用在科学实验和高技术中， 例如中国科学院合肥等离子体物理研究所，采用超导技术建成 托卡马克实验装置(磁约束装置)，放电300ms，电流I=150kA，使 我国核聚变研究能力向前跨进一大步. 5-18
5-3
物理效应及其应用
第五讲低温下的量子效应
导体：容易导电的物体。室温下金属导体的电阻率10-8Ω·m ～10-6 Ω·m. 绝缘体：不容易导电的物体。室温下绝缘的电阻率108Ω·m ～1018 Ω·m. 具有超导电性的物质叫超导体。
一、超导现象(Superconductivity)
1911年，荷兰莱顿大学的卡茂林-昂尼斯意外地发现，将汞冷却 到-268.98°C时，汞的电阻突然消失；后来他又发现许多金属和合 金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性，由于它的特殊 导电性能，卡茂林-昂尼斯称之为超导态。卡茂林由于他的这一发现 获得了1913年诺贝尔奖。 这种低温下的零电阻现象称为超导现象。 这一发现引起了世界范围内的震动。在他之后，人们开始把处 于超导状态的导体称之为“超导体”。超导体的直流电阻率在一定的 低温下突然消失，被称作零电阻效应。导体没有了电阻，电流流经 超导体时就不发生热损耗，电流可以毫无阻力地在导线中流大的电 流，从而产生超强磁场。 5-4
1987年3月，中国科技大学获得215K的超导材料. 1987年3月9号，日本宣布获得175K的超导材料；
1933年，荷兰的迈斯纳和奥森菲尔德共同发现了超导体的另一个 极为重要的性质，当金属处在超导状态时，这一超导体内的磁感 兴强度为零，却把原来存在于体内的磁场排挤出去。对单晶锡球 进行实验发现：锡球过渡到超导态时，锡球周围的磁场突然发生 变化，磁力线似乎一下子被排斥到超导体之外去了，人们将这种 现象称之为“迈斯纳效应”。 5-8
物理效应及其应用
第五讲低温下的量子效应
※绝热去磁制冷效应：借助磁场使某些顺磁盐中的电子自旋磁 矩排列有序，等温磁化减少熵，再进行 绝热去磁，使顺磁盐的温度降低。
※激光冷却与捕陷原子 以往低温多在固体或液体系统中 实现，这些系统都包含着有较强 的相互作用的大量粒子。20世纪 80年代，借助于激光技术获得了 中性气体分子的极低温（例如， 10–10K）状态，这种获得低温的 方法就叫激光冷却。
5-6
物理效应及其应用
第五讲低温下的量子效应
具有超导电性的物质叫超导体，超导体电阻突然变为零的温度 叫超导临界温度。至今已发现有28种元素、几千种合金和化合物 是超导体。超导体进入超导状态时，不仅其内的电阻为零，而 体内的磁场也为零，表现出完全的抗磁性。 长期以来，人们发现的超导体只能在低温液氦区（4K左右）工作， 这就需要许多低温设备和技术，费用很高且不方便，因而限制了 超导体的应用。60年代开始，人们一直在探索把超导临界温度提 高到液氮温区（77K）以上的办法，这就是高温超导研究。1986年 高温超导研究取得了突破性的发展，科学家相继发现了许多高温 超导物质。现在高温超导体的临界温度已达到130K左右，使超导 体已走出了液氦的阴影，为人类挖掘超导电性所隐藏的宝藏开辟 了广阔的前景。 5-7
物理效应及其应用
第五讲低温下的量子效应
迈斯纳效应——完全抗磁性
金属球沿不同路径在正常态与超导态之间转换
A 正常态金属球
B超导态金属球 C增大磁场至超导态 D升高温度至超导态
A 正常态金属球
ຫໍສະໝຸດ Baidu
B增大磁场至正常态
C降低温度至超导态
D超导态金属球
5-9
物理效应及其应用
第五讲低温下的量子效应
实验表明，不管是先降温后加磁场，还是先加磁场后 降温，使金属由正常态转变为超导态时，磁场力线将全 部排挤出超导体外，超导体内恒有磁感应强度B=0。这 种现象称为迈斯纳效应。 完全抗磁性的反映