超导物理研究
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HC2
正常态
混合态
HC1
Meissner态 T
26
混合态
• 1957年，苏联物理学家阿布里科 索夫提出存在第二类超导体，其 主要特点是存在下临界磁场Hc1和 上临界磁场Hc2。 • 当材料处于H <Hc1的外加磁场中 时，材料为完全超导态； • 当 Hc1<H<Hc2 时，材料处于部分超导态，材料 内部出现许多细小的管状正常态 区域——有磁场通过——称为磁 通线；---混合态 • 当 H > Hc2, 变成正常态.
0
H HC
超导态 完全抗磁性 正常态
TC
T
22
一些元素的超导临界温度
Pb La Ta Hg Sn In Tl Rh Pr Th Al Ga Ga Mo Zn Os 7.2 K 4.9 K 4.47 K 4.15 K 3.72 K 3.40 K 1.70 K 1.697 K 1.4 K 1.38 K 1.175 K 1.10 K 1.083 K 0.915 K 0.85 K 0.66 K Zr Am Cd Ru Ti U Ha Ir Lu Be W Pt Rh 0.61 K 0.6 K 0.517 K 0.49 K 0.40 K 0.20 K 0.128 K 0.1125 K 0.1 K 0.026 K 0.0154 K 0.0019 K 0.000325 K
6.约瑟夫森效应的发现
• 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，也就是今天人们所说的约瑟夫 森效应。
Josephson(约瑟夫森)效应
0=2x10-7Gauss/cm2
45
超导量子干涉仪 (SQUID)
• 0=2x107Gauss/cm2
46
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。
Superconductor
15
2008-9-11
16
0
h 2.07 10 2e
15
Tesla m
2
2008-9-11
17
3.超导体电动力学的建立
• 伦敦兄弟于1935年提出的伦敦方程是第 一个对超导体的电动力学作统一描述的 理论。该理论不仅说明了超导体的各种 电磁性质，而且也解释了前述的迈斯纳 效应。该理论指出：在超导态，处于外 磁场中的超导体内并不是完全没有磁场， 实际上外磁场可以穿透到超导体表面附 近很薄的一层中，其穿透深度约为十万 分之一厘米。
1957 年阿布里科索夫进一步求解 GL方程，从而预见了第二类超导体混 合态的磁通结构。经过近十年的发 展，逐步形成了具有微观理论基础 的 GLAG 理论。其中，最后一个 G 代 表戈尔柯夫（ Gor’kov ），是他 G-L 方程可有微观理论导出，并给出G-L 理论的有效适用条件
• 2003年10月，诺贝尔奖评委会将该年度 的物理学奖授予了京茨堡、阿布里科索 夫和莱格特三人。 • 京茨堡说：“很久以前我就忘了这回 事。”
Onnes。 第一位超导领域的诺贝尔 奖
2. 超导体完全抗磁性的发现
• 迈斯纳和奥克森费尔特于1933年发现超 导体具有完全抗磁性，即 “迈斯纳”效 应。迈斯纳效应的发现使人们认识到超 导体的抗磁性有别于完全导体的“抗磁 性”，它是一个独立于零电阻之外的超 导体基本性质。在此之后人们才比较全 面地了解了超导体的基本性质。
瓦尔特· 迈斯纳
迈斯纳效应示意图
小磁体悬浮在超导体上。
完全抗磁性
置于外磁场中的超导体会表现出完全抗磁性，即超导 体内部磁感应强度恒为零的现象—称为“迈斯纳效应”
球体
9
142 kg
超导体
10
磁悬浮列车
11
12
13
14
Meissner Effect
Ideal Conductor ―Flux frozen‖ Magnetic levitation
D. Josephson, Phys. Lett. 1,251 (1962); Adv, Phys. 14,419 (1965)
Josephson Effect
1973 Nobel Prize for Physics
Completed the great work as a postgraduate!
23
已知的超导元素
24
• 第II类超导体 两个临界磁场 HC1、 HC2 HHc1 Meissner态，完全抗磁通 B=0 Hc1 H Hc2 混合态，磁通格子态 磁通量子、磁通钉扎、流动、蠕动。 HHc2 正常态
理想第II类超导体、非理想第II类超导体
Байду номын сангаас
25
第二类超导体相图
当 HC1<H<HC2, 处于混合态，磁通部分 穿透进超导体， 抗磁性不完全。 在混合态的磁通线 有规律地排列成 三角或四方格子， 称为磁通格子。 H
49
1986年以前超导研究过程
• 1911年 Onnes发现Hg在4.2K电阻突然下降为零 • 1933年 Meissner效应的发现 • 1911-1932年间, 以研究元素的超导电性。Hg、Pb、Sn、In、 Ta…. • 1932-1953年，发现了许多具有超导电性的合金。 如 Pb-Bi，NbC，MoN，Mo-Re……. • 1953-1973年，发现了一系列A15型超导体和三元系超导体。 如 Tc17K的V3Si，Nb3Sn； 特别是Nb3Ga，Nb3Ge Tc23.2K 其中1957年提出了BCS理论 (1972年诺贝尔物理奖) 1962年发现了Josephson效应 (1973年诺贝尔物理奖)
II类超导体磁通穿透
27
合金及化合物超导体
Cs3C60 40 K (Highest-Tc Fulleride) MgB2 39 K (Highest Tc NonFullerene Alloy) Ba0.6K0.4BiO3 30 K (First 4th order phase) Nb3Ge 23.2K Nb3Si 19K Nb3Sn 18.1K Nb3Al 18K V3Si 17.1K Ta3Pb 17K V3Ga 16.8K Nb3Ga 14.5K V3In 13.9K Nb0.6Ti0.4 9.8 K (First superconductive wire) Nb 9.25K Tc 7.80K V 5.40 K Note: These 3 are the only elemental Type 2 superconductors. HoNi2B2C Fe3Re2 GdMo6Se8 CoLa3 MnU6 AuZn3 7.5 K (Borocarbide) 6.55K 5.6K (Chevrel) 4.28K 2.32K (Heavy Fermion) 1.21K
阿列克谢· 阿布里科索夫 （Alexei A.Abrikosov）
安东尼· 莱格特 （Anthony J.Leggett）
5.超导微观理论的建立
• 从微观机制上去理解超导电性是在 1957 年由 约翰· 巴丁（Bardeen） 、里昂· 库珀（Cooper） 和罗伯特 · 施里弗（ Schrieffer ）提出 BCS 理 论后。该理论模型基于量子力学理论，其主要 观点是：在超导体内部，由于电子和点阵之间 的相互作用，在电子与电子之间产生了吸引力， 这种吸引力使传导电子两两结成电子对，组成 每个电子对的两个电子动量相等、自旋方向相 反，这种电子对称为库珀电子对或超导电子。
•
1962年，朗道因为对液氦超流动性的研究 而获得诺贝尔物理学奖。 • 当时，人们发现能产生超流动现象的是氦 4（氦的一种同位素），而氦3不会产生这种 现象。后来发现事实并非如此。当时还在英格 兰苏塞克斯大学的莱格特对这一奇特的现象作 出了精彩的解释。
•
莱格特和京茨堡一样不太走运。1996 年，诺贝尔物理学奖授予了当年康奈尔 大学发现氦3超流动性的三个人，莱格特 却榜上无名。
• 在最初发现超导体之后很多年，人们才 知道世界上存在不止一种类型的超导体。 那种不允许磁场穿过的，是第一类超导 体。而阿布里科索夫在1953年的研究表 明，还存在第二类超导体，这种超导体 允许磁场穿过。
*超导体的分类
第一类超导体
• 在超导态是理想的 抗磁体 (Meissner态)。 HC：临界磁场 当H>HC, 转变为正常态
•
岁月流逝，获奖时今京茨堡已届90多 岁高龄，阿布里科索夫快 80 岁了，而莱 格特也有近 70 岁了。 1980 年代末，阿布 里科索夫移民到美国，在阿贡国家实验室 继续他的科学生涯，京茨堡一直在莫斯科， 莱格特则来到了伊利诺伊大学，至今还活 跃在超流动研究领域。
维塔利· 京茨堡 （VitalyL.Ginzburg）
超导物理概论及高温超导体 的研究进展与现状
一、超导电性的研究历史与近年
来的进展
二、超导电性的应用
一、超导电性的研究历史与近年来 的进展
• 1. 超导体零电阻现象的发现
• 1908年,Onnes 在4.125k,1个大气压下液化了 He.1911年,他又在Hg样品中首次发现了超导电 现象.
汞的电阻在4.2K附近消失
41
•从超导基态产生一个在 k 态的单激发准粒子的激发能：
2 Ek 2 k
d N (0)dE ( E )dE N (0) dE dE dE / d
超导基态中电子分布
f k ( F k )
1 2 hk vk [1 2 k 2 1/2 ] 2 ( k k )
48
Superconducting quantum interference device (SQUID)
0 h 2.07 1015 Tesla m 2 2e
Threshold for SQUID: 10-14 T Magnetic field of heart:10-10 T Magnetic field of brain: 10-13 T
50
1973-1986年 • 超导临界温度的提高，停滞不前。
Tc=23.2K Nb3Ge (1973年发现)
•
非常规超导体研究得到了蓬勃发展
重Fermi子超导体 低载流子密度超导体 低维无机超导体 超晶格超导体 有机超导体 非晶态超导体 磁性超导体
51
7. 高温氧化物超导体的发现
• 1986年缪勒和柏诺兹发现了一种成分为 钡、镧、铜、氧的陶瓷性金属氧化物 LaBaCuO4，其临界温度约为35K。由于 陶瓷性金属氧化物一般来说是绝缘物质， 因此这个发现意义非常重大，他们获得 了1987年的诺贝尔物理学奖。
磁场在超导体表面的穿透深度
Meissner Effect
4.京兹堡－朗道（G-L)理论的建立
• 1950年，当时只有34岁的京茨堡和前苏 联另一位著名的物理学家朗道一同提出 了一个描述超导体特性的理论。这个理 论是在朗道二级相变理论基础上建立的， 可以准确地预测诸如超导体能负荷的最 大电流等特性。但该理论属于超导电性 的唯象理论。
BCS理论
同位素效应
M ~ 晶格的离子质量 ~ 晶格振动频率 (Debye温度) D M 晶格振动频率
电-声子相互作用的重要性 Frohlich 提出一个基于 电-声子相互作用的超导理论,但 是解释不了Meissner效应.
Tc
40
超导能隙
电子比热测量：Ces ∝ exp(-/kBT) 证明超导基态与准粒子激发之间存在能隙 比热实验给出: 2 ~ 3 kTc 微波吸收实验: 发现 f > 1013 Hz, 表面阻抗 R ~ RN (T ~ 0 K) f < 1010 Hz, R ~ 0 在 之间出现某种量子过程. 吸收能量才能进入激发态, 暗示的能隙的存在. h0 ~ 2 0 : 临界频率, > 0 开始强烈吸收电磁波(微波或者红外频谱)
BCS理论
Bardeen
Cooper
Schrieffer
• 库珀电子对的能量低于两个正常电子的能量之 和，因而超导态的能量低于正常态。在绝对零 度时，全部电子都结成库珀电子对，都是超导 电子，随着温度的升高，库珀电子对就不断地 被拆散并转变为正常电子，而且拆散一个库珀 电子对变得更容易，在温度达到临界温度以上 时，库珀电子就全部被拆散，所有电子都是正 常电子。由于该杰出的理论成果，他们三人分 享了1972年的诺贝尔物理学奖。
正常态
混合态
HC1
Meissner态 T
26
混合态
• 1957年，苏联物理学家阿布里科 索夫提出存在第二类超导体，其 主要特点是存在下临界磁场Hc1和 上临界磁场Hc2。 • 当材料处于H <Hc1的外加磁场中 时，材料为完全超导态； • 当 Hc1<H<Hc2 时，材料处于部分超导态，材料 内部出现许多细小的管状正常态 区域——有磁场通过——称为磁 通线；---混合态 • 当 H > Hc2, 变成正常态.
0
H HC
超导态 完全抗磁性 正常态
TC
T
22
一些元素的超导临界温度
Pb La Ta Hg Sn In Tl Rh Pr Th Al Ga Ga Mo Zn Os 7.2 K 4.9 K 4.47 K 4.15 K 3.72 K 3.40 K 1.70 K 1.697 K 1.4 K 1.38 K 1.175 K 1.10 K 1.083 K 0.915 K 0.85 K 0.66 K Zr Am Cd Ru Ti U Ha Ir Lu Be W Pt Rh 0.61 K 0.6 K 0.517 K 0.49 K 0.40 K 0.20 K 0.128 K 0.1125 K 0.1 K 0.026 K 0.0154 K 0.0019 K 0.000325 K
6.约瑟夫森效应的发现
• 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，也就是今天人们所说的约瑟夫 森效应。
Josephson(约瑟夫森)效应
0=2x10-7Gauss/cm2
45
超导量子干涉仪 (SQUID)
• 0=2x107Gauss/cm2
46
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。
Superconductor
15
2008-9-11
16
0
h 2.07 10 2e
15
Tesla m
2
2008-9-11
17
3.超导体电动力学的建立
• 伦敦兄弟于1935年提出的伦敦方程是第 一个对超导体的电动力学作统一描述的 理论。该理论不仅说明了超导体的各种 电磁性质，而且也解释了前述的迈斯纳 效应。该理论指出：在超导态，处于外 磁场中的超导体内并不是完全没有磁场， 实际上外磁场可以穿透到超导体表面附 近很薄的一层中，其穿透深度约为十万 分之一厘米。
1957 年阿布里科索夫进一步求解 GL方程，从而预见了第二类超导体混 合态的磁通结构。经过近十年的发 展，逐步形成了具有微观理论基础 的 GLAG 理论。其中，最后一个 G 代 表戈尔柯夫（ Gor’kov ），是他 G-L 方程可有微观理论导出，并给出G-L 理论的有效适用条件
• 2003年10月，诺贝尔奖评委会将该年度 的物理学奖授予了京茨堡、阿布里科索 夫和莱格特三人。 • 京茨堡说：“很久以前我就忘了这回 事。”
Onnes。 第一位超导领域的诺贝尔 奖
2. 超导体完全抗磁性的发现
• 迈斯纳和奥克森费尔特于1933年发现超 导体具有完全抗磁性，即 “迈斯纳”效 应。迈斯纳效应的发现使人们认识到超 导体的抗磁性有别于完全导体的“抗磁 性”，它是一个独立于零电阻之外的超 导体基本性质。在此之后人们才比较全 面地了解了超导体的基本性质。
瓦尔特· 迈斯纳
迈斯纳效应示意图
小磁体悬浮在超导体上。
完全抗磁性
置于外磁场中的超导体会表现出完全抗磁性，即超导 体内部磁感应强度恒为零的现象—称为“迈斯纳效应”
球体
9
142 kg
超导体
10
磁悬浮列车
11
12
13
14
Meissner Effect
Ideal Conductor ―Flux frozen‖ Magnetic levitation
D. Josephson, Phys. Lett. 1,251 (1962); Adv, Phys. 14,419 (1965)
Josephson Effect
1973 Nobel Prize for Physics
Completed the great work as a postgraduate!
23
已知的超导元素
24
• 第II类超导体 两个临界磁场 HC1、 HC2 HHc1 Meissner态，完全抗磁通 B=0 Hc1 H Hc2 混合态，磁通格子态 磁通量子、磁通钉扎、流动、蠕动。 HHc2 正常态
理想第II类超导体、非理想第II类超导体
Байду номын сангаас
25
第二类超导体相图
当 HC1<H<HC2, 处于混合态，磁通部分 穿透进超导体， 抗磁性不完全。 在混合态的磁通线 有规律地排列成 三角或四方格子， 称为磁通格子。 H
49
1986年以前超导研究过程
• 1911年 Onnes发现Hg在4.2K电阻突然下降为零 • 1933年 Meissner效应的发现 • 1911-1932年间, 以研究元素的超导电性。Hg、Pb、Sn、In、 Ta…. • 1932-1953年，发现了许多具有超导电性的合金。 如 Pb-Bi，NbC，MoN，Mo-Re……. • 1953-1973年，发现了一系列A15型超导体和三元系超导体。 如 Tc17K的V3Si，Nb3Sn； 特别是Nb3Ga，Nb3Ge Tc23.2K 其中1957年提出了BCS理论 (1972年诺贝尔物理奖) 1962年发现了Josephson效应 (1973年诺贝尔物理奖)
II类超导体磁通穿透
27
合金及化合物超导体
Cs3C60 40 K (Highest-Tc Fulleride) MgB2 39 K (Highest Tc NonFullerene Alloy) Ba0.6K0.4BiO3 30 K (First 4th order phase) Nb3Ge 23.2K Nb3Si 19K Nb3Sn 18.1K Nb3Al 18K V3Si 17.1K Ta3Pb 17K V3Ga 16.8K Nb3Ga 14.5K V3In 13.9K Nb0.6Ti0.4 9.8 K (First superconductive wire) Nb 9.25K Tc 7.80K V 5.40 K Note: These 3 are the only elemental Type 2 superconductors. HoNi2B2C Fe3Re2 GdMo6Se8 CoLa3 MnU6 AuZn3 7.5 K (Borocarbide) 6.55K 5.6K (Chevrel) 4.28K 2.32K (Heavy Fermion) 1.21K
阿列克谢· 阿布里科索夫 （Alexei A.Abrikosov）
安东尼· 莱格特 （Anthony J.Leggett）
5.超导微观理论的建立
• 从微观机制上去理解超导电性是在 1957 年由 约翰· 巴丁（Bardeen） 、里昂· 库珀（Cooper） 和罗伯特 · 施里弗（ Schrieffer ）提出 BCS 理 论后。该理论模型基于量子力学理论，其主要 观点是：在超导体内部，由于电子和点阵之间 的相互作用，在电子与电子之间产生了吸引力， 这种吸引力使传导电子两两结成电子对，组成 每个电子对的两个电子动量相等、自旋方向相 反，这种电子对称为库珀电子对或超导电子。
•
1962年，朗道因为对液氦超流动性的研究 而获得诺贝尔物理学奖。 • 当时，人们发现能产生超流动现象的是氦 4（氦的一种同位素），而氦3不会产生这种 现象。后来发现事实并非如此。当时还在英格 兰苏塞克斯大学的莱格特对这一奇特的现象作 出了精彩的解释。
•
莱格特和京茨堡一样不太走运。1996 年，诺贝尔物理学奖授予了当年康奈尔 大学发现氦3超流动性的三个人，莱格特 却榜上无名。
• 在最初发现超导体之后很多年，人们才 知道世界上存在不止一种类型的超导体。 那种不允许磁场穿过的，是第一类超导 体。而阿布里科索夫在1953年的研究表 明，还存在第二类超导体，这种超导体 允许磁场穿过。
*超导体的分类
第一类超导体
• 在超导态是理想的 抗磁体 (Meissner态)。 HC：临界磁场 当H>HC, 转变为正常态
•
岁月流逝，获奖时今京茨堡已届90多 岁高龄，阿布里科索夫快 80 岁了，而莱 格特也有近 70 岁了。 1980 年代末，阿布 里科索夫移民到美国，在阿贡国家实验室 继续他的科学生涯，京茨堡一直在莫斯科， 莱格特则来到了伊利诺伊大学，至今还活 跃在超流动研究领域。
维塔利· 京茨堡 （VitalyL.Ginzburg）
超导物理概论及高温超导体 的研究进展与现状
一、超导电性的研究历史与近年
来的进展
二、超导电性的应用
一、超导电性的研究历史与近年来 的进展
• 1. 超导体零电阻现象的发现
• 1908年,Onnes 在4.125k,1个大气压下液化了 He.1911年,他又在Hg样品中首次发现了超导电 现象.
汞的电阻在4.2K附近消失
41
•从超导基态产生一个在 k 态的单激发准粒子的激发能：
2 Ek 2 k
d N (0)dE ( E )dE N (0) dE dE dE / d
超导基态中电子分布
f k ( F k )
1 2 hk vk [1 2 k 2 1/2 ] 2 ( k k )
48
Superconducting quantum interference device (SQUID)
0 h 2.07 1015 Tesla m 2 2e
Threshold for SQUID: 10-14 T Magnetic field of heart:10-10 T Magnetic field of brain: 10-13 T
50
1973-1986年 • 超导临界温度的提高，停滞不前。
Tc=23.2K Nb3Ge (1973年发现)
•
非常规超导体研究得到了蓬勃发展
重Fermi子超导体 低载流子密度超导体 低维无机超导体 超晶格超导体 有机超导体 非晶态超导体 磁性超导体
51
7. 高温氧化物超导体的发现
• 1986年缪勒和柏诺兹发现了一种成分为 钡、镧、铜、氧的陶瓷性金属氧化物 LaBaCuO4，其临界温度约为35K。由于 陶瓷性金属氧化物一般来说是绝缘物质， 因此这个发现意义非常重大，他们获得 了1987年的诺贝尔物理学奖。
磁场在超导体表面的穿透深度
Meissner Effect
4.京兹堡－朗道（G-L)理论的建立
• 1950年，当时只有34岁的京茨堡和前苏 联另一位著名的物理学家朗道一同提出 了一个描述超导体特性的理论。这个理 论是在朗道二级相变理论基础上建立的， 可以准确地预测诸如超导体能负荷的最 大电流等特性。但该理论属于超导电性 的唯象理论。
BCS理论
同位素效应
M ~ 晶格的离子质量 ~ 晶格振动频率 (Debye温度) D M 晶格振动频率
电-声子相互作用的重要性 Frohlich 提出一个基于 电-声子相互作用的超导理论,但 是解释不了Meissner效应.
Tc
40
超导能隙
电子比热测量：Ces ∝ exp(-/kBT) 证明超导基态与准粒子激发之间存在能隙 比热实验给出: 2 ~ 3 kTc 微波吸收实验: 发现 f > 1013 Hz, 表面阻抗 R ~ RN (T ~ 0 K) f < 1010 Hz, R ~ 0 在 之间出现某种量子过程. 吸收能量才能进入激发态, 暗示的能隙的存在. h0 ~ 2 0 : 临界频率, > 0 开始强烈吸收电磁波(微波或者红外频谱)
BCS理论
Bardeen
Cooper
Schrieffer
• 库珀电子对的能量低于两个正常电子的能量之 和，因而超导态的能量低于正常态。在绝对零 度时，全部电子都结成库珀电子对，都是超导 电子，随着温度的升高，库珀电子对就不断地 被拆散并转变为正常电子，而且拆散一个库珀 电子对变得更容易，在温度达到临界温度以上 时，库珀电子就全部被拆散，所有电子都是正 常电子。由于该杰出的理论成果，他们三人分 享了1972年的诺贝尔物理学奖。