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。
T 2 H c (T ) H c (0)[1 ( ) ] Tc
三、传统超导体的唯象理论和微观机制
（1） 伦敦方程 任务：介质方程 j E 失效，寻找替代方程。
电流密度应为
* dv * 在电场E的作用下，超导电子的运动方程是 m e E dt *
（1934戈特(Gorter)和卡西米尔(Casimir)提出）
升 攀 慢 缓 度 温 变 转 导 超
近几年研究的几种重要的超导体
（1）二硼化镁
2001年1月日本东京青山学院的教授Jun kimitsu宣布了这一发现。MgB2的临界 超导温度Tc=40k. ---Robert F. Serverce.Science,295,786(2002).
MgB2 是临界温度最高的金属 化合物超导体，晶体结构为 A1B2 型六方结构,即由石墨蜂 窝型结构的B 层间插入六角密 集排列的Mg 原子构成。
1957年 1958年 1959年 1962年
J. Bardeen, L. N. Cooper及R. J. Schrieffer提出解释 超导现象的微观理论：BCS理论。 (三人获诺贝尔物理学 奖） J. Hulm及B. T. Matthias发现A15结构超导性，得到Tc＞ 20K之超导材料。 J. G. Giaever发现导体的单子隧道效应 B. D. Josephson提出超导电子对的穿隧效应 (获1973年诺贝尔物理学奖) 首先发现金属氧化物BaPb1-xBixO具超导性，Tc=13K。 F. Steglich发现重费米子超导体 D. Jerome发现第一个有机超导体
用磁光法在NbSe2样品上得到的磁通线分布图像
（7）缺陷的钉扎作用提高临界电流
理想的第二类超导体虽具有高的上临界磁场HC2(0)， 却不能承受较大的超导电流。如果第二类超导体内含有大 量缺陷(非理想第二类超导体)，这些缺陷将阻碍磁力线的 移动，称为对磁力线的钉扎作用，其结果是穿过超导体的 磁力线排列不再均匀，磁化时有滞后作用，而超导体则可 承受大的超导电流。 缺陷的钉扎作用越强，磁化的磁滞效应越大，则临界 电流也越高。用来制造高强磁场的超导线圈都是用非理想 第二类超导体制成的。例如经特殊处理的NbTi合金线临 界电流可高达 2 10 5 A/cm 2 ，可用以产生4特斯拉的 强磁场。
发现Pb于温度7.2K时具超导性。
Onnes以铅(Pb)超导体制作线圈证明永久电流之存在 发现Nb，Tc=9.2K为所有金属最高者 W. Meissner及R. Oschenfeld发现超导体具有完全抗磁 性，证明超导性之相转变是热力学相变 Meissner & Ochsenfeld提出超导状态下之完全反磁性 (Perfect Diamagnetic)，又称迈氏效应 C.J. Gorter及H. B. Casimir提出二流体模型解释超导 现象，说明超导体内的电子分超导电子和正常电子两种。 F. London及H. London由二流体模式提出所谓London model，解释迈氏效应，定义穿透深度 (penetration depth)为超导体的特性长度，即静磁场下磁力线穿透超 导体表面深度，在此深度范围内，磁力线密度呈现指数 衰减。
（6） 磁通量子化
实验观测发现，当外磁场增强 时，圆柱形正常区的磁通量并不 发生变化，而只是增多这种圆柱 形正常区的数目；当H= HC2时， 这些圆柱形正常区彼此接触，超 导区消失，整个样品成为正常态。 每个圆柱体正常区的磁通量恰 好为一个磁通量子.
0 h / 2e
即为超导体的磁通量子化现象。
临界电流： 实验还表明，如果在不加磁场的情况下，在超导体中通过 足够强的电流也将会破坏超导电性，为破坏超导电性所需 要的电流称作临界电流IC(T)． 解释：当通过样品的电流在样品表面产生的磁场达到HC时， 超导电性就被破坏，这个电流的大小就是样品的临界电 流．
这一点对其应用不利！
3. 迈斯纳(Meissner)效应（完全抭磁性）
1993年
2001年
内容提要
一、超导体的发现、研究历程 二、超导体的特征，两类超导体 三、传统超导体的唯象理论和微观机制 四、约瑟夫孙效应 五、高温超导体研究 六、铁基超导研究 七、超导研究的主要方向
一、超导的发现和研究历程
1911年，荷兰物理学家 昂纳斯(K. Onnes)首次 发现汞在4.2K的低温时 出现电阻为零的现象， 物理学上称其超导现象。 电阻突然消失是物质进 入了一种完全新的状态， 这种状态称之为超导态。 具有超导电性的物质称 作为超导体。
第十章：超导
超导研究获诺贝尔物理学奖情况
1913年 H.K.昂尼斯(荷兰) 在低温下研究物质的性质并制成 液态氦 1972年 J.巴丁(美) L.N.库柏(美) 所谓BCS理论的超导性理论 J.R.斯莱弗(美) 提出
1973年 B.D.约瑟夫森(英) 关于固体中隧道现象的发现,从理 论上预言了超导电流能够通过隧道阻挡层(即约瑟夫森效应) 1987年 J.G.柏诺兹(美) K.A.穆勒(美) 发现新的超导材料
(2) 比热容
T bT 3
ae / k BT bT 3
（3） 超导能隙
（4）同位素效应
M Tc 常数

（5） 两类超导体
T 2 H ci (T ) H ci (0)[1 ( ) ] Tc
Alexei A. Abrikosov 美国国家阿岗实验室 2003年获得诺贝尔物 理学奖
1950年
1956年
1957年
Alexei Abrkosov研究超导体在外加磁场下的行为发现两 种不同性质，将其分类为第一类和第二类超导体(Type-I and Type II Superconductor)。 预测第二类超导体于高磁场下其磁通束以三角晶格排列的 点阵排列(Abrkosov2003年获诺贝尔物理学奖)
超导电性的普遍性：至少三十余种金属（常压下） 元素在极低温度下能够成为超导体。甚至某些半导 体、多元金属氧化物、一系列合金（共计5000余 种料的分类：
常规超导体(如Nb-Ti合金)
高温超导体(如YBa2Cu3O7-x) 非晶超导材料 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(如富勒烯等修饰的化合物)
超导转变宽度窄好还是宽好？
5.零电阻的实验验证：
美国麻省理工学院
J. Collins
2年半
法奥（J．File）和迈奥斯（R．G．Mills）利用精确 核磁共振方法测量超导电流产生的磁场来研究螺线管内 超导电流的衰变，他们的结论是超导电流的衰减时间不 低于十万年．
二、超导的主要特征，两类超导体
1. 零电阻
Tc~110K
Sheng & Herman ，发现Tl系(Tl2Ba2Ca2Cu3O10)铜氧化合物 Tc~125K A.Schilling et. al. ，发现Hg系(HgBa2Ca2Cu3O8)铜氧化 合物 Tc~134K (Hg系铜氧化合物为目前常压下Tc最高之化 合物) ，在高压下为164K J.Nagamatsu et. al. ，发现MgB2介金属化合物Tc ~40K ( 为目前Tc最高之金属化合物)
（3） 富勒烯和碳纳米管 富勒烯是一系列纯碳组成的原子簇的总称(主要有 C60和C70)。C60分子本身是不导电的绝缘体，但当碱金属
嵌人C60分子之间的空隙后，C60与碱金属的系列化合物将转变 为超导体，如K3C60即为超导体，且具有很高的超导临界温度。 与氧化物超导体比较，C60系列超导体具有完美的三维超导性， 电流密度大，稳定性高，易于展成线材等优点，是一类极具价 值的新型超导材料。
1932年
1933年 1934年
1934年
1937年 1950年
L.D. Landau提出外磁场下的超导中间态的结构模型 E.Maxwell和C.A.Reynolds发现现超导体的同位素效应 -β Tc ~ M Vitaly Ginzburg & Lev Landau首先提出超导体内的超导 电子并非局部化观念，即超导电子并非完全单独的存在， 彼此间可能些关联。电子间可能有关联的最长距离称为相 干长度(Coherent Length)。 (Landau1962年与Ginzburg2003年获诺贝尔物理学奖) L. N. Cooper提出一对电子间如存在吸引力，即可形成一 束缚态的概念(s-wave电子对)
(1) 理想导体情形
B E t
E 0,
BC
(2)超导体情形
M 超导体具有完全逆磁性，即在导体内保持B=0。 1 H
一般导 体
超导 体
磁悬浮
4.超导体的其它性质： （1）晶体结构
实验发现当金属冷却到临界温度以下时，无论是点阵对 称性还是点阵参数都没有发生变化。而且发现，与晶格振动 相关的一些特性(如德拜温度ΘD和晶格振动对热容量的贡献) 在正常相和超导相都相同。
2003年 阿布里柯夫（Abrkosov）预测第二类超导体于高磁场 下其磁通束以三角晶格排列的点阵排列。 金茨堡（Ginzburg) 超导的理论解释。
一
超导现象的发现
1908年，荷兰物理学家卡末林· 昂内斯 ( Hei-ke Kamerlingh Onnes，1853－1926 ) 首次液化了氦气 。 人们 第一次达到了当时地球上的 最低温度，大约 4.2 K 左右。 之前，人们已经知道，随着温度的降低，金属的 电阻也会越来越小。那么，随着温度降到热力学温度 零度附近时金属的电阻会怎样变化呢？ 1911年，卡末林 ·昂内斯和他的学生一起，选择 了当时最容易提纯的水银作为实验材料，在液氦的温 度下进行了认真的研究。实验的结果使他们大吃一惊。 当温度降到 4.2 K 左右时，水银的电阻竟然突然地消 失了！
1975年 1979年 1980年
1986年
K. A. Müller及 G. Bednorz发现第一个高温超导体 LaBaCuO
Tc > 30K (两人获1987年诺贝尔物理学奖)
1987年 1988年 1988年 朱经武和吴茂昆发现第一个高于液态氮的超体 YBa2Cu3O7-δ Tc~92K H. Maeda，发现Bi系(Bi2Sr2Ca2Cu3O10)铜氧化物