试题-超导

1.简述超导体的基本性质.
①完美的导电性σ=∞（零电阻效应：某些金属、合金和化合物，在温度降到某一特定温度Tc 时，它们的电阻率突然减小到无法测量的现象叫做超导现象。

）；②完全抗磁性B=0（超导体只要进入超导态，体内的磁感应强度B总是为零，这种性质称为“完全抗磁性”）;
③磁场能够抑制超导性；④磁通量子是量子化的（单元：h/2e）；⑤晶格的动力学性质是非常重要的（Tc M-2）⑥超导能隙2Δ（Δ是指两个电子形成库珀对需要的能量）；⑦Tc与超导能隙是相关的；⑧在HTS中超导磁性是不同于LTS的.
1.1零电阻效应
某物质在临界温度时，电阻消失的现象，就是零电阻效应。

但是临界温度与物质种类有关，不同的超导体临界温度是不同的。

同一物质有无外磁场的影响也是不同的，当物质在外磁场作用时，某临界温度要比没有磁场作用时要低。

因此，随磁场的增强，临界温度将降低。

只有外磁场小于某一量值时，物质才保持超导体的零电阻效应，这一磁场值称为临界磁场值。

1.2迈斯纳效应
1933年迈斯纳(Meissenr)在实验中发现了下述事实：把在临界温度以上的锡和铅样品放人磁场中，这时样品内有磁场存在。

当维持磁场不变而降低样品的温度转变为超导体后，结果其内部也就没有磁场了。

这说明，在转变过程中，在超导体表面产生了电流，这电流在其内部产生的磁场完全抵消了原来的磁场，也就是说磁力线不能穿过超导体物质内部，也就是所谓的迈斯纳效应。

这一效应表明，超导体具有绝对的抗磁性。

1.3约瑟夫逊效应
1962年，约瑟夫逊(B.D.Josephson)发现，在两块超导体中间夹一薄的绝缘层就形成了一个约瑟夫逊结。

按经典理论，两种超导材料之间的绝缘层是禁止电子通过的，这是因为绝缘层内的电势比超导体中的电势低得多，对电子的运动形成了一个高的“势垒”，绝缘体的电子能量不足以使它自己爬过这势垒，所以，宏观上没有电流通过。

但是量子力学原理指出，即使对于相当高的势垒，能量小的电子也能穿过，好像势垒下边有隧道似的，这种电子通过超导体的约瑟夫逊结中势垒隧道而形成的超导电流的现象，叫做约瑟夫逊效应，也叫做超导隧道效应
1.4同位素效应
实验发现超导体的临界温度Tc依赖于同位素质量的现象。

Tc∝1/(M)0.5
1.5存在临界磁场和临界电流:
临界温度Tc——超导体由正常态转变为超导态的温度。

临界磁场BC——对于超导体，只有当外加磁场小于某一量值时，才能保持超导电性，否则超导态即被破坏，而转变为正常态。

这一磁场值称为临界磁场BC（临界磁感应强度），有时用HC（临界磁场强度）表示。

临界磁场与温度的关系为HC＝Ho[1-(T/Tc)2]式中Ho 为T=0K时的临界磁场。

同样，超导体也存在一临界电流IC
2.为什么在T<Tc的某一确定温度时，超导材料会随磁场的增大在H=Hc处发生从超导态--正常态的相变？
T<Tc时超导体处于超导态，其吉布斯自由能随磁场的增大而增大。

3.为什么在T>Tc时，可认为超导材料的Mn=0，而T<Tc时超导材料的Ms=-H?
T＞Tc时，超导体处于正常态，而超导体处于正常态时，其吉布斯自由能与磁场无关，所以Mn=0；
4.写出一维条件下超导体中的磁场分布函数，并画出一维条件下超导体中的磁场分布函数，说明超导材料的磁场穿透深度λ的意义。

磁场穿透深度λ:
5.为什么第二类超导体在混合态时磁场能以磁通线的形式进入超导体内？
6.简述超导转变的微观机制
在超导态金属中电子以格波为媒介相互吸引(电声相互作用)而形成电子对—库伯对，无数电子对相互重迭又常常互换搭配对象形成一个整体，电子对作为一个整体的流动产生了超导电流。

由于拆开电子对需要一定能量，因此超导体中基态和激发态之间存在能量差，即能隙。

这一重要的理论预言了超导电子能谱中能隙的存在，成功地解释了超导现象，被科学家界称作BCS理论，这一理论的提出标志着超导微观理论的正式建立。

7.什么是超导约瑟夫森结？什么是直流约瑟夫森效应？什么是交流约瑟夫森效应？
四个方程？？？
超导约瑟夫森结:两块超导体通过一绝缘薄层（厚度约为10埃左右）连接起来的组合称
S-I-S超导隧道结或约瑟夫森结;
直流约瑟夫森效应:对S(超导体)-I(绝缘体)-S(超导体)隧道结供给一定的电流,即有超导隧道电流通过,并且两端的电压为0(即绝缘体上没有压降),同时此隧道电流有一个最高的数值——约瑟夫森结结临界电流;
交流约瑟夫森效应:对于S(超导体)-I(绝缘体)-S(超导体)隧道结，当电流超过S-I-S超导隧道结的临界电流时,在S-I-S超导隧道结的两端(即绝缘体上)就出现直流电压V,并同时出现交变的超导隧道电流,这就是交流Josephson效应。

8.简述超导研究历史中五次诺贝尔奖的获奖人和获奖原因。

1973年通过实验发现半导体中的“隧道效应”和超导物质（日本江崎玲於奈美国贾埃弗）；发现超导电流通过隧道阻挡层的约瑟夫森效应（英国约瑟夫森）；提出与相变有关的临界现象理论（美国威尔逊）
1978年从事低温学方面的研究（前苏联卡尔察）；发现宇宙微波背景辐射（美国彭齐亚斯和威尔逊）；发现氧化物高温超导体（德国贝德诺尔斯瑞士米勒）
1987年在发现陶瓷材料中的超导电性所作的重大突破（德国柏诺兹瑞士缪勒）
2003年在超导体和超流体理论上作出的开创性贡献（俄罗斯和美国双重国籍阿列克谢·阿布里科索夫俄罗斯维塔利·金茨堡英国和美国双重国籍安东尼·莱格特
●昂内斯(1853～1926)荷兰低温物理学家
1908年成功地液化了氦气，1911年发现了某些金属在液氦温度下电阻突然消失，即“超导
电性”现象，于1913年获奖
●巴丁(1908～1991)美国物理学家；库珀(1930～)美国物理学家；
施里弗(1931～)美国物理学家
1957年巴丁、库珀和施里弗合作创建了超导微观理论，于1972年获奖。

这一理论能对超导电性作出正确的解释，并极大地促进了超导电性和超导磁体的研究与应用。

●约瑟夫森(1940～)英国物理学家1962年预言存在超导电子对隧道电流，第二年这一预言被实验证实，并被命名为约瑟夫森效应，1973年获奖
●贾埃弗(1929～)挪威裔美国物理学家-1957年完成了量子隧道效应实验，并于
1963年完成了超导体隧道效应实验。

于1973年获奖
●K.A.缪勒(1927～)瑞士物理学家
1983年缪勒和柏德诺兹合作进行超导研究，三年后发现了钡镧铜氧体系高温超导化合物。

于1987年获奖。

这一研究成果导致了多种液氮温区高温超导体材料的出现，并宣告了超导技术开发应用时代即将到来。

●拉比(1898～1988)美国物理学家30年代发明了核磁共振法，于1944年获奖。

根据他的理论，50年代诞生了核磁共振仪。

9.你从超导研究的发展历史中的得到哪些启示？
10.简述一根磁通线的物理结构
波函数：
穿透深度：
相干长度：（建立库珀对的长度---有效区域）
11.超导发展史上重大发现有哪些？
●1911年,荷兰科学家昂内斯(Ones)用液氦冷却汞,当温度下降到４.２K时,水银的电阻完全消失,这种现象称为超导电性,此温度称为临界温度.根据临界温度的不同,超导材料可以被分为：高温超导材料和低温超导材料.但这里所说的「高温」,其实仍然是远低于冰点摄氏0℃的,对一般人来说算是极低的温度.1933年,迈斯纳和奥克森菲尔德两位科学家发现,如果把超导体放在磁场中冷却,则在材料电阻消失的同时,磁感应线将从超导体中排出,不能通过超导体,这种现象称为抗磁性.经过科学家们的努力,超导材料的磁电障碍已被跨越,下一个难关是突破温度障碍,即寻求高温超导材料.
●1973年,发现超导合金――铌锗合金,其临界超导温度为23.2K,这一记录保持了近13年.
●1986年,设在瑞士苏黎世的美国IBM公司的研究中心报道了一种氧化物（镧钡铜氧化物）具有35K的高温超导性.此后,科学家们几乎每隔几天,就有新的研究成果出现.
●1986年,美国贝尔实验室研究的超导材料,其临界超导温度达到40K,液氢的“温度壁垒”（40K）被跨越.
●1987年,美国华裔科学家朱经武以及中国科学家赵忠贤相继在钇－钡－铜－氧系材料上把
临界超导温度提高到90K以上,液氮的“温度壁垒”（77K）也被突破了.1987年底,铊－钡－钙－铜－氧系材料又把临界超导温度的记录提高到125K.从1986－1987年的短短一年多的时间里,临界超导温度提高了近100K.
●早在1991年,法国物理学家利用中子散射技术在双铜氧层YBa2Cu3O6＋δ超导体单晶中发现了一个微弱的磁性信号.
●20世纪80年代是超导电性的探索与研究的黄金年代.1981年合成了有机超导体,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通常是绝缘物质,因此这个发现的意义非常重大,缪勒和柏诺兹因此而荣获了1987年度诺贝尔物理学奖.
●1987年在超导材料的探索中又有新的突破,美国休斯顿大学物理学家朱经武小组与中国科学院物理研究所赵忠贤等人先后研制成临界温度约为90K的超导材料YBCO（钇铋铜氧）.
●1988年初日本研制成临界温度达110K的Bi-Sr-Ca-Cu-O超导体.至此,人类终于实现了液氮温区超导体的梦想,实现了科学史上的重大突破.这类超导体由于其临界温度在液氮温度（77K）以上,因此被称为高温超导体.
●1997年,研究人员发现,金铟合金在接近绝对零度时既是超导体同时也是磁体.1999年科学家发现钌铜化合物在45K时具有超导电性.由于该化合物独特的晶体结构,它在计算机数据存储中的应用潜力将是非常巨大的.
●自２００７年１２月开始,中国科学院物理研究所的陈根富博士已投入到镧氧铁砷非掺杂单晶体的制备中.今年２月１８日,日本东京工业大学的细野秀雄教授和他的合作者在《美国化学会志》上发表了一篇两页的文章,指出氟掺杂镧氧铁砷化合物在零下２４７．１５摄氏度时即具有超导电性.在长期研究中保持着跨界关注习惯的陈根富和王楠林研究员立即捕捉到了这一消息的价值,王楠林小组迅速转向制作掺杂样品,他们在一周内实现了超导并测量了基本物理性质.
几乎与此同时,物理所闻海虎研究组通过在镧氧铁砷材料中用二价金属锶替换三价的镧,发现有临界温度为零下２４８.１５摄氏度以上的超导电性.
３月２５日和３月２６日,中国科学技术大学陈仙辉组和物理所王楠林组分别独立发现临界温度超过零下２３３．１５摄氏度的超导体,突破麦克米兰极限,证实为非传统超导.
３月２９日,中国科学院院士、物理所研究员赵忠贤领导的小组通过氟掺杂的镨氧铁砷化合物的超导临界温度可达零下２２１．１５摄氏度,４月初该小组又发现无氟缺氧钐氧铁12.在应用中，高温超导体和低温超导体相比有哪些优缺点？
高温超导体：（1）具有高临界转变温度（Tc）能在液氮温度条件下工作的超导材料。

因主要是氧化物材料，故又称高温氧化物超导材料。

高温超导材料不但超导转变温度高，而且成分多是以铜为主要元素的多元金属氧化物，氧含量不确定，具有陶瓷性质。

（2）氧化物中的金属元素（如铜）可能存在多种化合价，化合物中的大多数金属元素在一定范围内可以全部或部分被其他金属元素所取代，但仍不失其超导电性；（3）高温超导材料具有明显的层状二维结构，超导性能具有很强的各向异性；（4）高温超导材料的上临界磁场高，具有在液氦以上温区实现强电应用的潜力。

（5）已发现的高温超导材料按成分分为含铜的和不含铜的。

含铜超导材料有镧钡铜氧体系（Tc＝35～40K）、钇钡铜氧体系（按钇含量不同，T 发生复化。

最低为20K，高可超过90K）、铋锶钙铜氧体系（Tc＝10～110K）、铊钡钙铜氧体系(Tc＝125K）、铅锶钇铜氧体系（Tc约70K）。

不含铜超导体主要是钡钾铋氧体系（Tc约30K）
低温超导体：（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；（2）低温超导材料由于Tc低，必须在液氦温度下使用，运转费用昂贵，故其应用受到限制.
老师：（1）温度特性：液He，N
(2)材料性质：低温，单元/二元合金，软-延展性好。

高温---金属性，陶瓷性，易脆稳定
(3)物理特性存储
13.简述二流体模型？？？？？3个方面
（1）二流体模型中提出超导电子的概念，全部电子N划分为超导电子Ns和正常电子Nn两大类：N=Ns+Nn；
（2）超导电子在物性上与正常态电子有本质上的不同，正常电子运动时受晶格散射，产生电阻，超导电子流是超导电子集体有序的运动，不受晶格散射，电阻为零；
（3）超导电子数与温度有关，当温度T>=Tc时，Nn=N，随温度的降低，逐渐发生超导转变，开始有一部分正常电子凝聚为超导电子，当T=0时，Ns=N。

14.什么是超导能隙
超导体最低激发态与基态之间存在一定的能量间隙。

拆散一个电子对（库珀对）产生两个单电子至少需要能隙宽度2△的能量
15.简述SQUID的工作原理，其灵敏度范围，举例说明
SQUID的应用
原理：
我们用超导材料将2个约瑟夫森结并联起来,构成
超导环路,这是一种新型的超导微电子器件,它就是
超导量子干涉器。

超导量子干涉器分成两大类:一类为直流供电方式,
称作直流量子干涉器件(dc SQ UID);如图2所示,在
双结SQUID中,两个弱连接未被超导路径短路,因
此可以观测直流I—V特性,在工作情况下,器件被
电流偏置于略大于临界电流I c的数值上,并可测量器件
两端电压,故而得名.另一类是射频供电方式,称作射频
量子干涉器件(rf SQ UID).如图3所示,它是由一个单结
超导环所构成,即单结SQ UID,这时超导路径短路,因
此电压响应是把超导环耦合到一射频偏置的储能电路
(谐振槽路)上而得到的,故而得名.下面我们用双结的直
流量子干涉器件为例说明SQ UID的工作原理.主要根据是,超导环中包含的总磁通量必须满足量子化条件,即穿过超导环中的总磁通量Φ只能取磁通量子的整数倍,即
Φ=nΦ0(n为整数)。

磁通量子Φ0=h2e=2.07×10-15(Wb).这时,超导电流达到最大值
灵敏度范围：
高：10^-12T低：10^-15T
应用：1)测量磁场.超导量子干涉器件可以测量出非常微弱的磁场,能测量的最小磁通变化为10-5Φ0的数量级.SQUID可用作生物磁测量,从科学和商品的角度来看,最有意义的是脑磁测量.人脑表皮分布着许多树枝状的神经网络,当脑中有电活动时,这些树突中的电流和人脑的表面相切时,它将产生可探测的外磁场,只要把脑表皮1mm2中的104个树突的电流活动收集在一起,就可以产生SQUID能测出的脑表面磁场.通过脑磁研究,可用于诊断癫痫病、中风、头部损伤、脑供血不足以及精神分裂症等疾病.目前医学上SQ UID的极高灵敏度可以检测出人体心脏和大脑的活动所产生的小到10-14T的磁场.
2)无损探伤.SQUID作为最灵敏的磁探测器,可以通过材料缺陷的不正常磁性分布来进行无损探伤.用SQUID来探测缺陷的位置时,依赖于探测线圈的直径,或探测线圈和信号源的距离.
3)测量低频弱电压、电流及电阻.我们通过SQ UID可以测量穿过超导环的磁通量的数值.如果被测的磁通量是由待测电流通过一个已知电感L的线圈产生的,那么通过测量磁通量,然后换算求得该电流的大小.这就说明,SQ UID可以改装成灵敏度极高的电流计.有了电流计,就可以改装成测量电压的伏特计和测量电阻的欧姆计.
超导量子干涉器件除上述主要应用外,在大地磁测方面,通过同时测量磁场涨落和电场涨落来探测石油、地热资源及地震活动.在超导计算机中,超导量子干涉器能作为开关逻辑元件,用于逻辑电路及存储器上.
SQUID无损检测实质上是探测被测物体附近的磁场分布从而非接触地获得与磁信号有关的信息（如缺陷大小、深度等等）。

根据磁场产生的特点通常可分为无源法和有源法。

前者无需激励场，主要用于探测非铁磁材料内的磁参杂、检测铁磁材料的应力分布、探测铁磁体表面的磁通泄漏（MFL）等。

后者需要对被测材料施加电流或利用电磁激励在导体中产生涡流，电流（或涡流）的分布与导体的导电特性有关，如果导体中存在缺陷，该缺陷将会严重影响导体的导电性能，例如导体块中如果存在裂缝，电流（或涡流）在导体中流动时会绕过裂缝
而重新分布，通过SQUID检测该电流（或涡流）所产生的磁场，就可得到有关缺陷的信息。

通常在激励检测时采用锁相检测技术，一方面可保证检测信号只与激励信号有关，另一方面可保证系统较长时间工作在稳定状态。

由于SQUID具有极高的探测灵敏度，因此在检测材料的深层缺陷、细小缺陷等方面具有很好的应用前景.
半导体掺杂均匀性检测
半导体材料掺杂的均匀性很大程度上影响着半导体器件
的性能，均匀性主要是指掺杂的空间分布和掺杂的纯度。

通过SQUID探测半导体材料中光致电流产生的磁场强度
可以判定半导体材料中的掺杂均匀性[8]，其基本原理如
图（1.2）所示，在掺杂浓度N变化的半导体样
品中，存在相对N变化的内部电场E，当用光电子能量h
ν大于样品EGAP的光线照射样品局部时，在样品上会产
生带隙能EGAP不均匀的电荷移动，在掺杂不均匀区域，
非平衡载流子在内部电场的作用下，形成净光电流。

高灵
敏度的SQUID磁强计能测量出光电流产生的磁场，从而可以探测到掺杂梯度的存在。

SQUID无损检测装置放置在防震的光学平台上，SQUID探头垂直地置于低温杜瓦的底部，SQUID与半导体样品的距离不超过2cm，两者的距离越近，检测的灵敏度越高。

半导体激光器通过光纤，耦合到光学透镜。

透镜将激光聚焦到样品表面，SQUID与光学透镜在一条垂直线上。

通过X-Y移动平台移动样品，即可实现样品的扫描测量。

该装置的空间分辨率主要由激励光斑的尺寸和最小移动步长决定，并非由SQUID尺寸、SQUID与样品的距离决定。

检测结果表明，该系统可在高空间分辨率情况下，无接触、无损伤地实施半导体材料的掺杂均匀性检测。

此外该系统还可检测半导体器件，即对材料和器件进行定性或定量分析、实施半导体结构分析和光电器件性能检测.
碳纤维复合材料检测
碳纤维复合材料包括碳纤维加强聚合物和碳纤维加强碳矩阵复合材料，由于其独特的材料特性，通常很难使用常规无损检测技术（如超声波或X射线）对其进行检测，特别是对大厚度或者多层碳纤维复合材料，常规无损检测几乎不可能，这在某种程度上限制了碳纤维复合材料的应用，这也是碳纤维复合材料很少被用作主体材料的原因之一。

Hiroshi Hatta等人的研究表明，SQUID无损检测对碳纤维复合材料的检测具有相当的优势。

他们利用声发射检测（AE）、电子散斑干涉法（ESPI）和SQUID涡流检测，分别对碳铯复合材料进行缺陷检测，结果表明SQUID无损检测技术能清晰地显示二维碳铯光纤的断裂以及三维碳铯光纤未断裂情况下的裂口，特别是能够检测出用显微方法或者其它检测方法无法发现的光纤局部损伤。

近年来，SQUID无损检测成功用于碳纤维加强聚合物薄板，对厚碳纤维复合材料、碳纤维加强碳矩阵复合材料的检测同样也获得较好的结果
16.What is the London penetration depth and Coherence Length?
the London penetration depth：
Coherence Length：the size of a cooper pair-representing the shortest distance over which superconductivity can be established in a material.This is typically on the order of 100A(埃),although it can be as small as30A(埃)in the copper oxides.
伦敦穿透深度：在T<Tc时，磁场穿过超导体表面层建立完全抗磁效应的深度
相干长度：超导电子有序化在空间延伸的范围
How to discriminate two kinds of superconductor(type I and type II)?
①材料：soft（I）hard(II)
②抗磁性：Hc Hc1Hc2（中间混合态）
③界面能》0《0
17.What are the funfamental properties of a superconductor?零电阻效应：
迈斯纳效应：
What are the main diffefences between“HTSC”and classic SC? PPT??。