超导材料解析PPT教学课件

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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。
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BCS超导微观理论
3. 在绝对零度下，对于超导态，低能量的即在费米 球内部深处的电子，仍与处在正常态中的一样。
4. 但在费米面附近的电子，则在吸引力作用下， 按相反的动量和自旋全部结成库柏对，也就是凝 聚的超导电子，在有限温度下，一方面出现一些 不成对的单个激发电子，相当于所谓正常的电子 ；
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二流体模型认为金属超导转变后，金属中一 部分正常电子凝聚成超流状态，其行动完全自由， 畅通无阻，这是一种有序状态，是由于动量凝聚 造成的。
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另一个实验是伦敦的模型，超导电流只分布在超 导线表面附近的薄层内，超导体内没有电流也没 有磁场，因此体现抗磁性。
5. 另一方面库柏对吸引力减弱，结合程度变差。
温度越高，成对的电子数越少，结合程度越差。
当达到临界温度时，库柏对全部拆散成单个的正
常电子，超导态即转变成正常态了。
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用BCS理论解释超导性质
零电阻、能隙的解释
• 在超导态情况下，载流子是库柏电子对。库 柏对的电子虽然受到散射，但在过程中，总 动量不变，电流就不会变，相当于无阻状态
2.3.4 超导材料
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2 超导材料
超导材料是一种没有电阻的材料，既 能节约能量，还能把电流储存起来。
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2.1 超导材料的发展历程
1911年，科学家发现，金属的电阻和 它的温度条件有很大关系：
温度高时，它的电阻就增加，温度低 时电阻减少。
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• 能隙就是破坏一个库柏对所需要的能量，至 少2Δ
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超导体的分类
1. 第一类超导体：只有一个临界磁场 Hc 和正常态、超导态两
种状态的超导体叫第 一类超导体。
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2. 第二类超导体：具有两个临界磁场 Hc1、Hc2 ，并且可以经
历超导态、混合态和正常态这三种状态的超导体，叫第二
化，所以金属实际上是由带正电的离子组成的 晶格点阵（C1)和电子气（Ce)组成。不难想象， 金属比热包含晶格比热和电子比热。前者和T3
成正比，后者满足 Ce =γT，γ是电子比热系数。
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• 实验表明，当达到临界温度时，晶格结构没有发 生变化，但金属比热却发生了跳跃式转变。
这种转变是由于电子 发生了某种转变，可 能金属内的电子变成 了“超流电子”。基 于这种联想高特-卡西 米提出了二流体模型
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· 同位ห้องสมุดไป่ตู้效应
• 超导临界转变Tc 与原子质量的平 方根成反比
TcM 1 (1/2)
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• 由于晶格振动的频率也与原子量的平方根成反比， 所以同位素效应也暗示了超导体中电子行为和晶 格之间的密切联系。
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超导能隙
• 由超导态的比热容可知 ，超导态的电子能谱中 存在一个半宽度为Δ的 能量间隔，在这个能量 间隔内禁止电子占据， 人们把2Δ或Δ称为超 导态的能隙。
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二流体模型的成功之处： • 1.把超导体中的电子分为两类：常态电子和超导电子。 • 2.认为超导态与电子的状态有关。
二流体模型的局限性：
• 1.电子是如何从常态变成超导态？ • 2.为何超导电流只分布在超导线表面附近的薄层内？
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·BCS理论
·同位素效应 ·超导能隙 ·机理解释
类超导体。
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26 种超导金属元素
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研究发现：金属合金的超导转变温度比单质 金属稍微高一些
锗三铌 (Nb3Ge) 的超导转变温度为 23.2 K, 在 20 世纪 80 年代以前是最高记录。
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1986年，贝特诺茨和缪勒从别人多次失败中 总结教训，放弃了在金属和合金中寻找超导材料 的老观念，终于发现一种Ba-La-Cu-O 系氧化物 材料 (BLCO) 材料在43K这一较高温度下出现超 导现象。
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1.超导现象的发现
1911年，昂内斯选
择了水银作为实验材料， 在液氦的温度下进行研究。 发现温度降到 4.2 K 左右 时，水银的电阻竟然消失 了！
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低温超导体应用的局限性
• 低温超导体的临界转变温度最高为 30 K， 因此，它必须在液氦 (零下269C) 温度下 工作。
• 液氮 (零下196C) 无论在价格、来源和制 备都比液氦具有大得多的优势。