超导材料物理性质、典型理论和常见材料应用
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超导材料物理性质、典型理论 和常见材料应用
第一节 超导电性的发展历史 第二节 超导体的基本物理性质 第三节 传统超导体的超导电性理论 第四节 两类超导体 第五节 超导隧道效应 第六节 超导材料的进展及高Tc的追求 第七节 几种超导材料
第四节 两类超导体
昂内斯 通过大电流失败
超导体的临界参数 临界温度 临界电流 临界磁场
2. 第Ⅱ类超导体
有两个临界磁场，即下临界磁场HC1和 上临界磁场HC2，如图所示。
H<HC1时，同第I类超导体 HC1<H<HC2时，混合态，(涡旋态) H>HC2时, 正常态
第Ⅱ类超导体
B/0
-M
Hc1 Hc2
H
Hc1
Hc2
H
B0(HM)
H H c时 B ， 0M -H
H c 1 H H c 2 ,B 0 (H M )
2ξ
3. 涡旋管的中心的超导态
完全被破坏，没有超导电
子，超导态从涡旋管的中
2ξ
心开始逐渐恢复．沿着管
的半径向外，超导态电子
逐渐增加，到涡旋管半径
约为相干长度ξ时，超导
态完全恢复
两个磁力线之 间的距离：
1
d[2 (/3)0/H]2
理想第二类超导体的磁力线分布
(a) H=HC1 (b) HC1<H<HC2 (c) H=HC2
临界温度Tc/K 8~10 14.5 17~18 17 20 21~24
上临界磁场Hc2/Am-1 (T=4.2K下) 7.16×106~10.34×106
1wk.baidu.com.71 ×106~18.30 ×106 17.51 ×106~19.90 ×106
18.30 ×106 27.06 ×106 29.44 ×106~31.83 ×106
B0(HM)
3. 在强度为Hc1和Hc2之间的磁场中， 随外加磁场的增大，导体中正常芯 的数目增加，正常芯更加紧密地挤 在一起，结果材料的磁感应强度 （平均磁通密度）增加，磁化强度 的大小随H的增加而平稳地减小
4.在高于Hc2时材料处于正常态，磁 化强度为零
B0(HM)
材料都有自动降低自由能的趋 势
H H c 时 B （ H ， M ) M , 1 5 ~ 0 1 6 H , 0 B 0 H
混合态中的磁力线的 观察：
右图是伊斯曼 (U·Essmann)和梯奥 堡(H·Trauble)用磁性 装饰法获得的第Ⅱ类 超导体处于混合态时 磁力线排布的照片
从照片上直接数出磁力线总数N、再测出穿 过超导体的总磁通量Φ，可计算出一根磁力
超导纯金属的临界温度和临界磁场
20世纪30年代 “杂质效应” 20世纪60年代 肯兹勒 锡化三铌
(Nb3Sn，铌三 锡) Nb3Sn：在液氦中，在强度为8.8T磁场 中可以通过1×105A/cm2这样大的电流密 度而测不出有电阻．
几种第二类超导体的临界温度Tc和上临界磁场Hc2
物质 Nb3Tl V3Ga Nb3Sn V3Si Nb3Ga Nb3Ge
线的磁通量Φ0，Φ0=Φ／N，实验结果表明，
Φ0=2.07x10-15韦伯。正好等于一个磁通量 子，也就是h／2e。h是普朗克常数，e是电 子电量
在涡旋相邻区域 处电流方向相反， 因此涡旋互相排 斥
形成三角形排列
正常芯的结构：
1.磁力线有一个正常的芯，芯 的半径为相干长度ξ
2.磁通量子由环流的超导电流 （涡旋电流）所维持
库柏电子对的贡献（ξ）
对总自由能贡献
第一类超导体
H(x) l
y(x) x
gmagnetic(x)
第二类超导体
H(x)
x
y(x) l
gmagnetic(x)
gnet(x)
gsc(x)
x (nm) l (nm) Tc (K)
Al 1600 50
1.2
Pb 83
39
7.2
Sn 230 51
3.7
Hc2 (T) .01 .08 .03
理想的第二类超导体——软超导体 磁力线流动产生流阻
第Ⅱ类超导体的混合态示意图
第二类超导体的重要性就在于可 以采用某种适当的工艺，固定住 磁力线。如果磁力线被固定在超 导体中(通常说磁力线被钉扎中 心钉扎住了)不动，则电流就会 沿着超导态的通路流动而不产生 任何电阻
混合态的超导体从整体载流效果来看与完全处于超 导状态一样：电流会集中沿着没有电阻的超导区构 成的通道中流动，有电阻的正常区好象不存在一样
1. 当外加磁场H低于Hc1时，第二类 超导体的行为完全象第一类超导 体，显示出完全抗磁性和等于一H 的磁化强度。
2. 当外场强度达到Hc1时，有涡旋电 流的正常心在表面上形成，并穿 进材料。穿过涡旋的磁通与外加 磁场产生的磁通方向相同，因而 材料中的磁通不再等于零，同时 磁化强度的大小突然减小。
1. 第Ⅰ类超导体 只有一个临界磁场Hc
在超导态，磁化行为满足： M/H=-1，具有迈斯纳效应。
除钒、铌、钽外，其他超导元素 都是第I类超导体。
B0(HM )0
第Ⅰ类超导体
B/0
-M
Hc
H
Hc
H
B0(HM)
H H c时 B ， 0M -H
H H c 时 B （ H ， M ) M , 1 5 ~ 0 1 6 H , 0 B 0 H
考虑一超导物体处于场强小于临界值Hc2的外加磁场中， 并假定这材料内要出现一正常区．其边界与外加磁场 方向平行。出现这样的正常区就要改变超导体的自由 能，我们可以考虑两项对自由能变化的贡献，一项贡 献来自正常区的整体，另一贡献是由其表面引起的。
H x
gnet(x)
y(x) l
磁贡献（λ）
gsc(x)
第二类超导体有很大的上临界场和临界电流密度， 具备作为强场和大电流下工作的基本条件
超导体作为实际材料应用成为可能
超导材料的临界电流密度 可以用适当的加工工艺来 提高的
gsc(x)
gnet(x)
Nb3Sn YBCO MgB2
x (nm) 11 1.5 5
l (nm) 200 200 185
Tc (K) 18 92 37
Hc2 (T) 25 150 14
相干长度ξ和穿透深度λ的相对值随不
同材料而异。进一步的研究的话，人们 发现相干长度，穿透深度都和电子自由 程密切相关，电子自由程的减小使得相 关长度减小，穿透深度增加。金属中的 杂质会使电子平均自由程减小，因而不 纯金属或合金中的相干长度可远远小于 穿透深度。所以，一些合金或十分不纯
第一节 超导电性的发展历史 第二节 超导体的基本物理性质 第三节 传统超导体的超导电性理论 第四节 两类超导体 第五节 超导隧道效应 第六节 超导材料的进展及高Tc的追求 第七节 几种超导材料
第四节 两类超导体
昂内斯 通过大电流失败
超导体的临界参数 临界温度 临界电流 临界磁场
2. 第Ⅱ类超导体
有两个临界磁场，即下临界磁场HC1和 上临界磁场HC2，如图所示。
H<HC1时，同第I类超导体 HC1<H<HC2时，混合态，(涡旋态) H>HC2时, 正常态
第Ⅱ类超导体
B/0
-M
Hc1 Hc2
H
Hc1
Hc2
H
B0(HM)
H H c时 B ， 0M -H
H c 1 H H c 2 ,B 0 (H M )
2ξ
3. 涡旋管的中心的超导态
完全被破坏，没有超导电
子，超导态从涡旋管的中
2ξ
心开始逐渐恢复．沿着管
的半径向外，超导态电子
逐渐增加，到涡旋管半径
约为相干长度ξ时，超导
态完全恢复
两个磁力线之 间的距离：
1
d[2 (/3)0/H]2
理想第二类超导体的磁力线分布
(a) H=HC1 (b) HC1<H<HC2 (c) H=HC2
临界温度Tc/K 8~10 14.5 17~18 17 20 21~24
上临界磁场Hc2/Am-1 (T=4.2K下) 7.16×106~10.34×106
1wk.baidu.com.71 ×106~18.30 ×106 17.51 ×106~19.90 ×106
18.30 ×106 27.06 ×106 29.44 ×106~31.83 ×106
B0(HM)
3. 在强度为Hc1和Hc2之间的磁场中， 随外加磁场的增大，导体中正常芯 的数目增加，正常芯更加紧密地挤 在一起，结果材料的磁感应强度 （平均磁通密度）增加，磁化强度 的大小随H的增加而平稳地减小
4.在高于Hc2时材料处于正常态，磁 化强度为零
B0(HM)
材料都有自动降低自由能的趋 势
H H c 时 B （ H ， M ) M , 1 5 ~ 0 1 6 H , 0 B 0 H
混合态中的磁力线的 观察：
右图是伊斯曼 (U·Essmann)和梯奥 堡(H·Trauble)用磁性 装饰法获得的第Ⅱ类 超导体处于混合态时 磁力线排布的照片
从照片上直接数出磁力线总数N、再测出穿 过超导体的总磁通量Φ，可计算出一根磁力
超导纯金属的临界温度和临界磁场
20世纪30年代 “杂质效应” 20世纪60年代 肯兹勒 锡化三铌
(Nb3Sn，铌三 锡) Nb3Sn：在液氦中，在强度为8.8T磁场 中可以通过1×105A/cm2这样大的电流密 度而测不出有电阻．
几种第二类超导体的临界温度Tc和上临界磁场Hc2
物质 Nb3Tl V3Ga Nb3Sn V3Si Nb3Ga Nb3Ge
线的磁通量Φ0，Φ0=Φ／N，实验结果表明，
Φ0=2.07x10-15韦伯。正好等于一个磁通量 子，也就是h／2e。h是普朗克常数，e是电 子电量
在涡旋相邻区域 处电流方向相反， 因此涡旋互相排 斥
形成三角形排列
正常芯的结构：
1.磁力线有一个正常的芯，芯 的半径为相干长度ξ
2.磁通量子由环流的超导电流 （涡旋电流）所维持
库柏电子对的贡献（ξ）
对总自由能贡献
第一类超导体
H(x) l
y(x) x
gmagnetic(x)
第二类超导体
H(x)
x
y(x) l
gmagnetic(x)
gnet(x)
gsc(x)
x (nm) l (nm) Tc (K)
Al 1600 50
1.2
Pb 83
39
7.2
Sn 230 51
3.7
Hc2 (T) .01 .08 .03
理想的第二类超导体——软超导体 磁力线流动产生流阻
第Ⅱ类超导体的混合态示意图
第二类超导体的重要性就在于可 以采用某种适当的工艺，固定住 磁力线。如果磁力线被固定在超 导体中(通常说磁力线被钉扎中 心钉扎住了)不动，则电流就会 沿着超导态的通路流动而不产生 任何电阻
混合态的超导体从整体载流效果来看与完全处于超 导状态一样：电流会集中沿着没有电阻的超导区构 成的通道中流动，有电阻的正常区好象不存在一样
1. 当外加磁场H低于Hc1时，第二类 超导体的行为完全象第一类超导 体，显示出完全抗磁性和等于一H 的磁化强度。
2. 当外场强度达到Hc1时，有涡旋电 流的正常心在表面上形成，并穿 进材料。穿过涡旋的磁通与外加 磁场产生的磁通方向相同，因而 材料中的磁通不再等于零，同时 磁化强度的大小突然减小。
1. 第Ⅰ类超导体 只有一个临界磁场Hc
在超导态，磁化行为满足： M/H=-1，具有迈斯纳效应。
除钒、铌、钽外，其他超导元素 都是第I类超导体。
B0(HM )0
第Ⅰ类超导体
B/0
-M
Hc
H
Hc
H
B0(HM)
H H c时 B ， 0M -H
H H c 时 B （ H ， M ) M , 1 5 ~ 0 1 6 H , 0 B 0 H
考虑一超导物体处于场强小于临界值Hc2的外加磁场中， 并假定这材料内要出现一正常区．其边界与外加磁场 方向平行。出现这样的正常区就要改变超导体的自由 能，我们可以考虑两项对自由能变化的贡献，一项贡 献来自正常区的整体，另一贡献是由其表面引起的。
H x
gnet(x)
y(x) l
磁贡献（λ）
gsc(x)
第二类超导体有很大的上临界场和临界电流密度， 具备作为强场和大电流下工作的基本条件
超导体作为实际材料应用成为可能
超导材料的临界电流密度 可以用适当的加工工艺来 提高的
gsc(x)
gnet(x)
Nb3Sn YBCO MgB2
x (nm) 11 1.5 5
l (nm) 200 200 185
Tc (K) 18 92 37
Hc2 (T) 25 150 14
相干长度ξ和穿透深度λ的相对值随不
同材料而异。进一步的研究的话，人们 发现相干长度，穿透深度都和电子自由 程密切相关，电子自由程的减小使得相 关长度减小，穿透深度增加。金属中的 杂质会使电子平均自由程减小，因而不 纯金属或合金中的相干长度可远远小于 穿透深度。所以，一些合金或十分不纯