超导材料及应用 许 祝 安 浙江大学凝聚态物理所             Tel: 0571-87953255                            Email: zhuan@max.book118.com 主要内容 超导体的基本知识 超导研究的历史 高温超导体的发现和特性 超导材料的应用  一、超导体的基本知识 1、超导体的零电阻特性  电阻为零   R=0     （Superconductor）        1911年荷兰科学家Onnes观测到Hg的电阻在4.2K突然下降为零,首次发现了超导现象。     超导环中的永久电流实验：r?10-23W.cm 卡末林·昂内斯H. Kamerlingh-Onnes (1853--1926) 1913年， 诺贝尔物理学奖， 因对物质低温性质的 研究和液氦的制备  而获奖。 R=0  in superconductor       TC：超导临界温度， T TC,  R=0 高温超导体YBCO的电阻-温度曲线 2.  Meissner效应  Meissner效应(完全抗磁性, 理想抗磁性)        磁感应强度  B=0  (超导体内)      Meissner 和 Ochsenfeld 1933年发现                ----和理想导体不同               ----存在一临界磁场                          H  HC    超导态?正常态 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” Meissner 效应 由于Meissner效应， 磁铁和超导体之间 存在很强的排斥作用， ----磁悬浮  右图： 小磁体悬浮在超导体上。 磁悬浮演示 磁悬浮列车 3. 表征超导体的重要物理量 超导临界温度：Tc ~ 165 K, record 临界磁场：Hc 穿透深度：?，磁场在超导体表面穿透进入超导体的深度，~ 10 –100 nm 相干长度：?，电子配对（Cooper对）的尺寸，                         ~1-50nm 临界电流：Jc，最大能通过的电流 超导能隙：?，超导态（基态）与激发态的能量差，或者说，破坏一个Cooper对需要2 ?的能量 Ginzburg-Landau参量：? = ?/ ? 4.  Josephson(约瑟夫森)效应 F0=2x10-7Gauss/cm2  超导量子干涉仪 (SQUID)  F0=2x10-7Gauss/cm2 5、超导理论：      Bardeen、Cooper、Schrierfer理论（BCS理论）               1986年发现的铜氧化物超导体的超导电性不能用BCS理论解释 6、超导体的分类 I 类超导体：              Pb, Sn, Hg等单质金属              B?Bc     超导态?正常态              Bc            一般很小, 中间态概念              I?Ic        超导态?正常态              Ic            一般很小   (通常无用) 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 一些元素的超导临界温度 Pb       7.2 K La       4.9 K Ta       4.47 K Hg      4.15 K  Sn       3.72 K In        3.40 K Tl        1.70 K Rh       1.697 K Pr        1.4 K Th       1.38 K Al        1.175 K Ga       1.10 K Ga        1.083 K Mo       0.915 K Zn        0.85 K Os        0.66 K Zr         0.61 K Am       0.6 K Cd        0.517 K Ru        0.49 K Ti         0.40 K U          0.20 K Ha        0.128 K Ir          0.1125 K Lu         0.1 K Be         0.026 K W          0.0154 K Pt           0.0019 K Rh          0.000325 K  已知的超导元素 超导体的分类 第II类超导体     两个临界磁场 HC1、 HC2      H?Hc1   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。      H?Hc2   正常态          理想第II类超导体、非理想第II类超导体 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。 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. 合金及化合物超导体 Cs3C60       40 K         (Highest-Tc Fulleride)   MgB2      39 K  (Highest Tc Non-Fullerene Alloy)   max.book118.com3  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 Note: Among the alloys, these are some of the best performers; combining Group 5B metals in a ratio of 3-to-1 with 4A or 3A elements.  max.book118.com     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       7.5 K      (Borocarbide)  Fe3
超导材料(材料科学与人类文明).ppt