材料化学课件：超导材料（黄浪欢修改）.ppt

1、超导材料和超导现象超导材料和超导现象1.1 超导现象及其基本概念超导现象及其基本概念1.1.1 从通电导线的发热谈起从通电导线的发热谈起金属的电阻率与温度有关，温度降低，电阻率降低，但不会无金属的电阻率与温度有关，温度降低，电阻率降低，但不会无限制减小，所以通电导线的发热不可避免。由于导线发热，使限制减小，所以通电导线的发热不可避免。由于导线发热，使得导线可以传输的电流受到限制，同时也是电能的浪费。得导线可以传输的电流受到限制，同时也是电能的浪费。1.1.2 低温的获得低温的获得获得低温的最根本方法是设法取走气体分子热运获得低温的最根本方法是设法取走气体分子热运动动能，使之变为液体或固体。动动

2、能，使之变为液体或固体。N2O2NeH2He沸点（K）77.3490.1927.120.394.2氦气最难液化，在一个大气压时的液氦气最难液化，在一个大气压时的液化温度为化温度为4.2 K，是最好的制冷物质，是最好的制冷物质焦耳-汤姆逊效应液氮液氢液氦目前所获最低温仅仅比绝对零度高目前所获最低温仅仅比绝对零度高0.5纳开尔文纳开尔文 1 9 0 8 年 荷 兰 物 理 学 家年 荷 兰 物 理 学 家H.K.Onners成功地获得了液氦，从成功地获得了液氦，从而获得低达而获得低达4.2 K的低温。这样，他的低温。这样，他就利用这项技术试验金属在低温下就利用这项技术试验金属在低温下时的电阻。三年

3、后的时的电阻。三年后的1911年，年，1他发他发现当现当Hg在液氦中温度下降到在液氦中温度下降到4.2K时，时，其电阻出现反常现象，迅速降低到其电阻出现反常现象，迅速降低到无法检测的程度。这是人类第一次无法检测的程度。这是人类第一次发现超导现象。发现超导现象。Onners1913年获年获诺贝尔奖。诺贝尔奖。 1.1.3 超导体的发现超导体的发现1霍尔斯特超导体零电阻是指当温度降至某一数值超导体零电阻是指当温度降至某一数值TC或以下时其或以下时其电阻突然变为零。电阻率与温度电阻突然变为零。电阻率与温度T的关系如下图所示。的关系如下图所示。(1) 零电阻现象零电阻现象 1.1.4 超导体的基本物理

4、性质超导体的基本物理性质第一个性质：完全导电性第一个性质：完全导电性零电阻零电阻下图是下图是著名的著名的持续电流实验持续电流实验。将一超导线圈放在磁场中并冷却。将一超导线圈放在磁场中并冷却到临界温度以下，突然撤去磁场，则在超导线圈中产生感生电到临界温度以下，突然撤去磁场，则在超导线圈中产生感生电流，该电流不会衰减，而对于正常金属线圈来说，当磁场去掉流，该电流不会衰减，而对于正常金属线圈来说，当磁场去掉后，线圈内电流很快衰减为零。后，线圈内电流很快衰减为零。著名的持续电流实验：电流两年半不会衰减著名的持续电流实验：电流两年半不会衰减 1933年迈斯纳和奥森尔德年迈斯纳和奥森尔德首次发现了超导体具

5、有完全抗首次发现了超导体具有完全抗磁性的特点。把锡单晶球超导体在磁场（磁性的特点。把锡单晶球超导体在磁场（HHC）中冷却，在）中冷却，在达到临界温度达到临界温度TC以下，超导体内的磁通线一下子被排斥出去；以下，超导体内的磁通线一下子被排斥出去；或者先把超导体冷却至或者先把超导体冷却至TC以下，再通以磁场，这时磁通线也以下，再通以磁场，这时磁通线也被排斥出去。即在超导状态下，超导体内磁感应强度被排斥出去。即在超导状态下，超导体内磁感应强度B0。这就是迈斯纳效应。这就是迈斯纳效应。 第二个性质：完全抗磁性第二个性质：完全抗磁性 迈斯纳效应迈斯纳效应，不管过渡到超导态的途径如何，只要，不管过渡到超导

6、态的途径如何，只要T 77KAir = 78% N2HTS (still -150-200)Could it be you?1911年年H. Kamerlingh Onnes發現汞發現汞(Hg)在絕對溫度在絕對溫度4.2度附近呈現超度附近呈現超導性導性(獲獲1913年諾貝爾物理獎年諾貝爾物理獎) 1913年年發現發現PbPb於溫度於溫度7.2K7.2K時具超導性。時具超導性。1914年年Onnes以鉛以鉛(Pb)超導體製作線圈證明永久電流之存在超導體製作線圈證明永久電流之存在1930年年發現發現NbNb，Tc=9.2KTc=9.2K為所有純金屬最高者為所有純金屬最高者1932年年W. Meis

7、sner及及R. Oschenfeld發現超導體具有完全抗磁性，證發現超導體具有完全抗磁性，證明超導性之相轉變是熱力學相變明超導性之相轉變是熱力學相變1933年年Meissner & Ochsenfeld提出超導狀態下之完全反磁性提出超導狀態下之完全反磁性(Perfect Diamagnetic)，又稱，又稱迈斯纳迈斯纳效應效應1934年年C.J. Gorter及及H. B. Casimir提出二流體模型解釋超導現象提出二流體模型解釋超導現象，說明超導體內的電子分超導電子和常超導電子兩種。，說明超導體內的電子分超導電子和常超導電子兩種。1934年年 F. London及及H. London由二

8、流體模式提出所謂由二流體模式提出所謂London model，解釋梅氏效應，定義穿透深度解釋梅氏效應，定義穿透深度 (penetration depth)為超導體為超導體的特性長度，即靜磁場下磁力線穿透超導體表面深度，在此深的特性長度，即靜磁場下磁力線穿透超導體表面深度，在此深度範圍內，磁力線密度呈現指數衰減。度範圍內，磁力線密度呈現指數衰減。1937年年L.D. Landau提出外磁場下的超導中間態的結構模型提出外磁場下的超導中間態的結構模型1950年年E.Maxwell和和C.A.Reynolds發現超導體的同位素效應發現超導體的同位素效應Tc M- 1950年年Vitaly Ginzbu

9、rg & Lev Landau首先提出超導體內的超導電子並首先提出超導體內的超導電子並非局部化觀念，即超導電子並非完全單獨的存在，彼此間可能些非局部化觀念，即超導電子並非完全單獨的存在，彼此間可能些關聯。電子間可能有關聯的最長距離稱為相干長度關聯。電子間可能有關聯的最長距離稱為相干長度(Coherent Length)。 (Landau1962年與年與Ginzburg2 2003年獲諾貝爾物理獎年獲諾貝爾物理獎) 1956年年L. N. Cooper提出一對電子間如存在吸引力，即可形成一束縛態提出一對電子間如存在吸引力，即可形成一束縛態的概念的概念(s-wave(s-wave電子對電子對) )

10、1957年年Alexei Abrkosov研究超導體在外加磁場下的行為發現兩種不同研究超導體在外加磁場下的行為發現兩種不同性質，將其分類為第一類和第二類超導體性質，將其分類為第一類和第二類超導體(Type-I and Type II Superconductor)。預測第二類超導體於高磁場下其磁通束以三角晶格排列的點陣排預測第二類超導體於高磁場下其磁通束以三角晶格排列的點陣排列列(Abrkosov2 2003年獲諾貝爾物理獎年獲諾貝爾物理獎) 1957年年J. Bardeen, L. N. Cooper及及R. J. Schrieffer提出解釋超提出解釋超導現象的微觀理論：導現象的微觀理論：

11、BCS理論理論，當超導體變成超導狀態時，當超導體變成超導狀態時，超導體內的的超導電子是以成對存在的，稱古柏對超導體內的的超導電子是以成對存在的，稱古柏對(Cooper Pair)。超導電子在晶格間運動時沒有能量損失因。超導電子在晶格間運動時沒有能量損失因為成對的超導電子之一在運動時和晶格互撞把能量傳給晶為成對的超導電子之一在運動時和晶格互撞把能量傳給晶格，隨後晶格又將能量交給第二個電子，因此沒有能量損格，隨後晶格又將能量交給第二個電子，因此沒有能量損失。失。(三人獲三人獲1972年諾貝爾物理獎年諾貝爾物理獎)1958年年 J. Hulm及及B. T. Matthias發現發現A15A15結構超

12、導體，得到結構超導體，得到Tc20K之超導材料。之超導材料。1959年年 J. G. Giaever發現導體的單電子隧道效應發現導體的單電子隧道效應1962年年B. D. Josephson提出超導電子對的穿隧效應提出超導電子對的穿隧效應(獲獲1973年諾貝爾物理獎年諾貝爾物理獎) 1975年年首先發現金屬氧化物首先發現金屬氧化物BaPb1-xBixO具超導性，具超導性，Tc=13K。1979年年F. Steglich發現重費米子超導體發現重費米子超導體1980年年 D. Jerome發現第一個有機超導體發現第一個有機超導體1986年年K. A. Mller及及 G. Bednorz發現第一個

13、高溫超導體發現第一個高溫超導體 LaBaCuOTc 30K (兩人獲兩人獲1987年諾貝爾物理獎年諾貝爾物理獎) 1987年年朱 經 武 和 吳 茂 昆 發 現 第 一 個 高 於 液 態 氮 的 超 導 體朱 經 武 和 吳 茂 昆 發 現 第 一 個 高 於 液 態 氮 的 超 導 體YBa2Cu3O7- Tc92K 1988年年 H. Maeda, 發現發現Bi系系(Bi2Sr2Ca2Cu3O10)銅氧化物銅氧化物 Tc110K 1988年年Sheng & Herman, 發現發現Tl系系(Tl2Ba2Ca2Cu3O10)銅氧化合銅氧化合物物 Tc125K 1993年年A.Schilli

14、ng et. al., 發現發現Hg系系(HgBa2Ca2Cu3O8)銅氧化合銅氧化合物物 Tc134K (Hg系銅氧化合物為目前常壓下系銅氧化合物為目前常壓下Tc最高之化合最高之化合物物) , 在高壓下為在高壓下為164K2001年年J.Nagamatsu et. al., 發現發現MgB2介金屬化合物介金屬化合物Tc 40K (為為目前目前Tc最高之介金屬化合物最高之介金屬化合物) 节省大量资金节省大量资金缓解环境污染缓解环境污染超导电缆、超导发电超导电缆、超导发电机、超导电缆机、超导电缆预预 测测低电力低电力低能耗低能耗灵敏度度高灵敏度度高钇钡铜超导薄膜钇钡铜超导薄膜-应用于谐振器、滤波

15、应用于谐振器、滤波器、天线等有源器件器、天线等有源器件商品化商品化低电力低电力低能耗低能耗钇钡铜超导超导块材钇钡铜超导超导块材-用于磁悬浮、储能飞用于磁悬浮、储能飞轮等方面轮等方面即即 将将实业化实业化预计在预计在20202020年年左右会形成左右会形成1500-20001500-2000亿美亿美元的超导市场，元的超导市场，其中高温超导其中高温超导占一半占一半1、超导磁体、超导磁体由于超导材料在超导状态下具有零电阻，因此只需由于超导材料在超导状态下具有零电阻，因此只需消耗极少的电能，就可以获得消耗极少的电能，就可以获得10万高斯以上的稳态万高斯以上的稳态强磁场。而用常规导体作磁体，要产生这么大

16、的磁强磁场。而用常规导体作磁体，要产生这么大的磁场，需要消耗场，需要消耗3.5106 W的电能及大量的冷却水。的电能及大量的冷却水。超导磁体超导磁体 超导磁体在医学上的重要应用是核磁共振成超导磁体在医学上的重要应用是核磁共振成像技术，可分辨肿瘤癌细胞。像技术，可分辨肿瘤癌细胞。 核磁共核磁共振断层振断层扫描仪扫描仪与人体与人体断层扫断层扫描图描图 核磁共振断层扫描工作原理：进入磁场中的人体，核磁共振断层扫描工作原理：进入磁场中的人体，体内氢元素获得能量产生共振。这时，断开电磁波，氢体内氢元素获得能量产生共振。这时，断开电磁波，氢放出能量，恢复到原来的状态。将该恢复状态进行计算放出能量，恢复到原

17、来的状态。将该恢复状态进行计算机处理，并予以图像化，就能得到体内的信息。如癌细机处理，并予以图像化，就能得到体内的信息。如癌细胞内水的氢，恢复原状的时间比正常细胞内水的氢长，胞内水的氢，恢复原状的时间比正常细胞内水的氢长，这样用核磁共振就会可靠地查出癌变。这样用核磁共振就会可靠地查出癌变。 上述诊断用常导装置能完成，但进一步提高磁场强上述诊断用常导装置能完成，但进一步提高磁场强度，氢的共振现象会越强，能得到更加清晰的图像，从度，氢的共振现象会越强，能得到更加清晰的图像，从而提高诊断的可靠性。而提高诊断的可靠性。医疗用医疗用MRIMRI2 2、超导量子干涉仪、超导量子干涉仪 超导电子学的很大一部

18、分应用是以超导电子学的很大一部分应用是以SQUIDSQUID为基础的。为基础的。SQUIDSQUID利用超导隧道效应，即在超导环路中加入约瑟夫森利用超导隧道效应，即在超导环路中加入约瑟夫森结。结。SQUIDSQUID可以测量到约可以测量到约5050微特的磁场，相当于地球磁场微特的磁场，相当于地球磁场百亿分之一。百亿分之一。通过测量地球磁场的细微变化为地震预报提供信息。通过测量地球磁场的细微变化为地震预报提供信息。能测量人的脑磁图和心磁图，如神经细胞、心、肺能测量人的脑磁图和心磁图，如神经细胞、心、肺等也有非常弱的磁场，把磁场的运动情况测出来，等也有非常弱的磁场，把磁场的运动情况测出来，这些组织

19、的活动情况也就掌握了。如人思维时脑细这些组织的活动情况也就掌握了。如人思维时脑细胞是怎样活动的？精神病人脑细胞的活动和正常人胞是怎样活动的？精神病人脑细胞的活动和正常人有什么不同等。有什么不同等。还可用于探测深水下的潜水艇。还可用于探测深水下的潜水艇。放在卫星上可用于矿产资源普查。放在卫星上可用于矿产资源普查。 托卡马克托卡马克(Tokamak)(Tokamak)是一种利用磁约束来实现是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环形容器。它的名字受控核聚变的环形容器。它的名字 Tokamak Tokamak 来源来源于环形（于环形（toroidal)toroidal)、真空室、真空室(kamera)(k

20、amera)、磁、磁(magnit)(magnit)、线圈、线圈(kotushka)(kotushka)。 托卡马克的重大突破是将超导技术成功地应用托卡马克的重大突破是将超导技术成功地应用于产生托卡马克强磁场的线圈上，建成超导托卡马于产生托卡马克强磁场的线圈上，建成超导托卡马克。克。超导托卡马克超导托卡马克是公认的探索、解决未来稳态聚是公认的探索、解决未来稳态聚变反应堆工程及物理问题的最有效的途径。变反应堆工程及物理问题的最有效的途径。 3、托卡马克磁约束装置、托卡马克磁约束装置 受控核聚变的两个条件：受控核聚变的两个条件：n极高温度：此时原子核热运动动能大，可以克服斥力互相极高温度：此时原子

21、核热运动动能大，可以克服斥力互相接近，并发生聚变反应。所需要温度为几千万到上亿度。接近，并发生聚变反应。所需要温度为几千万到上亿度。在这样的高温下，微观粒子以等离子体状态存在。在这样的高温下，微观粒子以等离子体状态存在。n等离子体封装：高温等离子体不可能用通常容器封装，只等离子体封装：高温等离子体不可能用通常容器封装，只能用磁笼。为此目的的磁体应当具有以下特点：在足够大能用磁笼。为此目的的磁体应当具有以下特点：在足够大的空间内能产生场强高、磁场梯度大的磁场，并要求磁体的空间内能产生场强高、磁场梯度大的磁场，并要求磁体本身所消耗的能量小。本身所消耗的能量小。超导技术在军事上的应用超导技术在军事上

22、的应用 激光武器：激光武器需要瞬间提高数十亿到一百亿激光武器：激光武器需要瞬间提高数十亿到一百亿焦耳的能量。这就需要超导线圈储能装置来承担这个重任。焦耳的能量。这就需要超导线圈储能装置来承担这个重任。它可以在持久电流状态下工作，使武器长期处于戒备状态，它可以在持久电流状态下工作，使武器长期处于戒备状态，一旦发现敌情，迅速将储存的电磁能量转变为激光能量。一旦发现敌情，迅速将储存的电磁能量转变为激光能量。 超导材料的应用 超导材料的应用 在电力工程方面的应用在电力工程方面的应用 超导输电在原则上可以做到没有焦耳热的损耗，因而可超导输电在原则上可以做到没有焦耳热的损耗，因而可节省大量能源；节省大量能

23、源；据统计，目前的铜或铝导线输电，约有据统计，目前的铜或铝导线输电，约有15%15%的的电能损耗在输电线路上，光是在中国，每年的电力损失即达电能损耗在输电线路上，光是在中国，每年的电力损失即达10001000多亿度。若改为多亿度。若改为超导输电，节省的电能相当于新建数十超导输电，节省的电能相当于新建数十个大型发电厂。个大型发电厂。 . . 磁悬浮列车不受地面阻力的影响，可高速运行，车速达500-700 km/h以上，若让超导磁悬浮列车在真空中运行，车速可达1600 km/h，超导材料的应用 原理：将超导材料放在一块永久磁体的上方，由于磁体的磁力线不能穿过超导原理：将超导材料放在一块永久磁体的上

24、方，由于磁体的磁力线不能穿过超导体，磁体和超导体之间会产生排斥力，使超导体悬浮在磁体上方。利用这种磁体，磁体和超导体之间会产生排斥力，使超导体悬浮在磁体上方。利用这种磁悬浮效应可以制作高速超导磁悬浮列车。悬浮效应可以制作高速超导磁悬浮列车。迈斯纳效应的应用迈斯纳效应的应用超导磁悬浮列车超导磁悬浮列车n西南交通大学于西南交通大学于2000年底研制成功世界第一辆年底研制成功世界第一辆“高温超导磁悬浮实高温超导磁悬浮实验车验车”，当时命名为，当时命名为“世纪号世纪号”。 2008年，世界首条高温超导磁悬浮示范线落户湖北年，世界首条高温超导磁悬浮示范线落户湖北 投资投资126亿亿 超导计算机超导计算机

25、n散热是超大规模集成电路面临的难题。超导计算散热是超大规模集成电路面临的难题。超导计算机中的超大规模集成电路，其机中的超大规模集成电路，其元件间的互连线用元件间的互连线用接近零电阻和超微发热的超导器件来制作，不存接近零电阻和超微发热的超导器件来制作，不存在散热问题在散热问题。用超导芯片制成超级计算机速度快、用超导芯片制成超级计算机速度快、容量大、体积小、功耗低，美国容量大、体积小、功耗低，美国IBMIBM公司研制的一公司研制的一台运速为台运速为80008000万次的超导计算机，体积只有电话万次的超导计算机，体积只有电话机那么大机那么大. . 应用超导体制成计算机元件，开关速度可达到应用超导体制

26、成计算机元件，开关速度可达到1010-12-12 s s，比半导体快比半导体快10001000倍左右，而功耗仅为微瓦级，体积比半导倍左右，而功耗仅为微瓦级，体积比半导体元件小体元件小10001000倍倍. . 电阻开关是利用超导体以下性能：若改变磁场、电流和电阻开关是利用超导体以下性能：若改变磁场、电流和温度三个参量的任一个，就可以使它从零电阻态转变到有温度三个参量的任一个，就可以使它从零电阻态转变到有阻状态。阻状态。另外，利用约瑟夫森效应，即一定限度内电流可以无阻碍另外，利用约瑟夫森效应，即一定限度内电流可以无阻碍地通过介质，超过一定限度则会产生电压地通过介质，超过一定限度则会产生电压可进行二进可进行二进制运算。制运算。高能量粒子超導加速器及碰撞器高能量粒子超導加速器及碰撞器 （Fig. I-1）CEBAF的电子质谱仪超导材料的应用 高能量粒子超導加速器及碰撞器高能量粒子超導加速器及碰撞器 （Fig. I-2）超导回旋加速器等离子源超导材料的应用 高能量粒子超導加速器及碰撞器高能量粒子超導加速器及碰撞器 （Fig. I-3）Axion超导材料的应用