超导材料介绍课件.ppt
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1、超导材料介绍超超 导导 材材 料料 简简 介介一、超一、超 导导 概概 述述昂内斯(中间白衣者)在他所创立的低温实验室内昂内斯昂内斯(1853(18531926)1926)荷兰低温物理学家荷兰低温物理学家19081908年成功地液化了氦气,年成功地液化了氦气,19111911年发现了某年发现了某些金属在液氦温度下电阻突然消失,即些金属在液氦温度下电阻突然消失,即“超超导电性导电性”现象,现象,于于 19131913年获诺贝尔奖年获诺贝尔奖。HgInSnPb4.15K3.4K3.7K7.2K氧氮氮90.2K77.3K4.2/1.7K19571957年巴丁、库珀和施里弗合作创建了超导微观理论年巴丁
2、、库珀和施里弗合作创建了超导微观理论(BCS)(BCS),于,于19721972年获诺贝尔奖年获诺贝尔奖。这一理论能对超导电性。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。的研究与应用。约瑟夫森和贾埃弗的发现,对于研制高性能的半导体和超导体元器件具约瑟夫森和贾埃弗的发现,对于研制高性能的半导体和超导体元器件具有很高的应用价值,并导致超导电子学的建立。有很高的应用价值,并导致超导电子学的建立。19861986年缪勒和柏德诺兹发现了年缪勒和柏德诺兹发现了钡镧钡镧铜氧体系高温超导化合物。于铜氧体系高温超导化合物。于
3、19871987年获得若贝尔奖年获得若贝尔奖。这一研究成果导致了多种液氮温区高温超导体材料。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。的出现,并宣告了超导技术开发应用时代即将到来。金兹伯格 莱格特 阿布里科索夫20032003年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖授予美国阿尔贡国家实验室的阿力克授予美国阿尔贡国家实验室的阿力克谢谢阿布里科索夫、俄国莫斯科莱伯多夫物理研究所的维塔阿布里科索夫、俄国莫斯科莱伯多夫物理研究所的维塔利利金兹伯格和美国伊利诺斯大学教授安东尼金兹伯格和美国伊利诺斯大学教授安东尼莱格特,以奖励莱格特,以奖励他们在超导和超流理论方面的
4、先驱性贡献。他们在超导和超流理论方面的先驱性贡献。吴茂昆吴茂昆朱经武朱经武赵忠贤赵忠贤 陈立泉陈立泉钇钡铜氧化合物钇钡铜氧化合物,1987,1987年年2 2月,月,92K92K锶镧铜氧锶镧铜氧(1987(1987年初,年初,48.6K)48.6K)、钡镧铜氧、钇钡铜氧系材料,、钡镧铜氧、钇钡铜氧系材料,铋系超导体铋系超导体二、超导电性的基本特征二、超导电性的基本特征Zero Resistance-No Power LossMeissner Effect-Act as MagnetCritical Properties-Tc,Jc,HcJosephson Effects-Electron Tu
5、nnelling 在特定的温度下材料的电阻突然消失的现象称为超导(电)现象,发生这在特定的温度下材料的电阻突然消失的现象称为超导(电)现象,发生这一现象的温度叫超导转变温度一现象的温度叫超导转变温度T Tc c,也叫临界温度。材料失去电阻的状态称,也叫临界温度。材料失去电阻的状态称为超导态,存在电阻的状态称为正常态。具有超导态的材料称为超导材料。为超导态,存在电阻的状态称为正常态。具有超导态的材料称为超导材料。零电阻效应是超导态的一个基本特征。零电阻效应是超导态的一个基本特征。不同导体的电阻-温度曲线水银的零电阻效应处在超导态的物体完全排斥磁场,即磁力线不能进入超导体内部,这一特处在超导态的物
6、体完全排斥磁场,即磁力线不能进入超导体内部,这一特征叫完全抗磁性,通常也叫做迈斯纳效应,是超导态的另一个基本特征。征叫完全抗磁性,通常也叫做迈斯纳效应,是超导态的另一个基本特征。超导体排斥力使永久磁环悬浮外磁场在试样表面产生感应电流(外磁场在试样表面产生感应电流(b b)。此电流所经路径电阻)。此电流所经路径电阻为零,故它所产生的附加磁场总是与外磁场大小相等,方向相为零,故它所产生的附加磁场总是与外磁场大小相等,方向相反,因而使超导体内的合成磁场为零。由于此感应电流能将外反,因而使超导体内的合成磁场为零。由于此感应电流能将外磁场从超导体内挤出(磁场从超导体内挤出(c c),故称磁抗感应电流,又
7、因其能起),故称磁抗感应电流,又因其能起着屏蔽磁场的作用,又称为屏蔽电流。着屏蔽磁场的作用,又称为屏蔽电流。超导态是一个超导态是一个热力学平衡现热力学平衡现象,抗磁性可象,抗磁性可逆;理想导体逆;理想导体的这种磁性质的这种磁性质与加场过程有与加场过程有关,不可逆。关,不可逆。临界温度临界温度T Tc c临界磁场临界磁场H Hc c临界电流密度临界电流密度J Jc c一些金属超导体临界一些金属超导体临界磁场与温度的关系磁场与温度的关系维持超导状态的必要条件维持超导状态的必要条件超导隧道结(约瑟夫森结)示意图弱连接超导体:弱连接超导体:S-I-S-I-S S两超导体中间的绝缘(真空,两超导体中间的
8、绝缘(真空,正常)层也能让超导电流通过正常)层也能让超导电流通过的现象叫超导隧道效应。的现象叫超导隧道效应。电阻(率)-温度曲线,磁化率-温度曲线,比热容-温度曲线水银的零电阻效应MgB2的x-T曲线锡在正常态(N)和超导态(S)的比热容主要是合金和陶瓷超导体。它存在有两个确定的临界磁主要是合金和陶瓷超导体。它存在有两个确定的临界磁场,即下临界场场,即下临界场H Hc1c1和上临界场和上临界场H Hc c2 2。允许磁场通过。允许磁场通过。它们具有完全的迈斯纳效应(完它们具有完全的迈斯纳效应(完全的抗磁性)。如果外部磁场过全的抗磁性)。如果外部磁场过强,就会破坏超导体的超导性能。强,就会破坏超
9、导体的超导性能。这类超导体只有两个态,即低温这类超导体只有两个态,即低温超导态和正常态。主要是金属超超导态和正常态。主要是金属超导体。导体。0TcTH Hc超导态超导态正常态正常态HTTcNHc2SMeissnerMixedHc10,0=r rB0,0=r rBFlux penetrates above the Superconductivity survives up to the Most alloys,HTS,MgB2.TTc0HHc1TTcHc1HHc2超导现象的物理本质超导现象的物理本质19571957年由巴丁(年由巴丁(BardeenBardeen)、库珀()、库珀(CooperC
10、ooper)和施里弗)和施里弗(SehrifferSehriffer)合作创建了超导微观理论)合作创建了超导微观理论(BCS)(BCS)。库珀库珀电子对电子对库珀电子对通过格波相互作用,库珀电子对通过格波相互作用,其作用范围为其作用范围为1010-6-61010-9-9m m;每个库珀电子对的总动量相当,每个库珀电子对的总动量相当,这是零电阻产生的根源;这是零电阻产生的根源;材料变为超导态后,电子结为材料变为超导态后,电子结为 库珀对,能量降低库珀对,能量降低2 2,称其为,称其为 超导体的能隙。超导体的能隙。超导体的能隙超导体的能隙能隙随温度变化的曲线能隙随温度变化的曲线21)(1 4.62
11、ccTTT=02正常态正常态超导态超导态费米能费米能正常态正常态超导态超导态费米能费米能2能能 量量T0K,0KTTc三、超三、超 导导 材材 料的种类料的种类大多数过渡元素和稀土元素都具有超导性;碱金属、铜、银、金,以及大多数过渡元素和稀土元素都具有超导性;碱金属、铜、银、金,以及一些铁磁和反铁磁元素未发现其超导电性。元素超导体中,铌具有最高一些铁磁和反铁磁元素未发现其超导电性。元素超导体中,铌具有最高临界转化温度临界转化温度(9.2K)(9.2K);只有钒、铌和钽属于第二类,其他元素均属第一;只有钒、铌和钽属于第二类,其他元素均属第一类类;大多数超导合金和化合物则属于第二类。大多数超导合金
12、和化合物则属于第二类。科学家科学家20022002年发现以钚为基础的新的超导体族年发现以钚为基础的新的超导体族 美国能源部洛斯阿拉莫斯科学实验室、佛罗里达大学和德国铀后元素美国能源部洛斯阿拉莫斯科学实验室、佛罗里达大学和德国铀后元素研究所,以约翰研究所,以约翰尔拉奥博士为首的科学家小组首次发现钚的超导效尔拉奥博士为首的科学家小组首次发现钚的超导效应,证实钚、钴和镓的合金在温度为应,证实钚、钴和镓的合金在温度为18.5K18.5K时会变成超导体。时会变成超导体。组成元素都具有超导性组成元素都具有超导性合金合金Nb3SnNbTiV3GaNb3GeTc(K)18.19.516.523.2 组成元素只
13、有一种是超导元素或都不具有超导性组成元素只有一种是超导元素或都不具有超导性合金合金La2C3C8KMgB2Tc(K)5.911.09.539镧、钇、铋、铊等系列氧化物陶瓷及一些长链或环状结构的有机物镧、钇、铋、铊等系列氧化物陶瓷及一些长链或环状结构的有机物铌钛(铌钛(NbTiNbTi)合金,)合金,NbNb3 3SnSn等金属间化合物等金属间化合物铜稳定化多芯扭绞超导线材Nb3Sn的截面1234T Tc c=18.2K=18.2K超导微波器件(超导微波器件(YBCOYBCO高温超导薄膜)高温超导薄膜)超导量子干涉器件(超导量子干涉器件(SQUIDSQUID)。化学通式一般写为,R表示某一种稀土
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