超导电性Superconductivity课件.ppt

第九章 超导电性 Superconductivity 本节主要内容： ?? 固体超导现象的发现及超导体的基本性质 ?? 超导电性的研究历史 ?? 超导现象的试验研究 ?? 超导电性的热力学及唯象理论 ?? 超导电性的微观（量子）理论框架 ?? 超导电性的应用 9.1 超导电性的发现及超导体的基本性质 一、零电阻现象的发现 1908年荷兰物理学家昂内斯（K. Onnes）实现了氦的液化。 1911年昂内斯在研究Hg的低温电阻特性时，意外发现零电阻现象 File等利用核磁共振方法测量超导螺线管内的电流衰变，得出其衰变时间不小于10万年 —超导零电阻现象被确认 二、迈斯纳（Meissner）效应 1933年Meissner和Ochsenfeld发现，无论是在磁场中降温使样品进入零电阻态，还是已经是零电阻态的样品移入磁场中，样品中的磁感应强度均为零，即B＝0.----称为迈斯纳效应 迈斯纳效应说明超导体是完全抗磁体 B-磁感应强度，M-磁化强度，H-磁场强度 迈斯纳效应是超导体独立于零电阻效应的物理现象 对于零电阻导体而言：E＝0 理想导体内B的变化 超导体内B的变化 三、超导体的临界参数 9.2 超导电性研究历史 9.3 超导体的实验研究 一、超导体晶体结构研究 1910’－1950’：Bragg方程和Laue方程已经广泛应用，XRD晶体结构研究极为普遍 XRD衍射结果表明超导态与正常态的晶体结构完全相同 超导态是热力学上的稳定状态 二、超导体比热 三、超导体能隙的红外吸收光谱研究 超导能隙如果存在，即可用红外吸收光谱表征 四、超导体熵 Sn超导态和正常态熵的比较 五、超导体的同位素效应 9.4 超导转变的热力学分析 一、超导体自由能 如果将超导体看成是T,H 为强度量的热力学体系，则超导体的摩尔自由能及其微分形式如下： 温度为T时： 在H＝ Hc（T）相变线上： 二、超导转变的潜热和比热变化 9.5 超导电性的唯象理论 一、二流体模型 2. 正常电子浓度和超导电子浓度皆是温度的函数, 温度大于TC 时，所有电子都是正常电子 3. 超导电子是电子的一种有序状态，其有序度可用下式表示： 二、伦敦理论 1935年London 兄弟依据二流体模型提出的一种描述超导现象的唯象理论 1. 零电阻特性 如单位体积内有nS个电子以速度vS运动，则超导电流密度JS为： 二、伦敦理论 2. 迈斯纳效应 = 0 三、金兹堡－朗道理论 虽然伦敦理论取得了伟大成功，但是在与实验对比时，还存在差距。其基本原因是在伦敦理论中假定了超导电流的电子数nS只依赖于温度。我们知道磁场可以对超导电性有很大影响。因而可以预期磁场能改变超导电子的数目，因而，nS一般来说不仅是温度T的函数，而且也是磁场B 和空间位置r 的函数。 1950年，Gingzburg-Landau从超导态是比正常态更为有序的观点出发，结合Landau的相变理论提出超导体的有序度可用超导电子的有效波函数ψ 来描述。 1. 无磁场时，超导体的G-L自由能 Ψ(r)为有序度参量，正常相Ψ(r)=0；有序相的超导相Ψ(r)≠0，且| Ψ(r) |2标志了有序的程度。 1. 无磁场时，超导体的G-L自由能 9.6 超导电性的微观理论图象 一、电子－声子如何相互作用？----库柏（Cooper）对的形成 何种电子可以形成库柏对？ 泡利不相容原理 通过交换声子形成库柏对的电子只能位于费米球以外 声子的能量决定k的大小 何种电子最易形成库柏对？ 二、超导能隙是如何形成的？ 尽管电子之间的相互作用是排斥的，但是由于库柏对借助声子交换形成，具有净的的相互吸引，所以能量是负的； 库柏对一旦形成，体系能量就下降，而且固体中的库柏对越多，体系的能量愈低； 拆散一个库柏对需要一个最低能量，所以超导态和正常态存在能隙； 由于温度越高库柏对越易拆散，能隙是温度的函数，温度越高，能隙越小，当T＝TC 时，能隙为零。 三、如何基于库柏对的概念描述超导电性？ 当超导体为非载流状态时，无论是库柏对还是正常态电子在动量空间分布是均匀的，没有择优方向，所以无电流存在； 在载流情况下，库柏对的质心动量不为零，所有库柏对都获得了一个大小相等的质心动量； 声子对库柏对中电子的散射只是将一个库柏对变成了另一个库柏对，并改变库柏对的整体动量，所以载流库柏对所产生的电流是无电阻的； 拆散一个库柏对需要一个最低能量，所以较小的电流密度的能量不足以拆散库柏对。 9.7 高温超导体简介 高温氧化物超导体(Tc77K)