武汉大学：《电机学》课程教学课件（讲稿）第一讲 超导的昨天今天和明天

超导的昨天、今天和明天 武汉大学电气工程学院

超导的昨天、今天和明天 武汉大学电气工程学院

超导的历史 ●超导的基本特性 超导的应用

⚫超导的历史 ⚫超导的基本特性 ⚫超导的应用

1911年超导电性的发现 1908年荷兰物理学家 Heike Kamerlingh Onnes经过长期努力,使最后一种“永 久气体”氦气(He)液化。1911Ones在 研究金属电阻随温度变化规律时发现, 当温度降低时,汞(Hg)的电阻先是平 稳地减小,而在42K附近,电阻突然降 , H9 为零。 由于他的这一发现获得了1913年的诺 贝尔奖。Ones在诺贝尔领奖演说中指w 出:低温下金属电阻的消失“不是逐渐 的,而是突然的”,水银在4.2K进入 速度(K) 了一种新状态,由于它的特殊导电性能, 可以称为超导态

1911年超导电性的发现 1908年荷兰物理学家Heike Kamerlingh Onnes经过长期努力，使最后一种“永 久气体”氦气(He)液化。1911年Onnes在 研究金属电阻随温度变化规律时发现， 当温度降低时，汞（Hg）的电阻先是平 稳地减小，而在4.2K附近，电阻突然降 为零。 由于他的这一发现获得了1913年的诺 贝尔奖。 Onnes在诺贝尔领奖演说中指 出：低温下金属电阻的消失“不是逐渐 的，而是突然的” ，水银在4．2K进入 了一种新状态，由于它的特殊导电性能， 可以称为超导态

1933年超导完全抗磁性的发现 外加破场 零磁 ●1933年,荷兰的迈斯纳 和奥森菲尔德共同发现了○ 超导体的另一个极为重要 的性质,当金属处在超导 状态时,超导体内的磁感 外加磁端 应强度为零,原来存在于 体内的磁场(磁力线)被 排挤出去。人们将这种现 移去根 去場 象称之为“迈斯纳效应

1933年超导完全抗磁性的发现 ⚫ 1933年，荷兰的迈斯纳 和奥森菲尔德共同发现了 超导体的另一个极为重要 的性质，当金属处在超导 状态时，超导体内的磁感 应强度为零，原来存在于 体内的磁场（磁力线）被 排挤出去。人们将这种现 象称之为“迈斯纳效应”

1957年超导量子理论BCS理 1957年,美国伊利诺斯大学巴丁、库柏、施瑞弗提出了 正确解释超导现象的量子理论,称为BCS理论:正常金 属中的电阻是由于电子被晶格散射导致电子动量变化产生的。在超导态中 旦加上外电场,所有电子对都获得相同的动量,发生高度有序的运动。由 于库柏对的总动量守恒,当电子对中的一个电子受到晶格散射动量发生改变 时,电子对中的另一个电子必然发生相反的动量改变。所以晶格既不能加快, 也不能减慢电子对的运动,其宏观表现就是电阻为零。应该注意,并不是所 有的传导电子在超导态下都能结合为库柏对。在/≠0K时,总存在着一些 通常方式在昰体中运动的“正常”电子。温度越高,库柏对被破坏得越多, 超导体中“正常”电子的比例越大。在温度上升到临界温度7时,所有的库 柏对都被破坏,超导能隙减小到零物质过渡到正常态。BCS理论不但能解释 超导态的零电阻现象,而且对迈纳斯效应、超导体比热、临界磁场的计算与 实验结果相符。巴丁、库柏、施瑞弗获得了1972年诺贝尔 物理奖

1957年超导量子理论—BCS理 论1957年，美国伊利诺斯大学巴丁、库柏、施瑞弗提出了 正确解释超导现象的量子理论，称为BCS理论：正常金 属中的电阻是由于电子被晶格散射导致电子动量变化产生的。在超导态中， 一旦加上外电场，所有电子对都获得相同的动量，发生高度有序的运动。由 于库柏对的总动量守恒，当电子对中的一个电子受到晶格散射动量发生改变 时，电子对中的另一个电子必然发生相反的动量改变。所以晶格既不能加快， 也不能减慢电子对的运动，其宏观表现就是电阻为零。应该注意，并不是所 有的传导电子在超导态下都能结合为库柏对。在T≠0 K时，总存在着一些以 通常方式在晶体中运动的“正常”电子。温度越高，库柏对被破坏得越多， 超导体中“正常”电子的比例越大。在温度上升到临界温度Tc时，所有的库 柏对都被破坏，超导能隙减小到零物质过渡到正常态。BCS理论不但能解释 超导态的零电阻现象，而且对迈纳斯效应、超导体比热、临界磁场的计算与 实验结果相符。巴丁、库柏、施瑞弗获得了1972年诺贝尔 物理奖

1972年诺贝尔物理奖获得者:巴丁、库柏、施瑞弗 John Bardeen Leon Cooper John Schrieffer 巴丁 库柏 池瑞弗

1972年诺贝尔物理奖获得者：巴丁、库柏、施瑞弗 John Bardeen Leon Cooper John Schrieffer 巴丁 库柏 施瑞弗

1962年约瑟夫森效 应 ●1962年仅20多岁的剑桥大学实验物理硏究生 约瑟夫逊在著名科学家安德森指导下研究超 导体能隙性质时,发现超导体的超导隧道效 应。在玻璃衬板上镀一层超导金属膜,使其上形成厚度 很薄的绝层,在氧化层上再镀上一层超导金属膜,就得到 个超导绝缘—超导(S—I-S结,称为约瑟夫森结或超导 结。理论和实验都证明,当绝缘层厚度在10A左右时,库柏 对由于隧道效应穿过势垒后仍保持配对状态,即绝缘层中出 现少量超导电子,具有了弱超导电性。宏观上表现为在绝缘 层中可以无阻地通过几十微安到几十毫安的电流而在SI一 S结两端并无电压降落。这个现象叫做约瑟夫森效应

1962年约瑟夫森效 应 ⚫ 1962年仅20多岁的剑桥大学实验物理研究生 约瑟夫逊在著名科学家安德森指导下研究超 导体能隙性质时，发现超导体的超导隧道效 应 。在玻璃衬板上镀一层超导金属膜，使其上形成厚度 很薄的绝层，在氧化层上再镀上一层超导金属膜，就得到一 个超导—绝缘—超导(S—I—S)结，称为约瑟夫森结或超导 结。理论和实验都证明，当绝缘层厚度在10Å左右时，库柏 对由于隧道效应穿过势垒后仍保持配对状态，即绝缘层中出 现少量超导电子，具有了弱超导电性。宏观上表现为在绝缘 层中可以无阻地通过几十微安到几十毫安的电流而在S—I— S结两端并无电压降落。这个现象叫做约瑟夫森效应

1986-今高温超导体的发现 人类的梦想:液氦温区的超导体→液氮温区的高温超导材料 1986年初高温超导研究取得了突破性的发展,物理学家 Mueller 和 Bednorz发现了高温铜氧化物超导体a2,Ba、CuO4,超导临界 温度达40K 1987年2月,美国华裔科学家朱经武和中国科学家赵忘相继 在钇YBa2Cu3O系材料上把超导临界温度提高到90K以上,液氮的禁 区(77K)也奇迹般地被突破了。 1987年底,T-Ba-Ca-Cu-O系材料又把临界超导温度的记录提高到 125K 随后的几年高温超导临界温度迅速提高, 已达到160K并向更高的温度进军

1986-今 高温超导体的发现 人类的梦想：液氦温区的超导体→液氮温区的高温超导材料 1986年初高温超导研究取得了突破性的发展，物理学家Mueller 和Bednorz发现了高温铜氧化物超导体La2-xBaxCuO4，超导临界 温度达40K. ✓ 1987年2月，美国华裔科学家朱经武和中国科学家赵忠贤相继 在钇YBa2Cu3O7系材料上把超导临界温度提高到90K以上，液氮的禁 区（77K）也奇迹般地被突破了。 ✓ 1987年底，Tl-Ba-Ca-Cu-O系材料又把临界超导温度的记录提高到 125K。 ✓ 随后的几年,高温超导临界温度迅速提高， ✓ 已达到160K,并向更高的温度进军

具有超导电性的元素 KNOWN SUPERCONDUCTIVE ELEMENTS Ⅲ A YAYA IAⅦA|He Be- BLUE= AT AMBIENT PRESSURE BCNOFNe GREEN= ONLY UNDER HIGH PRESSURE 3Na Mg m IVB VB VIB VIIB B‖B|A|sjp|sc|Ar K CaI Sc TiY cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As I Se BrKr 3738 4647 505B2B354 5 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh pd Aq cd In Sn sb TeIXe 7879 831848586 6Cs Ba *La Hf I Ta w Re osI Ir Pt Au Hq Ti Pb Bi Po At Rn 112 Fr Ra F|Ha10610710810911011112 SUPERCONOUCTORS ORG ★ Lanthanide Series ce Pr Nd m sm eu gd tb dy ho er Tm lu +Actinide 9219394195196197198199h001011102103 Series Th I Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md NoLr

具有超导电性的元素

200 x历史进程 1 TyBa, Ca,,b 超蹲轉變漯度⌒K BaSr,CB,Cu,O, 液氮沸點 加歷 La,Ba cuo. NbN Nas V s NEAG 1920 1940 1960 2000 年度

历史进程