《固体物理 Solid State Physics》课程讲义：第七章 超导电性 Superconductivity

第七章超导电性 Superconductivity 就对社会冲击而言,高温(最终将达到室温)超导可能 是,除了受控核聚变外,物理学中最重要的问题! Nobe奖获得者 Ginzburg

第七章 超导电性 Superconductivity 就对社会冲击而言，高温（最终将达到室温）超导可能 是，除了受控核聚变外，物理学中最重要的问题！ —Nobel奖获得者Ginzburg

7.1引言 口主要内容 固体超导现象的发现及超导体的基本性质 n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 学习提示 授课思路:实验规律一物理启发一理论建立 掌握超导电体的基本物理特性及相关理论 对超导电性从实验现象到理论的建立过程应有所感悟

7.1 引 言 ￾ 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 学习提示 主要内容 ￾ 授课思路：实验规律－ 物理启发－理论建立 ￾掌握超导电体的基本物理特性及相关理论 ￾对超导电性从实验现象到理论的建立过程应有所感悟

7.2超导电性的发现及超导体的基本性质 、零电阻现象的发现 0150 1908年荷兰物理学家昂 内斯(K.Ones)实现了 氦的液化。 0100 n1911年昂内斯在研究Hg 的低温电阻特性时,意外c 发现零电阻现象 c:临界温度 0.050 File等利用核磁共振方法车 辆超导螺线管内的电流衰 变,得出其衰变时间不小于 10万年 0.000 4.004.20 440 超导零电阻现象被确认 T/K 在420K附近汞的电阻突降为零

7.2超导电性的发现及超导体的基本性质 ￾ 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 一、零电阻现象的发现 一、零电阻现象的发现 4.00 4.20 4.40 4.00 4.20 4.40 0.150 0.100 0.050 0.000 T / K ** * TC：临界温度 在4.20K附近汞的电阻突降为零 R/ Ω ￾File等利用核磁共振方法车 辆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

7.2超导电性的发现及超导体的基本性质 迈斯纳( Meissner)效应 193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=0.一称为迈斯纳效应 B=0 永磁体 超导体 7 迈斯纳效应说明超导体是完全抗磁体 B=u(h+M B=0畛M=-Hx H

7.2 超导电性的发现及超导体的基本性质 ￾ 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 0 B HM = + μ ( ) 二、迈斯纳（Meissner Meissner）效应 ￾ 迈斯纳效应说明超导体是完全抗磁体 B＝0 M H = − 1 MH χ = =− T >Tc B=0 T <Tc 超导体 永磁体 磁悬浮示意图

7.2超导电性的发现及超导体的基本性质 口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:B=B(t=0 aB V×E=0 超导体:B=0 理想导体内B的变化 超导体内B的变化 加场 降氵 加场 降温 加场 加场 降温 降温 44444 去场 去场 去场 去场

7.2超导电性的发现及超导体的基本性质 迈斯纳效应是超导体独立于零电阻效应的物理现象 迈斯纳效应是超导体独立于零电阻效应的物理现象 0 t ∂ = −∇ × ∂ B E = 对于零电阻导体而言：E＝0 理想导体：B＝B0（t = 0） 超导体：B≡0 降温 加场 加场 降温 去场 去场 降温 去场 加场 去场 降温 加场 理想导体内B的变化 超导体内B的变化

7.2超导电性的发现及超导体的基本性质 三、超导体的临界参数 1.临界磁场 H. (T) H=H(0( 正常态(N) 2.临界电流 超导态(S) 3.两类超导体 混合态 M M S 涡旋态 H H 第Ⅰ类超导体 第Ⅱ类超导体

7.2超导电性的发现及超导体的基本性质 1. 临界磁场 (0)(1 ) c c c T H H T = − 三、超导体的临界参数 三、超导体的临界参数 Hc（T） T 超导态（S） 正常态（N） 2. 临界电流 (0)(1 ) c c c T J J T = − 3. 两类超导体 M H HC S N M H HC1 HC2 S N 混合态 涡旋态 第Ⅰ类超导体 第Ⅱ类超导体

7.3超导电性研究历史 TC 氧化物高温超导体 125K或更高 (含CUO) 1985年 MB2,C60纳米碳管等 其它低温超导体 金属及金属间化合物 低温超导体 时间

7.3超导电性研究历史 Tc 时间 金属及金属间化合物 低温超导体 氧化物高温超导体 （含CuO） MB2， C60，纳米碳管等 其它低温超导体 1985年 125K或更高

7.4超导体的实验研究 超导体晶体结构研究 n1910-1950: 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 )M-s转变不是出晶体结构(原子排列)变化而引起的楣变

7.4 超导体的实验研究 ￾ 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 一、超导体晶体结构研究 一、超导体晶体结构研究 N—S转变不是由晶体结构（原子排列）变化而引起的相变

7.4超导体的实验研究 二、超导体比热 镓 0B2=20G 4:8E 0.l 正常态 7=0596+005687 CesyT-=7.46exp(-1 39T/T) l.5000 b) Ga比热的实验结果 超导体比热按指数变化 超导态与正常态存在能隙 cde △/kaT 尽管能隙很小

7.4 超导体的实验研究 二、超导体比热 二、超导体比热 超导体比热按指数变化 / Bk T C e s −Δ ￾ 超导态与正常态存在能隙， 尽管能隙很小 Ga比热的实验结果

7.4超导体的实验研究 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 09 08 07 BCS理论曲线 03 Csetglzkbl 0 001020304050607080910 超导态似严同双电子行为有关 超导能隙的红外吸收光谱测量结果

7.4 超导体的实验研究 ￾ 超导能隙如果存在，即可用红外吸收光谱表征 三、超导体能隙的红外吸收光谱研究 三、超导体能隙的红外吸收光谱研究 超导能隙的红外吸收光谱测量结果 ε F Eg / 2 E B g KT Cs e− ￾ 超导态似乎同双电子行为有关