超导物理（上)

http://10.107.0.68/~jgche/ 超导电性 1 本讲目的 • 超导电现象及物理原因 http://10.107.0.68/~jgche/ 超导电性 2 第30讲、超导电性 I. 传统超导现象及其微观理论 1. 低温超导现象 2. 临界温度、电流、磁场 3. Meissner效应 4. 超导体是否理想导体？ 5. Cooper对 6. 单电子隧穿效应和BCS的验证 7. Josephson效应 II. 铜氧化物高温超导 1. 氧化物超导的发现 2. 结构共性与超导电性 III. 铁基高温超导 http://10.107.0.68/~jgche/ 超导电性 3 I、传统超导现象及其微观理论 • 1911年, H. K. Onnes (1913得诺贝尔奖) • 1957年, J. Bardeen, L. N. Cooper and J. R. Schrieffer (BCS理论，1972得诺贝尔奖) • 1962年, B. D. Josephson (1973得诺贝尔奖) http://10.107.0.68/~jgche/ 超导电性 4 1、低温超导现象 关于低温时金属电阻的推测 1. 如完全来源于电子—声子散 射，极低温时T5下降 2. 如来源于杂质、缺陷散射， 则电阻与温度无关趋于常数 3. 如金属中载流子浓度随T下降 而减少，则电阻反而上升 • 但1911年Onnes发现，在临界 温度Tc=4.15K以下，汞进入 了一个新的状态：电阻为 零，或，电流一旦建立，永 不衰减他称其为超导态 T R http://10.107.0.68/~jgche/ 超导电性 5 Onnes发现超导现象 • 与新技术有密切联系 * 1908年荷兰物理学家 Onnes成功液化氦气， T<4.2K，开创了低温物 理研究 • 1911年 * 为观察杂质电阻，选择 当时可提纯最高的水银 * 发现4.15K附近水银电阻 突然消失 * 这条曲线是可逆 * Onnes因此而获1913年 的Nobel物理奖 http://10.107.0.68/~jgche/ 超导电性 6 • 随后的研究明 * 很多金属都有这 种性质：有28种 元素在常压下具 有超导电性，但 并不排除在更低 温下，其他元素 也有 * 室温下是半导 体，低温时也有 超导电性质，且 转变温度比纯金 属高 * 但Au、Ag、Cu 等良导体没有 8.8Mo3Ir4.48Ta 19.2C607.19Pb 16.0NbN7.77Tc 0.30ZrAl23.40Ga 0.58AuSb20.88Zn 0.71TiCo9.26Nb 1.25PdSb20.39Ti 2.64AuBe0.56Cd 4.25NiBi4.15Hg 17.5Nb3Al1.14Al 18.05Nb3Sn3.40In 20.3Nb2Ga2.39Tl 23.2Nb3Ge3.72Sn Tc/K材料Tc/K材料 http://10.107.0.68/~jgche/ 超导电性 7 2、临界温度、电流、磁场 • 既然没有电阻， 那就可具有很大 的电流呢？ • 临界直流电流 • 超过临界电流， 超导态被破坏， 转入正常态 • 为什么？ • 是被电流自身产 生的磁场所破坏 http://10.107.0.68/~jgche/ 超导电性 8 • 临界温度，临界电流，临界磁场相图 http://10.107.0.68/~jgche/ 超导电性 9 3、Meissner效应 • Meissner效应：超导态时，磁力线被全部排斥 出超导体内——重要的特征 • 除零电阻外，还必须判断材料是否具有完全抗 磁性 T>TC TTcTTc T室温？ • 已有100多种氧化物超导 • 使用方面的展开竞争 线材、薄膜，103A/cm2 ——>105A/cm2 • 在有效地寻找新型超导体之前，应该弄清 氧化物超导的机理——BCS? 氧化物超导的结构与转变温度有何联系? http://10.107.0.68/~jgche/ 超导电性 35 2、机理探索 • 现在一般认为，BCS理论中Cooper对的概念对 高温超导机理还是适用的，即还是Cooper电子 对的凝聚，这已为大量实验事实所证实 • 但Cooper对的配对机理不同于低温超导，即不 再是通过与声子相互作用而形成Cooper对 • 有迹象显示，先配对，再相干凝聚：正常态 中，就有能隙 • 配对如此之强，连高温扰动不能打开？ http://10.107.0.68/~jgche/ 超导电性 36 层状结构 • 钙钛矿型(CaTiO3)结 构：夹层结构 • 有两种CuO层：一个 Cu与五个 O构成金字 塔二维CuO2层， Cu与近邻两个 O构成一 维CuO链 • 两个二维CuO2金字塔层夹住一个Y • CuO2与CuO一维链所在层间隙中是Ba http://10.107.0.68/~jgche/ 超导电性 37 • HgBa2Ca2Cu3O9 • TlBa2Ca2Cu3O9 • BiSr2CuO6含有CuO八面体 http://10.107.0.68/~jgche/ 超导电性 38 2、结构共性与超导电性 • 都属层状钙钛矿结构 • 都包含一个四面体，八面体或平面的所谓二维 CuO2层，该层完整，超导性好 • 这种二维CuO2层是超导层，证据：只需约百 分之几的二价的磁性离子Ni或非磁性离子Zn替 代其中的Cu，超导电性就被破坏，而替代所谓 的一维CuO链中的Cu，只是改变载流子的浓度 而影响超导电性，对结构的影响更大些，另一 证据是La系高温超导没有一维CuO链 http://10.107.0.68/~jgche/ 超导电性 39 • 氧含量的作用：不同氧成分的转变温度的实验 结果，一维CuO层——载流子库 http://10.107.0.68/~jgche/ 超导电性 40 III. 铁基高温超导 • 2007年发现基于磁性元 素Fe和Ni的超导体，当 时转变温度仅3~5K； * 2008年2月东京工业大 学教授细野秀雄小组发 现，在LaOFeAs中掺F 可以提高转变温度 26K，形成热点。目前 这种超导体转变温度最 高约55K 也是层状结构 机制：高温超导 http://10.107.0.68/~jgche/ 超导电性 41 http://10.107.0.68/~jgche/ 超导电性 42 http://10.107.0.68/~jgche/ 超导电性 43 http://10.107.0.68/~jgche/ 超导电性 44 http://10.107.0.68/~jgche/ 超导电性 45 铁基高温超导的意义 • 铁基高温超导材料有望促成对高温超导工作机 制的突破 • 铜氧化合物不适合做导线，而铁基高温超导材 料有优势 • 2001年发现的传统超导体二硼化镁，其临界温 度达39K，是因为二硼化镁具有两个能带，通 过某种机制可以将临界温度提高接近两倍；而 铁基高温超导材料恰恰是多能带 http://10.107.0.68/~jgche/ 超导电性 46 本讲要点及所涉概念 • 传统超导现象及机制 * Meissner效应 * Cooper对和超导能隙 • 高温超导材料和机制 * BCS理论中的Cooper对仍有效，但配对机理不清， 电子关联是关键 * 高温超导材料结构也许有启发：层状有缺陷的钙钛 矿结构，都包含有二维CuO2超导层，而一维CuO链 所在层是载流子库，调节作用 http://10.107.0.68/~jgche/ 超导电性 47 习题 29. 一维单原子链，如果第j近邻的力常数为 其中A和q0是常数，求色散关系。 ja ajqAC j 0 sin