高温超导材料及应用
高温超导材料及应用《物理学在高新技术材料中的应用》
主要内容
.超导体的基本知识
.超导研究的历史
.高温超导体的发现和特性
.铁基高温超导体新进展.超导材料的应用
一、超导体的基本知识
1、超导体的零电阻特性
.电阻为零R=0 (Superconductor )
TC：超导临界温
1911 年荷兰科学家Onnes 观测到Hg 的电阻在 4.2K 突然下降为零,首
次发现了超导现象。超导环中的永久电流实验：r.10-23W.cm
卡末林·昂内斯
H. Kamerlingh-Onnes (1853--1926)
1913 年，诺贝尔物理学奖，因对物质低温性质的研究和液氦的制备而获
奖。
R=0in superconductor 超导体
高温超导体YBCO 的电阻- 温度曲线
2. Meissner 效应
Meissner 效应（完全抗磁性, 理想抗磁性）完全抗磁性是指磁场中的金属处于超导状态时，体内的磁感应强度为零的现象。这一现象是荷兰科学家迈斯纳发现的，因此又称为迈斯纳效应。他在实验中发现，放在磁场中的球形的锡在过渡到超导态的时候，锡球周围的磁场都突然发生了变化，磁力线似乎一下子被排斥到导体之外。进一步研究发现，原来超导体表面能够产生一个无损耗的抗磁超导电流，这一电流产生的磁场，恰巧抵消了超导体内部的磁场。
磁感应强度B=0（超导体内）
Meissner 和Ochsenfeld 1933 年发现
- 和理想导体不同
- 存在一临界磁场
H> HC 超导态到.正常态
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置于外磁场中的超导体会表现出完全抗磁性，即超导体内部磁感应强度恒为零的现象—称为“迈斯纳效应”
Meissner 效应
由于Meissner 效应，磁铁和超导体之间存在很强的排斥作用，--- 磁悬浮
右图：小磁体悬浮在超导体上。
3. 表征超导体的重要物理量
.超导临界温度：Tc ~ 165 K （5 万大气压）, record, Hg-
1223 .临界磁场：Hc
~ 10 –100 nm
.穿透深度：. λ 磁场在超导体表面穿透进入超导体的深
说，破坏一个 Cooper 对需要 2Δ .的能量
4. Josephson （约瑟夫森 ） 效应
Φ0=2x10-7Gauss/cm2
随磁通量变化类似光学衍射 约瑟夫森效应
Josephson Effect ) 1962 年， Josephson 预言超导电子对隧道效应，并 被实验证实，在 Josephson 效应基础上形成“超导电子
学”。
bd_josep .1973 Nobel Prize for Physics ( with Leo Esaki and IvarGiaever ) Completed the great work as a postgraduate!研究生
关于约瑟夫森
1974 年成为物理教授。目前他仍然在剑桥大学卡文迪什
实验室（物理系）的凝聚态研究组工作，负责“心物统
一项目”的研究工作，即从事 一些不被主流科学界认可的“特异功能”研究，特别是对“遥视”的研究。
60 年代末，他离开了主流科学领域，从事实智能、意识、超心理学的研究。他个人兴趣广
泛，爱好登山、滑冰、摄影和天文学。
.相干长度： . ζ ，电子配对（ Cooper 对）的尺寸， ~1-50nm 临界电流： Jc ，最大能通过的电流
.超导能隙： Δ .，超导态（基态）与激发态的能量差，或者
.Ginzburg-Landau 参量： =λ/ζ
1962 年， 国剑桥大学超导物理学家皮帕德（ A.B.Pippard ）的研究生，年仅 22 岁
1969 年约瑟夫森是剑桥大学的初级研究员， 1965 －1966 年到美国伊利诺伊大学访问， 任究 助理教授。 1972 年成为高级讲师， 在漫长的超心理学研究中， 他可没有象在超导研究中那么幸运， 至今他仍然被科学界视为端。
1994 年 8 月 12 日约瑟夫森在《泰晤士报高教增刊》 Times Higher Education Supplement )
上著文为科学上的异端作了辩护， 特别提到大剂量服用维生素
C 、反引力和意念致动问题。
他的观点很明确，总是为 弱者” 辩护，并极力抱怨他们受到了科学界不公正的待遇。
超导量子干涉仪(SQUID)
Φ0=2x10-7Gauss/cm2
5、超导理论：
Bardeen、Cooper、Schrierfer 理论（BCS 理论）
1986 年发现的铜氧化物超导体的超导电性不能用BCS 理论解释
6、超导体的分类
I 类超导体：
Pb, Sn, Hg 等单质金属
B.Bc 超导态. 正常态
Bc 一般很小, 中间态概念
I.Ic 超导态.正常态
Ic 一般很小（通常无用）第一类超导体
.在超导态是理想的抗磁体（Meissner 态）。
HC：临界磁场当H>HC, 转变为正常态
超导态
完全抗磁性正常态
一些元素的超导临界温度
Pb 7.2 K La 4.9 K Ta 4.47 K Hg 4.15 K Sn 3.72 K In 3.40 K Tl 1.70 K Rh 1.697 K Pr 1.4 K Th 1.38 K
Al 1.175 K Ga 1.10 K Ga 1.083 K Mo 0.915 K Zn 0.85 K Os 0.66 K Zr 0.61 K Am 0.6 K Cd 0.517 K Ru 0.49 K Ti 0.40 K U 0.20 K Ha 0.128 K Ir 0.1125 K Lu 0.1 K Be 0.026 K W 0.0154 K Pt 0.0019 K Rh 0. K
已知的超导元素
超导体的分类.第II 类超导体两个临界磁场HC1 、HC2
H.Hc1Meissner 态，完全抗磁通B=0
Hc1 .H .Hc 2混合态，磁通格子态磁通量子、磁通钉扎、流动、蠕动。
H.Hc 2正常态理想第II 类超导体、非理想第II 类超导体第二类超导体相图
Meissner 态
混合态
正常态
HC1
当HC1 处于混合态，磁通部分穿透进超导体，抗磁性不完全。在混合态的磁通线有规律地排列成三角或四方格子，称为磁通格子。 HC2