文档介绍：第六章超导材料
具有在一定低温条件下呈现零电阻以及完全抗磁性的材料
超导材料的发展概述
超导零电阻现象的发现
1911年,科学家发现金属的电阻和它的温度条件有很大关系:温度高时,它的电阻就增加,温度低时电阻减少。并总结出一个金属电阻与温度之间的关系的理论公式。
荷兰物理学家昂尼斯( H. K. Onnes )为检验金属电阻与温度之间关系的理论公式的正确性,用水银作试验。将水银冷却到-40℃时,亮晶晶的液体水银变成了固体;他把水银拉成细丝,并继续降低温度,同时测量不同温度下固体水银的电阻,,水银的电阻突然变成了零。
开始他不太相信这一结果,于是反复试验,但结果都是一样。这一发现轰动了世界的物理学界,后来科学家把这个现象叫超导现象,把电阻等于零的材料称超导材料,而把出现超导现象的温度称作超导材料的“临界温度”。
昂尼斯和许多科学家后来又发现了28种超导元素和8000多种超导化合物材料。但出现超导现象的临界温度大多在接近绝对零度的极低温,没有什么经济价值。
为了寻找临界温度比较高的没有电阻的材料,世界上无数科学家奋斗了近60年,也没有取得什么明显进展。但发现了一些新现象和发展了一些理论:
1933年——迈斯纳( Meissner )和奥森菲尔德发现迈斯纳效应。
1957年——BCS理论被提出。
直到1973年,英、美一些科学家才找到一种在23K出现超导现象的铌锗、铌镓合金( Nb3(),Nb3Ga、 NbGe ),此后这一记录又保持了10多年。
到了1986年,在瑞士IBM公司研究室工作的贝德诺茨和缪勒从别人多次失败中总结教训,放弃了在金属和合金中寻找超导材料的老观念,终于发现一种钇钡铜氧陶瓷氧化物材料在43K这一较高温度下出现超导现象。这是一个了不起的成就,因此他们两人同时获得了1987年的诺贝尔物理学奖。
美籍华人学者朱经武, K 和98 K时出现超导现象的钇钡铜氧系高温超导材料。
199l年,美国和日本的科学家又发现了球状碳分子C-60在掺钾、铯、钕等元素后,也有超导性。
1995年美国国立洛斯阿拉莫斯实验室的科学家已经把高温超导体制成柔韧的细带状,由于没有电阻,其导电性是铜丝的1200多倍。
超导材料在液氮以上温度( 77K,-196℃)工作,是20世纪内科学技术上的重大突破,也是超导技术发展史上的一个新的里程碑。至今,对高温超导材料的研究仍然方兴未艾。高温超导迅猛发展,Tc不断升高,已达132K。
传统超导体的微观机制
①同位素效应
②超导能隙
③库柏电子对
④相干长度
⑤BCS理论
①同位素效应
20年代初,同位素效应、超导能隙等发现取得了很大成功,提供了揭开超导性之谜的线索。
同位素效应是麦克斯韦和雷诺在1950年各自测量水银的同位素的临界转变温度时发现的。随着水银同位素质量的增高,临界温度降低。得到原子质量M和临界温度Tc的简单关系:Tc= 1/M,其中,=。
这种转变温度Tc依赖于同位素质量M的现象就是同位素效应。
同种材料同位素在化学性质、晶体结构、电子组态及静电性质等方面都相同,只是不同原子量对晶体点阵的热振动(晶格振动)的特性有影响。
如果构成晶格的离子质量不同,在给定条件的情况下,晶格振动的频率会依离子质量不同而发生变化,即离子质量M可以反映出晶体的性质。
从式 Tc= 1/M可看出,离子质量M反映了晶体的性质,临界温度Tc反映了电子性质,所以,同位素效应把晶格与电子联系起来了。
一般金属的电阻是由于原子的振动对电子的散射引起的,即晶格振动是出现电阻的原因。
人们发现,导电性良好的碱金属和贵金属由于其电子—晶格相互作用很微弱(室温下电阻小),故都不是超导体。而常温下导电性不好的材料,在低温却有可能成为超导体。
在固体理论中,描述晶格振动的能量子称之为声子,同位素效应明确了电子—声子的相互作用与超导电性有密切关系。
临界温度比较高的金属,由于其电子—声子相互作用强,故常温下导电性较差。因此弗洛里希提出电子—声子相互作用是高温下引起电阻的原因,而在低温下导致超导电性。
②超导能隙
在20世纪50年代,许多实验表明,当金属处于超导态时,超导态的电子能谱与正常金属不同,右图是一张在T=0K的电子能谱示意图。它的显著特点是:在费米能EF附近出现了一个半宽度为Δ的能量间隔,在这个能量内不能有电子存在,人们把这个Δ叫做超导能隙,能隙大约是10-3-10-4eV数量级。在0K,能量处于能隙下边缘以下的各态全被占据,而能隙以上的各态则全空着,这就是超导基态。超导能隙的出现反映出电子结构在从正常态向超导态转变过程中发生了深刻变化,这种变化就是F·伦敦指出的"电子平均