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超导物理 第一讲 讲义

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精彩超导物理讲座

精彩超导物理讲座
11
4 新的突破－高温超导
超导临界温度Tc未有突破，但仍不断努力 C60（由60个碳原子构成的分子（物质一般不由 原子构成，碱金属掺杂的C60有金属行为，超 导现象） ， MgB2：二硼化镁 NaxCoO2钴氧化物准二维三角格子体系 ……
室温超导：不可抗拒的诱惑
12
二、超导理论简介
（一）超导体的基本性质 （二）超导材料的分类 （三）超导体的微观理论
这一发现标志着超导物理学的诞生。
5
超导电性的发现
1911年昂尼斯(左)
和范得瓦尔斯在实
验室里
6
3超导电性的发展
自从昂尼斯1911年发现超导现象以来，人们已 发现共有近40种元素是超导体。被发现的合金、化 合物超导体的数量达到数千种。
7
3超导电性的发展
经过数十年的努力，超导体临界温度只 能提高到23.2K（铌三锗Nb3Ge,1975年）。由 于以上的超导现象只能在液氦[hài]温区出现， 而氦是一种稀有气体，因而大大限制了超导的 应用。 人们一直在探索把超导临界温度提高到液 氮温区（77K）以上的办法，这就出现了高温 超导研究。
13
二、超导理论简介 （一）超导体的基本性质
超导体的判断准则： 一、零电阻现象 二、迈斯纳效应 (完全抗磁性) 三、稳定性和再现性 四、可重复性和可验证性
14
（一）超导体的基本性质
1、零电阻效应 2、迈斯纳效应(完全抗磁性) 3、超导态的临界参数 4、约瑟夫森效应
15
1、零电阻效应
零电阻现象： 将超 导体冷却到临界温 度（TC）以下时电 阻突然降为零的现 象称为超导体的零 电阻现象。不同超 导体临界温度各不 相同。
里
9
4 新的突破－高温超导

超导物理 第一讲 Overview of Superconductivity ppt课件

超导物理 第一讲 Overview of Superconductivity ppt课件
“超导物理”第一讲
Overview of Superconductivity
浙江大学凝聚态物理研究所CGH
ppt课件
1
课程介绍
参考书: 1) 张裕恒：《超导物理》，中国科技大学出版社 2) 章立源等：《超导物理学》，电子工业出版社 3) 张其瑞：《高温超导电性》，浙江大学出版社 4) M. Tinkham: “Introduction to Superconductivity”,
=(r)=Aei(r)
ppt课件
25
BCS Theory of Superconductivity
ppt课件
26
超导机制－Cooper电子对
动量空间
实空间
正常态
ppt课件
超导态
27
BCS Theory of Superconductivity
1972 Nobel Prize for Physics
McGraw-Hill, Inc. 考试等：
ppt课件
2
Outline
Discovery of Superconductivity Development of Superconducting Materials Basic Properties of Superconductors Phenomenological Theories Microscopic Theories New Challenges (HTSC)
ppt课件
15
ppt课件
16
Superconducting Critical Magnetic of Tc, Hc and Jc
ppt课件
18
Type I and Type II Superconductors

超导物理学讲座

超导物理学讲座

首先，环孔内的磁通量不变性。
取环体内一条闭合回路C，并设C足够深入到环体内， 使C上的超导电流Js=0。由Jn ＝E，在C上有E=0。 把电磁感应定律应用于回路C上，有
d E dl 0 c dt
其中 φ为通过 C 内部的磁通量，也就是通过环孔的通 量（严格地说，应包括通过环面薄层内的部分）。
Josephson
40
5、超导体的宏观量子化现象 超导体中的冻结磁通是量子化的，
L n 0
其中磁通量子
n = 0,1,2,3,…
0 2.07 10 15Wb 2e
41
超导体内的磁通量子化
B
设当 T>Tc 时 , 把一个处于正 常态的超导环放置于外磁场 中。降低温度使T<Tc，该环 转变为超导态，然后撤去外 磁场。结果是通过环孔的磁 通量仍然被保持着，同时在 超导环面薄层内诱导出超导 电流，它维持着通过环孔的 磁通量。若无其他扰动，超 导电流与通过环孔的磁通量 将长期存在着。
8
新的突破－高温超导
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YBa2Cu3O7系材料上把 超导临界温度提高到 90K 以上， 成功地突破了液氮温区 （77K）。 自此，掀起了全球性的高 温超导研究热潮。

朱经武
赵忠贤
9
新的突破－高温超导
区分： 液氦温区的金属合金化合物超导体称 为传统超导体。 氧化物超导体称为高温超导体。
3、超导态的临界参数
4、约瑟夫森效应
5、超导体的宏观量子化现象
6、超导体的分类
16
1、零电阻效应 将超导体冷却到 临界温度（ TC ）以 下时电阻突然降为 零的现象称为超导 体的零电阻现象。 不同超导体临界温 度各不相同。

专题应用超导材料课堂PPT

专题应用超导材料课堂PPT
要升压降压设备。 重量轻、体积小，输 送大功率的超导传输线可铺设在地下管
道内，从而省去了许多传输线的架设铁塔。
1.4.9. 超导材料的应用
从内到外，依次为： 管状支撑物（内通液氮）； 超导导体层（为电缆载流导体）； 电气绝缘层（工作在液氮低温环境下）； 超导屏蔽层（为超导带材绕制）； 液氮回流层（与管状支撑物内的液氮构成液氮回流循环）； 热绝缘层（为真空隔热套件）； 常规电缆屏蔽层和护层（与常规电力电缆类似） 。
1.4.4. 产生超导电性的原因
• BCS理论：
当在超导临界温度以下时，通过晶格振动（声子）为媒介 的间接作用使电子之间产生某种吸引力，克服库伦排斥从而导 致自由电子将不再无序地“单独行动”，并形成“电子对”。
BCS理论不能解释30K以上的超导现象，特别是高温超导。
电子对概念
❖当温度T<Tc时，超导体内存在大量的库珀
1.4.9. 超导材料的应用
零电阻效应 完全抗磁性 超导隧道效应
1.4.9. 超导材料的应用
超导电力传输(零电阻的应用）
✓ 超导输电电缆： 将超导电缆放于液氦冷却介质管道内，保证整条输电线路 在超导状态下运行。
✓ 超导电力传输的优点： 超导输电电缆比普通的地下电缆容量大25倍,电能消耗仅为所
输送电能的万分之几。 传统输电需要高压，因而有升压，降压设备。用超导线就不需
S1
S3
电 源
负
Ls S2
载
超导温度
超导储能基本原理示意图
❖充电：合上开关S1，打开S2和S3时，超导线圈Ls充电； ❖储能：合上S2，打开S1，在电路2中就有一个持续电流； ❖放电：合上S3，打开S2，储存的电能就传输到外部负载。
1.4.9. 超导材料的应用

超导介绍及应用PPT课件

超导介绍及应用PPT课件
超导技术在军事工业中也可 以发挥其特有的作用，超导扫雷 具就是其中之一。超导扫雷具的 工作原理是：超导扫雷具模拟舰 船磁场特性，采用两根大电流电 缆在海水中形成电极，并与海水 组成闭合电路产生磁场，或者在 船上安装一个电磁体产生磁场， 从而得以将磁水雷引爆
(6)科学工程和实验室应用
• 科学工程和实验室是超导技 术应用的一个重要方面，它 包括高能加速器、核聚变装 置等。高能加速器用来加速 粒子产生人工核反应以研究 物质内部结构，是基本粒子 物理学研究的主要装备。
当通过超导体中的电流达到某一特定值时， 又会重新出现电阻，使其产生这一相变的电 流称为临界电流 临界磁场(Hc): 逐渐增大磁场到达一定值后，超 导体会从超导态变为正常态，把破坏超导电 性所需的最小磁场
临 界 温 度
(Tc)
临界磁场
逐渐增大磁场到 H 达一定值后，超导体 会从超导态变为正常 Hc(0) 态，把破坏超导电性 所需的最小磁场称为 临界磁场，记为Hc。
超导发电机
在电力领域，利用超导线 圈磁体可以将发电机的磁场强 度提高到5万～6 万高斯，并且 几乎没有能量损失，这种发电 机便是交流超导发电机。超导 发电机的单机发电容量比常规 发电机提高5～10倍，达1万兆 瓦，而体积却减少1/2，整机重 量减轻1/3，发电效率提高50％
超导限流器
超导限流器是利用超 导体的超导/正常态转变 特性，有效限制电力系 统故障短路电流，能够 快速和有效地达到限流 作用的一种电力设备。 超导限流器集检测、触 发和限流于一体，反应 速度快，正常运行时的 损耗很低，能自动复位， 克服了常规熔断器只能 使用一次的缺点 。
巴丁、库柏、施里弗
巴丁、库柏、施里弗获得了1972年诺贝 尔物理奖
BCS理论的三个观点

超导应用.ppt

超导应用.ppt
接着昂尼斯又对多种金属、合金、化合物材料进行低温下的实验，发现它们中 的许多都具有在低温下电阻消失、感应电流长期存在的现象。由于在通常条件下导 体都有电阻，昂尼斯就称这种低温下失去电阻的现象为超导。在取得一系列成功的 实验之后，昂尼斯立即正式公布这一发现，并且很快引起科学界的高度重视，昂尼 斯也因此荣获1913年诺贝尔物理学奖。
5:超导体的应用
❖ 电子学应用
自1962年超导量子隧道效应发现以后，超导技术在 电子学中的应用揭开了新的篇章，经过多年的发展， 至今已有许多新型的超导电子器件研制成功，这些 超导电子器件包括：超导量子干涉器（SQUID）、 超导混频器、超导数字电路、超导粒子探测器等。
❖ 生物医学应用
超导技术在生物医学中的应用包括超导核磁共振成 像装置（MRI）和核磁共振谱仪（NMR） 核磁共振成像的原理是基于被测对象的原子磁场与 外磁场的共振现象来分析被测对象的内部状态。
※BCS理论的一个基本近似是：取消了电－声子作用 对能量与动量的依赖关系，采用了常数截断处理。 实际上，该理论假设，只在费米面以外一定的能层 内，两电子间才会具有吸引作用而形成Cooper对， 且为作德用 拜势 频的 率大 。小 ）不实变际。上（在能晶层体范中围与为电子相D 关的相D 互， 作用是非常复杂的，因此虽然它能够解释低温超导 体大多数特征，但铅，汞，铌等几种元素的性质却 与BCS理论计算有相当的出入。——此时应当用强耦 合理论对其加以修正。
※伦敦方程的修正－Pippard非局域理论
JS与A(r)的非局域关系－Pippard方程：
j (r , t)
3
4l
d 3r
R
R A(r)
R4
eR/p
其中， 并且假设 a
nse2 m

11-8超导体的电磁特性35页PPT

一.超导基本特性
1. 零电阻现象
（ m） Hg
Pt
Hg：T < 4.15K时， 出现超导态。
=0 R=0
0.01
I 0，却有U = 0
0 4.15
超导体内总是有
T
20 K 电场强度 E = 0
1
2. 完全的抗磁性（Meissner效应）
内 = 0（第一类超导体）
超 导
超导体内 B = 0
电 流
普通滤波器 -35 -45 -55 -65 -75 -85
M a g S 2 1 , [d B ]
对于探测强干扰下的微弱信号，预警飞机雷达上的超导接收机 的探测能力提高100倍(20dB)（相当于探测距离增加3倍）。
21
清华大学研制的已在中国联通CDMA移动通信基站商业运行的 高温超导滤波器系统
25
*二、对超导体主要电磁特性的解释 二流体模型：正常电子和超导电子提供两种电流 。
1957年由巴丁、库珀和史列菲在量子力学的基础 上提出的超导微观理论——BCS理论。
解释超导电子起因和本质，两个自旋相反的电子
通过与晶格的相互作用而吸引在一起形成库珀对，
高温超导滤 波器系统
22
下图是高温超导滤波器系统在西五道口站何首都体育学院站运行。 高温超导滤波器系统
西五道口站
首都体育学院站铁塔
首都体育学院站 23
24
4. 同位素效应 同种超导材料不同同位素的临界温度TC与原子
量M有一定关系 TCM1/2
这种特性称同位素效应。 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。 超导体的同位素效应暗示了电子与晶格之间的 相互作用是超导现象中的重要因素，为超导电性 的研究提供了重要启示。

超导材料介绍ppt课件

超导材料介绍
精品课件 1
超导材料简介
超导概述 超导电性的基本特征 超导材料的种类 超导材料的应用
精品课件 2
一、超 导 概 述
昂内斯(1853～1926) 荷兰低温物理学家 1908年成功地液化了氦气，1911年发现了某 些金属在液氦温度下电阻突然消失，即“超 导电性”现象，于 1913年获诺贝尔奖。
赵忠贤
陈立泉
锶镧铜氧(1987年初，48.精6K品)课、件钡镧铜氧、钇钡铜氧系材料，
铋系超导体
8
二、超导电性的基本特征
Zero Resistance -
Meissner Effect -
Critical Properties
Josephson Effects Tunnelling
No Power Loss Act as Magnet - Tc, Jc, Hc - Electron
精品课件 9
1. 零电阻效应
不同导体的电阻-温度曲线
水银的零电阻效应
在特定的温度下材料的电阻突然消失的现象称为超导（电）现象，发生这
一现象的温度叫超导转变温度Tc，也叫临界温度。材料失去电阻的状态称
为超导态，存在电阻的状态称为正常态。具有超导态的材料称为超导材料。 零电阻效应是超导态的一个基本特征。
精品课件 24
科学家2002年发现以钚为基础的新的超导体族
美国能源部洛斯阿拉莫斯科学实验室、佛罗里达大学和德国铀后元 素研究所，以约翰·尔拉奥博士为首的科学家小组首次发现钚的超 导效应，证实钚、钴和镓的合金在温度为18.5K时会变成超导体。
精品课件 12
超导体与理想导体的磁性质的区别
精品课件
超导态是一个 热力学平衡现 象，抗磁性可 逆；理想导体 的这种磁性质 与加场过程有 关，不可逆。

超导理论概述


2、临界磁场
HC H0 [1 ( T / TC ) 2 ]
（1）定义
一定温度下破坏超导态的最小磁场称为临界磁场 ，
对于纯金属，通常把恢复到 /2时的磁场定义为 。
（2）分类
Hc
Hc
正常态
Hc2(0)
正常态
Hc(0)
混合态
Hc1(0)
超导态
超导态
Tc
第Ⅰ类超导体
第Ⅱ类超导体
Tc
一团正电荷在运动。这些等效正电荷就对这个电子的负电荷起到一个屏蔽作用，使得超过一定距离的
两个电子之间不再有静电斥力作用（这个距离由Debye屏蔽长度来代表）。
电子--声子相互作用
Always believe that something wonderful is about to happen.
2、Cooper电子对
仍然考虑一个平面界面的半无限的理想导体，平行于这个
界面加外加磁感应强度_a，并令垂直于此面的方向为方向：
当 = 时，磁场强度将为表面处值的1/，令 = ，
这个距离叫做London穿透深度：
即：
05 理论基础
06 电声相互作用
目录
07 BCS方程
08 BCS理论的局限性
18
理论基础
超导电性
Always believe that something wonderful is about to happen.
3、临界电流密度j
一定温度下维持超导态所能流过的最大电流密度称为
临界电流密度j 。
T H C , TC 常数 ;
二流体模型：导体处于超导态时，自由电
子分为正常电子和超流电子两部分。两部分电

大学物理超导电性课件讲义

添加标题 ห้องสมุดไป่ตู้ND
添加标题 强磁场 添加标题 磁悬浮列车
8
02 单击添加标题 单击此处添加正文
能破坏超导态的外磁场的临界值
2
Hc3 H迈0 斯1纳(效TTc应)2
超导态
T 正常0态K , H c oH 0
H Hc (T )
TC T
E dl
dΦ
d(B S)
dt
dt
3
E 0 dB / dt 0
H外 Hc 超导体内
H内 0
当
S HN
I
4
三 超导电性的 BCS 理论
1957年美国物理学家巴丁、库珀、施 里弗三人共同创立了近代超导微观理论，这 就是常称的BCS理论 .
晶体局部区域的畸变
晶体点阵正 常位置
晶体点阵畸
e
变位置
5
库珀对：两个电子通 过交换声子而耦合起 来，成为束缚在一起 的电子对称为库珀对 .
库珀对两个电子之间的距离
约
,自旋与动量均等值而相
反，所以每一库珀对的动量之和为
一 超导体的转变温度
在 4.20K
附 近 汞 的 电 阻 突 降 为 零
R /()
0.150
0.100
** *
0.050 0.000
4.00
Tc ：临界温度
4.20
4.4T0 / K
1
当 T Tc ,
二 超导体 的主要特性
I
1
Ic
零 电（阻 率临界电流）时，
电阻率 0 ，电导率
2 临界磁0场1 单击添加标题 单击此处添加正文
零.
106 m
声子：晶体中由点阵的振动产生畸变而传播的点阵波的能量子称 声子 .
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2008-9-11
Zero resistance, Really?
6
2008-9-11
7
2008-9-11
8
2008-9-11
9
Discovery of Superconductivity
Meissner Effect
Ideal Conductor “Flux frozen” Magnetic levitation
2008-9-11
3
Discovery of Superconductivity



19th Century: Down to lower T First to liquefy “the permanent gas” Helium Pt: residual resistance is related to the impurity Mercury is easy to purified Discovery of SC in Hg in 1911
2008-9-11 29
Superconducting quantum interference device (SQUID)

Threshold for SQUID: 10-14 T Magnetic field of heart:10-10 T Magnetic field of brain: 10-13 T
19
Vortex State for Type II Superconductors
2008-9-11
20
2008-9-11
21
Vortex Pinning for Type II Superconductors
To induce defects to pin the vortices: Increasing Jc; Superconducting magnet
2008-9-11
2
Outline


Discovery of Superconductivity Development of Superconducting Materials Basic Properties of Superconductors Phenomenological Theories Microscopic Theories New Challenges (HTSC)
4
2008-9-11
Discovery of Superconductivity
Zero Electrical Resistance
H. K. Onnes, Commun. Phys. Lab.12,120, (1911)
Measurement vs. Observation 2008-9-11
5

2008-9-11
47
思考题、调研题与习题
1. 论述理想导体与超导体之差别。 2. 目前为止，超导现象出现在哪些系统中？ 你认为未来的“新超导体”可能在哪些系 统中被发现？ 3. 超导研究的里程碑式的工作有哪些？ 4. 调研“关于超导的应用”。

2008-9-11
48
2008-9-11 46
Nobel Prizes mark MILESTONES in the area of SUPERCONDUCTIVITY
1911 Discovery of superconductivity 1950-1957: GLAG Theory 1957 BCS Theory 1962 Josephson Effect 1986 A. Mü ller and G. Bednorz: discovery of HTSC ????
40

Is average field theory enough to elucidate HTSC? Nanoscale phase separations: key to the high-Tc? The Role of Quenched Disorder?


2008-9-11
41
New High-Tc Superconductors
2008-9-11
15
2008-9-11
16
Superconducting Critical Magnetic Field
2008-9-11
17
Definition of Tc, Hc and Jc
2008-9-11
18
Type I and Type II Superconductors
2008-9-11
Superconductor
2008-9-11
10
2008-9-11
11
2008-9-11
12
2008-9-11
13
2008-9-11
14
Superconductivity is not rare



Elements Alloys Inorganic compounds Organic compounds Polymers Biosystems?


2008-9-11
34
Common structure model of HTSC
2008-9-11
35
2008-9-11
36
Electronic Phase Diagram of HTSC
2008-9-11
37
Superconducting Gap Functions
s-wave gap d-wave gap (0,) (/2,/2) (,0)
K. Alexander Muller
J. Georg Bednorz
33
2008-9-11
Retrospection on the Discovery of HTSC

(La,Ba)2CuO4: A French Group (B. Raveau) A Russian Group Pioneer Proposal on Oxide Superconductor in China: Ba(Pb,Bi)O3 New discovery and its impact on Science & Technology
30
2008-9-11
Discovery of HTSC
Background Theory: Little, Ginzberg, … Experiments: Oxides, the ceramic superconductors Ba(Pb,Bi)O3; LixTi2O4 (La,Ba)2CuO4
Vitaly L. Ginzburg Russia
Anthony J. Leggett United Kingdom and perconductivity
Phenomenological Theory London Theory Ginzberg-Landau-Abricosov-Gorkov Theory Microscopic Theory BCS Theory Other Theories Macroscopic Quantum Phenomenon

31
2008-9-11
Discovery of HTSC
Bednorz and Muller, Z. Physik B64, 189, (1986)
2008-9-11
32
Discovery of HTSC

1987 Nobel Prize for Physics "for their important break-through in the discovery of superconductivity in ceramic materials"
John Bardeen
2008-9-11
Leon Neil Cooper
John Robert Schrieffer
28
Josephson Effect

1973 Nobel Prize for Physics
Completed the great work as a postgraduate!
LaFeAsO, 1111, 56 K
2014-5-24
BaFe2As2, 122, 38 K
2014-5-24
111, LiFeAs, 18 K
2014-5-24
11, FeSe, 10 K
Building Blocks
2014-5-24
Mechanism of HTSC?
揭示高温超导机理 = 诺贝尔物理学奖 发现室温超导体= 诺贝尔物理学奖
2008-9-11
38
赝能隙现象与预超导配对
传统超导体
Cooper对的出现与 建立相干性同步 完成.
一般单电子
高温超导体
一般单电子
T*
涨落的Cooper对
Tc
Cooper Pairs Bose-Einstein Condensation
Tc
相干的Cooper对： BEC
39
2008-9-11
2008-9-11
2008-9-11 22
Theoretical prediction of vortices in type II superconductors
First published in 1952
2008-9-11
23
2003 Nobel Laureates for Physics
Alexei A. Abrikosov USA and Russia
“超导物理”第一讲
Overview of Superconductivity
浙江大学凝聚态物理研究所CGH