低溫下的物理效應(yīng)

1、物理效應(yīng)及其應(yīng)用物理效應(yīng)及其應(yīng)用低溫下的量子效應(yīng)低溫下的量子效應(yīng)物理效應(yīng)及其應(yīng)用物理效應(yīng)及其應(yīng)用5-2第五講低溫下的量子效應(yīng)第五講低溫下的量子效應(yīng) 熱運(yùn)動(dòng)往往掩蓋量子效應(yīng)，大多數(shù)量子效應(yīng)都要在低溫條熱運(yùn)動(dòng)往往掩蓋量子效應(yīng)，大多數(shù)量子效應(yīng)都要在低溫條件下觀察，所以件下觀察，所以獲取低溫的效應(yīng)獲取低溫的效應(yīng)是低溫下量子效應(yīng)的關(guān)鍵。是低溫下量子效應(yīng)的關(guān)鍵。絕熱膨脹制冷效應(yīng)：在絕熱膨脹過(guò)程中，與外界無(wú)熱交換，。絕熱膨脹制冷效應(yīng)：在絕熱膨脹過(guò)程中，與外界無(wú)熱交換，。 但對(duì)外做功，只得靠減小氣體內(nèi)能來(lái)補(bǔ)償。但對(duì)外做功，只得靠減小氣體內(nèi)能來(lái)補(bǔ)償。 內(nèi)能減少，分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)動(dòng)能減少，即內(nèi)能減少，分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)

2、動(dòng)能減少，即 溫溫 度下降。度下降。焦焦-湯效應(yīng)：氣體通過(guò)小孔有節(jié)制地從高壓向低壓流動(dòng)的過(guò)程湯效應(yīng)：氣體通過(guò)小孔有節(jié)制地從高壓向低壓流動(dòng)的過(guò)程 稱為節(jié)流過(guò)程。在節(jié)流過(guò)程中氣體溫度隨壓強(qiáng)變稱為節(jié)流過(guò)程。在節(jié)流過(guò)程中氣體溫度隨壓強(qiáng)變 化的現(xiàn)象稱為焦耳化的現(xiàn)象稱為焦耳-湯姆孫效應(yīng)。節(jié)流膨脹溫度下湯姆孫效應(yīng)。節(jié)流膨脹溫度下 降，產(chǎn)生制冷效應(yīng)。降，產(chǎn)生制冷效應(yīng)。制冷過(guò)程都是是系統(tǒng)有序度增加熵減少的過(guò)程制冷過(guò)程都是是系統(tǒng)有序度增加熵減少的過(guò)程熵排出機(jī)。熵排出機(jī)。物理效應(yīng)及其應(yīng)用物理效應(yīng)及其應(yīng)用5-3第五講低溫下的量子效應(yīng)第五講低溫下的量子效應(yīng)激光冷卻與捕陷原子激光冷卻與捕陷原子 以往低溫多在固體或液體系統(tǒng)

3、中以往低溫多在固體或液體系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，這些系統(tǒng)都包含著有較強(qiáng)實(shí)現(xiàn)，這些系統(tǒng)都包含著有較強(qiáng)的相互作用的大量粒子。的相互作用的大量粒子。20世紀(jì)世紀(jì)80年代，借助于激光技術(shù)獲得了年代，借助于激光技術(shù)獲得了中性氣體分子的極低溫（例如，中性氣體分子的極低溫（例如，1010K）狀態(tài)，這種獲得低溫的）狀態(tài)，這種獲得低溫的方法就叫激光冷卻。方法就叫激光冷卻。 絕熱去磁制冷效應(yīng)：借助磁場(chǎng)使某些順磁鹽中的電子自旋磁絕熱去磁制冷效應(yīng)：借助磁場(chǎng)使某些順磁鹽中的電子自旋磁 矩排列有序，等溫磁化減少熵，再進(jìn)行矩排列有序，等溫磁化減少熵，再進(jìn)行 絕熱去磁，使順磁鹽的溫度降低。絕熱去磁，使順磁鹽的溫度降低。物理效應(yīng)及其應(yīng)用物

4、理效應(yīng)及其應(yīng)用5-4第五講低溫下的量子效應(yīng)第五講低溫下的量子效應(yīng)導(dǎo)體：容易導(dǎo)電的物體。室溫下金屬導(dǎo)體的電阻率10-8m 10-6 m.絕緣體：不容易導(dǎo)電的物體。室溫下絕緣的電阻率108m 1018 m.這種低溫下的零電阻現(xiàn)象稱為超導(dǎo)現(xiàn)象。這種低溫下的零電阻現(xiàn)象稱為超導(dǎo)現(xiàn)象。一、超導(dǎo)現(xiàn)象一、超導(dǎo)現(xiàn)象(Superconductivity)具有超導(dǎo)電性的物質(zhì)叫超導(dǎo)體。具有超導(dǎo)電性的物質(zhì)叫超導(dǎo)體。1911年，荷蘭萊頓大學(xué)的卡茂林年，荷蘭萊頓大學(xué)的卡茂林-昂尼斯意外地發(fā)現(xiàn)，將汞冷卻昂尼斯意外地發(fā)現(xiàn)，將汞冷卻到到-268.98C時(shí)，汞的電阻突然消失；后來(lái)他又發(fā)現(xiàn)許多金屬和合時(shí)，汞的電阻突然消失；后來(lái)他又發(fā)

5、現(xiàn)許多金屬和合金都具有與上述汞相類似的低溫下失去電阻的特性，由于它的特殊金都具有與上述汞相類似的低溫下失去電阻的特性，由于它的特殊導(dǎo)電性能，卡茂林導(dǎo)電性能，卡茂林-昂尼斯稱之為超導(dǎo)態(tài)?？钟捎谒倪@一發(fā)現(xiàn)昂尼斯稱之為超導(dǎo)態(tài)?？钟捎谒倪@一發(fā)現(xiàn)獲得了獲得了1913年諾貝爾獎(jiǎng)。年諾貝爾獎(jiǎng)。這一發(fā)現(xiàn)引起了世界范圍內(nèi)的震動(dòng)。在他之后，人們開(kāi)始把處這一發(fā)現(xiàn)引起了世界范圍內(nèi)的震動(dòng)。在他之后，人們開(kāi)始把處于超導(dǎo)狀態(tài)的導(dǎo)體稱之為于超導(dǎo)狀態(tài)的導(dǎo)體稱之為“超導(dǎo)體超導(dǎo)體”。超導(dǎo)體的直流電阻率在一定的。超導(dǎo)體的直流電阻率在一定的低溫下突然消失，被稱作零電阻效應(yīng)。導(dǎo)體沒(méi)有了電阻，電流流經(jīng)低溫下突然消失，被稱作零電

6、阻效應(yīng)。導(dǎo)體沒(méi)有了電阻，電流流經(jīng)超導(dǎo)體時(shí)就不發(fā)生熱損耗，電流可以毫無(wú)阻力地在導(dǎo)線中流大的電超導(dǎo)體時(shí)就不發(fā)生熱損耗，電流可以毫無(wú)阻力地在導(dǎo)線中流大的電流，從而產(chǎn)生超強(qiáng)磁場(chǎng)。流，從而產(chǎn)生超強(qiáng)磁場(chǎng)。物理效應(yīng)及其應(yīng)用物理效應(yīng)及其應(yīng)用5-5第五講低溫下的量子效應(yīng)第五講低溫下的量子效應(yīng)臨界溫度臨界溫度TC:超導(dǎo)體電阻突然變?yōu)榱愕臏囟取３瑢?dǎo)體電阻突然變?yōu)榱愕臏囟?。TTC , 為普通金屬態(tài)迄今已知，超導(dǎo)體的電阻率遠(yuǎn)小于10-25cm。而00C普通導(dǎo)體的電阻率為1.610-6 cm。臨界磁場(chǎng)臨界磁場(chǎng)HC(T)磁場(chǎng)超過(guò)HC(T)時(shí)，即使時(shí)，即使TTC，普通金屬態(tài)普通金屬態(tài)超導(dǎo)態(tài)超導(dǎo)態(tài)HC(T)超導(dǎo)態(tài)普通金屬態(tài)TT

7、CHC(0)0 相平相平衡曲衡曲線線汞電阻隨溫度變化物理效應(yīng)及其應(yīng)用物理效應(yīng)及其應(yīng)用5-6第五講低溫下的量子效應(yīng)第五講低溫下的量子效應(yīng) 所謂所謂“電阻消失電阻消失”，只是說(shuō)電阻小于儀表的最小可測(cè)電阻。，只是說(shuō)電阻小于儀表的最小可測(cè)電阻。 正常導(dǎo)體組成的回路有電阻正常導(dǎo)體組成的回路有電阻 電能的損耗電能的損耗(熱熱).如果回路沒(méi)有電阻如果回路沒(méi)有電阻 沒(méi)有電能的損耗。沒(méi)有電能的損耗。電流可以持續(xù)地存在下去電流可以持續(xù)地存在下去零電阻效應(yīng)是超導(dǎo)態(tài)的兩個(gè)基本性質(zhì)之一。零電阻效應(yīng)是超導(dǎo)態(tài)的兩個(gè)基本性質(zhì)之一。 物理效應(yīng)及其應(yīng)用物理效應(yīng)及其應(yīng)用5-7第五講低溫下的量子效應(yīng)第五講低溫下的量子效應(yīng) 具有超導(dǎo)電

8、性的物質(zhì)叫超導(dǎo)體，超導(dǎo)體電阻突然變?yōu)榱愕臏囟冉谐瑢?dǎo)臨界溫度。至今已發(fā)現(xiàn)有28種元素、幾千種合金和化合物是超導(dǎo)體。超導(dǎo)體進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)時(shí)，不僅其內(nèi)的電阻為零，而體內(nèi)的磁場(chǎng)也為零，表現(xiàn)出完全的抗磁性。長(zhǎng)期以來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)體只能在低溫液氦區(qū)（4K左右）工作，這就需要許多低溫設(shè)備和技術(shù)，費(fèi)用很高且不方便，因而限制了超導(dǎo)體的應(yīng)用。60年代開(kāi)始，人們一直在探索把超導(dǎo)臨界溫度提高到液氮溫區(qū)（77K）以上的辦法，這就是高溫超導(dǎo)研究。1986年高溫超導(dǎo)研究取得了突破性的發(fā)展，科學(xué)家相繼發(fā)現(xiàn)了許多高溫超導(dǎo)物質(zhì)?，F(xiàn)在高溫超導(dǎo)體的臨界溫度已達(dá)到130K左右，使超導(dǎo)體已走出了液氦的陰影，為人類挖掘超導(dǎo)電性所隱藏的寶藏

9、開(kāi)辟了廣闊的前景。物理效應(yīng)及其應(yīng)用物理效應(yīng)及其應(yīng)用5-8第五講低溫下的量子效應(yīng)第五講低溫下的量子效應(yīng)1986年4月發(fā)現(xiàn)鋇一鑭氧化物制成的陶瓷材料具有35K的轉(zhuǎn)變溫度， 1986年12月23日日本宣布研制出375K的超導(dǎo)材料； 1986年12月25號(hào)美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室獲得40K的超導(dǎo)材料； 1986年12月26號(hào)中國(guó)科學(xué)院獲得486K的超導(dǎo)材料； 1987年2月16號(hào)休斯頓大學(xué)美籍華人朱經(jīng)武獲得98K的超導(dǎo)材料； 1987年2月14號(hào)中國(guó)物理學(xué)家趙忠賢獲得110K的超導(dǎo)材料； 1987年3月9號(hào)，日本宣布獲得175K的超導(dǎo)材料； 1987年3月，中國(guó)科技大學(xué)獲得215K的超導(dǎo)材料. 1933年，荷蘭

10、的邁斯納和奧森菲爾德共同發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)體的另一個(gè)年，荷蘭的邁斯納和奧森菲爾德共同發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)體的另一個(gè)極為重要的性質(zhì)，當(dāng)金屬處在超導(dǎo)狀態(tài)時(shí)，這一超導(dǎo)體內(nèi)的磁感極為重要的性質(zhì)，當(dāng)金屬處在超導(dǎo)狀態(tài)時(shí)，這一超導(dǎo)體內(nèi)的磁感興強(qiáng)度為零，卻把原來(lái)存在于體內(nèi)的磁場(chǎng)排擠出去。對(duì)單晶錫球興強(qiáng)度為零，卻把原來(lái)存在于體內(nèi)的磁場(chǎng)排擠出去。對(duì)單晶錫球進(jìn)行實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：錫球過(guò)渡到超導(dǎo)態(tài)時(shí)，錫球周?chē)拇艌?chǎng)突然發(fā)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：錫球過(guò)渡到超導(dǎo)態(tài)時(shí)，錫球周?chē)拇艌?chǎng)突然發(fā)生變化，磁力線似乎一下子被排斥到超導(dǎo)體之外去了，人們將這種變化，磁力線似乎一下子被排斥到超導(dǎo)體之外去了，人們將這種現(xiàn)象稱之為現(xiàn)象稱之為“邁斯納效應(yīng)邁斯納效應(yīng)”。 物理效應(yīng)

11、及其應(yīng)用物理效應(yīng)及其應(yīng)用5-9第五講低溫下的量子效應(yīng)第五講低溫下的量子效應(yīng)邁斯納效應(yīng)邁斯納效應(yīng)完全抗磁性完全抗磁性 A 正常態(tài)金屬球B超導(dǎo)態(tài)金屬球D升高溫度至超導(dǎo)態(tài)金屬球沿不同路徑在正常態(tài)與超導(dǎo)態(tài)之間轉(zhuǎn)換金屬球沿不同路徑在正常態(tài)與超導(dǎo)態(tài)之間轉(zhuǎn)換C增大磁場(chǎng)至超導(dǎo)態(tài)D超導(dǎo)態(tài)金屬球B增大磁場(chǎng)至正常態(tài)C降低溫度至超導(dǎo)態(tài)A 正常態(tài)金屬球物理效應(yīng)及其應(yīng)用物理效應(yīng)及其應(yīng)用5-10第五講低溫下的量子效應(yīng)第五講低溫下的量子效應(yīng) 實(shí)驗(yàn)表明，不管是先降溫后加磁場(chǎng)，還是先加磁場(chǎng)后降溫，使金屬由正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)時(shí)，磁場(chǎng)力線將全部排擠出超導(dǎo)體外，超導(dǎo)體內(nèi)恒有磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0。這種現(xiàn)象稱為邁斯納效應(yīng)。完全抗磁性的反映超導(dǎo)

12、懸??？超導(dǎo)體內(nèi)部磁場(chǎng)變?yōu)榱銜r(shí)，由于電流沿超導(dǎo)體表面流過(guò)，這表面電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與外磁場(chǎng)抵償?shù)慕Y(jié)果。物理效應(yīng)及其應(yīng)用物理效應(yīng)及其應(yīng)用5-11第五講低溫下的量子效應(yīng)第五講低溫下的量子效應(yīng)1913年翁內(nèi)斯發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在超導(dǎo)線中的電流 超過(guò)某一臨界值時(shí)，超導(dǎo)線轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)， 1914年他又用實(shí)驗(yàn)表明，超導(dǎo)態(tài)也可以被外加磁場(chǎng)破壞，相應(yīng)的電流稱為臨界電流Ic， 相應(yīng)的磁場(chǎng)稱為臨界磁場(chǎng)Hc。左圖為Nb3Sn的磁場(chǎng)，電流與溫度的關(guān)系。 在無(wú)外加磁場(chǎng)情況下，臨界電流在超導(dǎo)體表面所產(chǎn)生在無(wú)外加磁場(chǎng)情況下，臨界電流在超導(dǎo)體表面所產(chǎn)生的磁場(chǎng)恰好等于臨界磁場(chǎng)。的磁場(chǎng)恰好等于臨界磁場(chǎng)。臨界電流臨界電流物理效應(yīng)及其應(yīng)用物理效應(yīng)及

13、其應(yīng)用5-12第五講低溫下的量子效應(yīng)第五講低溫下的量子效應(yīng) BCS理論理論是用量子力學(xué)來(lái)描述超導(dǎo)體系統(tǒng)狀態(tài)的理論。1957年，美國(guó)依利諾伊大學(xué)的物理學(xué)家巴丁、庫(kù)柏和施里弗提出了這一理論，后來(lái)以三位科學(xué)家姓名第一個(gè)大寫(xiě)字母命名，稱之為 BCS理論。這一理論的核心是計(jì)算出導(dǎo)體中存在電子相互吸引從而形成一種共振態(tài)，即存在“電子對(duì)”（稱為庫(kù)柏對(duì) /rsavage/cooperpairs.html，該理論較好地解釋了超導(dǎo)現(xiàn)象。正常態(tài)的電子是互相排斥的，超導(dǎo)態(tài)時(shí)，電子相互作用，使電子兩兩相互吸引，形成電子對(duì)，稱之庫(kù)柏對(duì)。含有庫(kù)柏對(duì)電子的金屬具有較低的能態(tài)。量子力學(xué)可以說(shuō)明電子對(duì)的總

14、動(dòng)量在與金屬正離子碰撞時(shí)不損失，在低能態(tài)下，庫(kù)柏對(duì)電子就像無(wú)阻力的流體一樣易于流動(dòng)。因此巴丁、庫(kù)珀、施里弗榮獲1972年諾貝爾物理獎(jiǎng)。特征參數(shù)：臨界溫度臨界溫度TC，臨界磁場(chǎng)臨界磁場(chǎng)HC(T)，臨界電流密度，臨界電流密度jc 。超導(dǎo)電性：超導(dǎo)電性：=0，B=0.物理效應(yīng)及其應(yīng)用物理效應(yīng)及其應(yīng)用5-13第五講低溫下的量子效應(yīng)第五講低溫下的量子效應(yīng)“庫(kù)柏對(duì)庫(kù)柏對(duì)”的產(chǎn)生的產(chǎn)生 因?yàn)榻饘僦械碾娮硬⒉煌耆杂?，他們通過(guò)點(diǎn)陣相互發(fā)生相互作用，即當(dāng)一個(gè)自由電子吸引鄰近的點(diǎn)陣離子時(shí)，鄰近的點(diǎn)陣離子會(huì)向自由電子靠攏，是晶格發(fā)生畸變，局部正電荷密度變大局部正電荷性，吸引別的電子，僅效果是一個(gè)自由電子和另一個(gè)自由

15、電子互相吸引。低溫時(shí)兩個(gè)自由電子束縛成一個(gè)集團(tuán)電子對(duì)（庫(kù)柏對(duì)）。 在室溫下，金屬中不可能有大量自由電子組成穩(wěn)定的電子對(duì)，因?yàn)榫Ц耠x子的無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)會(huì)破壞瞬間存在的分子軌道，使自由電子不可能組成穩(wěn)定的電子對(duì)。 自由電子組成的電子對(duì)通過(guò)晶格運(yùn)動(dòng)時(shí)不受阻力，是因?yàn)楫?dāng)電子對(duì)中的一個(gè)電子受到晶格的散射（或偏析）而改變其動(dòng)量時(shí)，另一個(gè)電子也同時(shí)要受到影響而發(fā)生相反的動(dòng)量改變。其結(jié)果是自由電子組成的電子對(duì)定向運(yùn)動(dòng)的總動(dòng)量不變。所以晶格既不能減慢也不能加快自由電子組成的電子對(duì)的定向運(yùn)動(dòng)，在宏觀上表現(xiàn)為超導(dǎo)體對(duì)電流的電阻為零。物理效應(yīng)及其應(yīng)用物理效應(yīng)及其應(yīng)用5-14第五講低溫下的量子效應(yīng)第五講低溫下的量子效應(yīng)

16、1962年約瑟夫森正在英國(guó)劍橋大學(xué)當(dāng)研究生。他從理論上作年約瑟夫森正在英國(guó)劍橋大學(xué)當(dāng)研究生。他從理論上作出預(yù)言，對(duì)于超導(dǎo)體出預(yù)言，對(duì)于超導(dǎo)體-絕緣層絕緣層-超導(dǎo)體互相接觸的結(jié)構(gòu)（也叫超導(dǎo)體互相接觸的結(jié)構(gòu)（也叫S-IS結(jié)構(gòu)），只要絕緣層足夠薄，超導(dǎo)體內(nèi)的電子對(duì)就有可能穿透結(jié)構(gòu)），只要絕緣層足夠薄，超導(dǎo)體內(nèi)的電子對(duì)就有可能穿透緣層勢(shì)壘，導(dǎo)致如下效應(yīng)：緣層勢(shì)壘，導(dǎo)致如下效應(yīng)：（1）在恒定電壓下，既有直流超導(dǎo)電流產(chǎn)生，也有交流超流，其）在恒定電壓下，既有直流超導(dǎo)電流產(chǎn)生，也有交流超流，其頻率為頻率為2eV/h；（2）在零電壓下，有直流超流產(chǎn)生，這一）在零電壓下，有直流超流產(chǎn)生，這一電流對(duì)磁場(chǎng)非常敏感，

17、磁場(chǎng)加大，電流將迅電流對(duì)磁場(chǎng)非常敏感，磁場(chǎng)加大，電流將迅速減?。凰贉p??；（3）如果在直流電壓上再疊加一交流電壓，）如果在直流電壓上再疊加一交流電壓，其頻率為其頻率為v，則會(huì)出現(xiàn)一零斜率的電阻區(qū)，則會(huì)出現(xiàn)一零斜率的電阻區(qū)，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)電流有傅里葉成分，電壓在這個(gè)區(qū)域內(nèi)電流有傅里葉成分，電壓V與與v的關(guān)系為的關(guān)系為2eV/hnv（其中（其中n為整數(shù)）。為整數(shù)）。物理效應(yīng)及其應(yīng)用物理效應(yīng)及其應(yīng)用5-15第五講低溫下的量子效應(yīng)第五講低溫下的量子效應(yīng) 1962年英國(guó)劍橋大學(xué)研究生約瑟夫遜推測(cè) BCS理論提到的庫(kù)柏對(duì)也可通過(guò)薄絕緣層，即“電子對(duì)”能穿過(guò)薄絕緣層（隧道效應(yīng)），在薄絕緣層隔開(kāi)的兩種超導(dǎo)材料之間

18、有電流通過(guò)；同時(shí)還產(chǎn)生一些特殊的現(xiàn)象，如電流通過(guò)薄絕緣層無(wú)需加電壓，倘若加電壓，電流反而停止而產(chǎn)生高頻振蕩。這一超導(dǎo)物理現(xiàn)象稱為“約瑟夫遜效應(yīng)”。這些預(yù)言于1963年在美國(guó)的貝爾實(shí)驗(yàn)室被羅威爾等人用試驗(yàn)證實(shí)了，“約瑟夫遜效應(yīng)”有力的支持了“BCS理論”。約瑟夫森則獲得1973年度諾貝爾物理獎(jiǎng)。超導(dǎo)隧道效應(yīng)超導(dǎo)隧道效應(yīng)二、約瑟夫森效應(yīng)二、約瑟夫森效應(yīng)物理效應(yīng)及其應(yīng)用物理效應(yīng)及其應(yīng)用5-16第五講低溫下的量子效應(yīng)第五講低溫下的量子效應(yīng)正常電子隧道：當(dāng)兩塊金屬被一個(gè)薄的絕緣體分開(kāi)時(shí)，在它們正常電子隧道：當(dāng)兩塊金屬被一個(gè)薄的絕緣體分開(kāi)時(shí)，在它們之間可以有電流通過(guò)，稱此金屬之間可以有電流通過(guò)，稱此金屬-

19、絕緣體絕緣體-金屬疊層為隧道結(jié)；金屬疊層為隧道結(jié)；電流稱為隧道電流。（電流稱為隧道電流。（N-I-N 結(jié)）結(jié)）金屬金屬超導(dǎo)體VI超導(dǎo)隧道：當(dāng)一塊金屬變成一個(gè)超導(dǎo)體時(shí)結(jié)電阻猛烈地增加。超導(dǎo)隧道：當(dāng)一塊金屬變成一個(gè)超導(dǎo)體時(shí)結(jié)電阻猛烈地增加。 （N-I-S 結(jié)）。單電子隧道結(jié)）。單電子隧道超導(dǎo)隧道：相同超導(dǎo)體之間的隧道超導(dǎo)隧道：相同超導(dǎo)體之間的隧道雙電子隧道（雙電子隧道（S-I-S 結(jié)）。結(jié)）。三、超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用三、超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用 超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛，涉及輸電、電機(jī)、交通運(yùn)輸、超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛，涉及輸電、電機(jī)、交通運(yùn)輸、微電子和電子計(jì)算機(jī)、生物工程、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域，這種微電子和電子計(jì)算機(jī)

20、、生物工程、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域，這種新技術(shù)軍民兼用，可研制出新技術(shù)軍民兼用，可研制出“雙重雙重”產(chǎn)品，將獲得極大的社會(huì)產(chǎn)品，將獲得極大的社會(huì)效益和軍事效益效益和軍事效益. 絕緣體物理效應(yīng)及其應(yīng)用物理效應(yīng)及其應(yīng)用5-17第五講低溫下的量子效應(yīng)第五講低溫下的量子效應(yīng)在電力工程方面的應(yīng)用在電力工程方面的應(yīng)用 超導(dǎo)輸電在原則上可以做到?jīng)]有焦耳熱的損耗，因而可節(jié)省大超導(dǎo)輸電在原則上可以做到?jīng)]有焦耳熱的損耗，因而可節(jié)省大量能源；用超導(dǎo)線圈儲(chǔ)存能量在軍事上有重大應(yīng)用，超導(dǎo)線圈量能源；用超導(dǎo)線圈儲(chǔ)存能量在軍事上有重大應(yīng)用，超導(dǎo)線圈用于發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)可以大大提高工作效率、降低損耗，從而用于發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)可以大大提

21、高工作效率、降低損耗，從而導(dǎo)致電工領(lǐng)域的重大變革導(dǎo)致電工領(lǐng)域的重大變革. 超導(dǎo)技術(shù)在交通運(yùn)輸方面的應(yīng)用超導(dǎo)技術(shù)在交通運(yùn)輸方面的應(yīng)用 動(dòng)用超導(dǎo)體產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)可以研制成磁懸浮列車(chē)，車(chē)輛不受動(dòng)用超導(dǎo)體產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)可以研制成磁懸浮列車(chē)，車(chē)輛不受地面阻力的影響，可高速運(yùn)行，車(chē)速達(dá)地面阻力的影響，可高速運(yùn)行，車(chē)速達(dá)500km/h以上，若讓超以上，若讓超導(dǎo)磁懸浮列車(chē)在真空中運(yùn)行，車(chē)速可達(dá)導(dǎo)磁懸浮列車(chē)在真空中運(yùn)行，車(chē)速可達(dá)1600km/h，利用超導(dǎo)體，利用超導(dǎo)體制成無(wú)摩擦軸承，用于發(fā)射火箭，可將發(fā)射速度提高制成無(wú)摩擦軸承，用于發(fā)射火箭，可將發(fā)射速度提高3倍以上倍以上. 超導(dǎo)技術(shù)在電子工程方面的應(yīng)用超導(dǎo)技術(shù)在電

22、子工程方面的應(yīng)用 用超導(dǎo)技術(shù)制成各種儀器，具有靈敏度高、噪聲低、反應(yīng)快、用超導(dǎo)技術(shù)制成各種儀器，具有靈敏度高、噪聲低、反應(yīng)快、損耗小等特點(diǎn)，如用超導(dǎo)量子干涉儀可確定地?zé)?、石油、各損耗小等特點(diǎn)，如用超導(dǎo)量子干涉儀可確定地?zé)?、石油、各種礦藏的位置和儲(chǔ)量，并可用于地震預(yù)報(bào)種礦藏的位置和儲(chǔ)量，并可用于地震預(yù)報(bào). 物理效應(yīng)及其應(yīng)用物理效應(yīng)及其應(yīng)用5-18第五講低溫下的量子效應(yīng)第五講低溫下的量子效應(yīng)超導(dǎo)技術(shù)在生物醫(yī)療方面的應(yīng)用超導(dǎo)技術(shù)在生物醫(yī)療方面的應(yīng)用 超導(dǎo)磁體在醫(yī)學(xué)上的重要應(yīng)用是核磁共振成像技術(shù)，可分辨早期腫瘤癌細(xì)胞等，還可做心電圖，腦磁圖、肺磁圖，研究氣功原理等. 超導(dǎo)技術(shù)在軍事上的應(yīng)用超導(dǎo)技術(shù)在軍

23、事上的應(yīng)用 超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置在定向武器上的應(yīng)用使定向武器發(fā)生飛躍的發(fā)展.超導(dǎo)發(fā)電機(jī)，推進(jìn)器在飛機(jī)上的應(yīng)用可大大提高飛機(jī)的生存能力，在航海中的應(yīng)用，可大大減小甚至沒(méi)有噪音，推進(jìn)速度快，可大大提高艦艇的生存、作戰(zhàn)能力，超導(dǎo)計(jì)算機(jī)應(yīng)用于C3I指揮系統(tǒng)，可使作戰(zhàn)指揮能力迅速改善提高等等. 隨著超導(dǎo)技術(shù)的不斷發(fā)展，高溫氧化物超導(dǎo)材料和有機(jī)物超導(dǎo)材料將不斷問(wèn)世，目前超導(dǎo)還只應(yīng)用在科學(xué)實(shí)驗(yàn)和高技術(shù)中，例如中國(guó)科學(xué)院合肥等離子體物理研究所，采用超導(dǎo)技術(shù)建成托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置(磁約束裝置)，放電300ms，電流I=150kA，使我國(guó)核聚變研究能力向前跨進(jìn)一大步. 物理效應(yīng)及其應(yīng)用物理效應(yīng)及其應(yīng)用5-19第五講低溫下的

24、量子效應(yīng)第五講低溫下的量子效應(yīng)國(guó)家科委國(guó)家科委(91)國(guó)科發(fā)高字126號(hào)關(guān)于印發(fā)關(guān)于印發(fā)超導(dǎo)技術(shù)戰(zhàn)略目標(biāo)匯報(bào)會(huì)紀(jì)要超導(dǎo)技術(shù)戰(zhàn)略目標(biāo)匯報(bào)會(huì)紀(jì)要的通知的通知 中國(guó)科學(xué)院院長(zhǎng)周光召同志說(shuō)：中國(guó)科學(xué)院院長(zhǎng)周光召同志說(shuō)：“超導(dǎo)是物理學(xué)、材料科學(xué)超導(dǎo)是物理學(xué)、材料科學(xué)中最熱門(mén)的前沿。在全世界激烈競(jìng)爭(zhēng)的情況下，中國(guó)的科學(xué)家中最熱門(mén)的前沿。在全世界激烈競(jìng)爭(zhēng)的情況下，中國(guó)的科學(xué)家和研究生們，奮力拼搏，在各方面做出了很好的成績(jī)，表示了和研究生們，奮力拼搏，在各方面做出了很好的成績(jī)，表示了中國(guó)科技界這部分力量是非常寶貴的，是值得我們國(guó)家引為驕中國(guó)科技界這部分力量是非常寶貴的，是值得我們國(guó)家引為驕傲的一支科技力量。傲

25、的一支科技力量?！蔽锢硇?yīng)及其應(yīng)用物理效應(yīng)及其應(yīng)用5-20第五講低溫下的量子效應(yīng)第五講低溫下的量子效應(yīng)奇異的超導(dǎo)陶瓷奇異的超導(dǎo)陶瓷1973年，人們發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)合金年，人們發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)合金鈮鍺合金，其臨界超導(dǎo)溫度鈮鍺合金，其臨界超導(dǎo)溫度為為23.2K，該記錄保持了，該記錄保持了13年。年。1986年，設(shè)在瑞士蘇黎士的美國(guó)年，設(shè)在瑞士蘇黎士的美國(guó)IBM公司的研究中心報(bào)道了一種氧化物（鑭鋇銅氧）具有公司的研究中心報(bào)道了一種氧化物（鑭鋇銅氧）具有35K的的高溫超導(dǎo)性，打破了傳統(tǒng)高溫超導(dǎo)性，打破了傳統(tǒng)“氧化物陶瓷是絕緣體氧化物陶瓷是絕緣體”的觀念，引起世界的觀念，引起世界科學(xué)界的轟動(dòng)。此后，科學(xué)家們爭(zhēng)分奪秒

26、地攻關(guān)，幾乎每隔幾天，科學(xué)界的轟動(dòng)。此后，科學(xué)家們爭(zhēng)分奪秒地攻關(guān)，幾乎每隔幾天，就有新的研究成果出現(xiàn)。就有新的研究成果出現(xiàn)。1986年底，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室研究的氧化物超導(dǎo)材料，其臨界超年底，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室研究的氧化物超導(dǎo)材料，其臨界超導(dǎo)溫度達(dá)到導(dǎo)溫度達(dá)到40K，液氫的，液氫的“溫度壁壘溫度壁壘”（40K）被跨越。）被跨越。1987年年2月，月，美國(guó)華裔科學(xué)家朱經(jīng)武和中國(guó)科學(xué)家趙忠賢相繼在釔鋇銅氧美國(guó)華裔科學(xué)家朱經(jīng)武和中國(guó)科學(xué)家趙忠賢相繼在釔鋇銅氧系材料上把臨界超導(dǎo)溫度提高到系材料上把臨界超導(dǎo)溫度提高到90K以上，液氮的禁區(qū)（以上，液氮的禁區(qū)（77K）也奇）也奇跡般地被突破了。跡般地被突破了。19

27、87年底，鉈鋇鈣銅氧系材料又把臨界年底，鉈鋇鈣銅氧系材料又把臨界超導(dǎo)溫度的記錄提高到超導(dǎo)溫度的記錄提高到125K。從。從19861987年的短短一年多的時(shí)間年的短短一年多的時(shí)間里，臨界超導(dǎo)溫度竟然提高了里，臨界超導(dǎo)溫度竟然提高了100K以上，這在材料發(fā)展史，乃至科以上，這在材料發(fā)展史，乃至科技發(fā)展史上都堪稱是一大奇跡！技發(fā)展史上都堪稱是一大奇跡！物理效應(yīng)及其應(yīng)用物理效應(yīng)及其應(yīng)用5-21第五講低溫下的量子效應(yīng)第五講低溫下的量子效應(yīng) 國(guó)外超導(dǎo)材料的截面很像普通銅線線圈。可是，若用顯微鏡國(guó)外超導(dǎo)材料的截面很像普通銅線線圈。可是，若用顯微鏡將其放大，便可觀察到，在一根銅線之中填滿了無(wú)數(shù)條極細(xì)的鈮將其放

28、大，便可觀察到，在一根銅線之中填滿了無(wú)數(shù)條極細(xì)的鈮鈦合金超導(dǎo)絲。鈦合金超導(dǎo)絲。將這種銅線一層一層纏繞起來(lái)，在真空中灌進(jìn)足夠的環(huán)氧樹(shù)將這種銅線一層一層纏繞起來(lái)，在真空中灌進(jìn)足夠的環(huán)氧樹(shù)脂，使之牢固地固定住，便制得超導(dǎo)線圈。日本富士、三菱的脂，使之牢固地固定住，便制得超導(dǎo)線圈。日本富士、三菱的6MVA超導(dǎo)發(fā)電機(jī)中所使用的，就是在超導(dǎo)發(fā)電機(jī)中所使用的，就是在3mm的方形銅線中填入數(shù)百的方形銅線中填入數(shù)百根比頭發(fā)還細(xì)、直徑僅為根比頭發(fā)還細(xì)、直徑僅為40微米的鈮鈦超導(dǎo)合金細(xì)絲。采用這樣微米的鈮鈦超導(dǎo)合金細(xì)絲。采用這樣的結(jié)構(gòu)能通過(guò)大電流而毫無(wú)損耗。的結(jié)構(gòu)能通過(guò)大電流而毫無(wú)損耗。鈮鈦合金在負(fù)鈮鈦合金在負(fù)26

29、4以下的超低溫液氦中電阻為零。而堪稱以下的超低溫液氦中電阻為零。而堪稱新一代材料的鈮新一代材料的鈮8錫并非合金而是鈮和錫的化合物，這種材料具錫并非合金而是鈮和錫的化合物，這種材料具有超導(dǎo)特性的溫度，約比鈮鈦合金高有超導(dǎo)特性的溫度，約比鈮鈦合金高10左右，并且易于設(shè)計(jì)。左右，并且易于設(shè)計(jì)。但是鈮三錫性脆，不像鈮鈦合金那樣能拉拔成細(xì)絲。因此，國(guó)外但是鈮三錫性脆，不像鈮鈦合金那樣能拉拔成細(xì)絲。因此，國(guó)外用銅合金（銅與錫的合金）包覆純鈮絲材，外面再用純銅包覆制用銅合金（銅與錫的合金）包覆純鈮絲材，外面再用純銅包覆制成細(xì)絲。把這種細(xì)絲置于加熱爐中加熱，使錫滲入鈮中，形成鈮成細(xì)絲。把這種細(xì)絲置于加熱爐中加

30、熱，使錫滲入鈮中，形成鈮3錫。錫。物理效應(yīng)及其應(yīng)用物理效應(yīng)及其應(yīng)用5-22第五講低溫下的量子效應(yīng)第五講低溫下的量子效應(yīng)超群的超導(dǎo)磁體超導(dǎo)材料最誘人的應(yīng)用是發(fā)電、輸電和儲(chǔ)能。由于超導(dǎo)材料在超導(dǎo)狀態(tài)下具有零電阻和完全的抗磁性，因此只需消耗極少的電能，就可以獲得10萬(wàn)高斯以上的穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)。而用常規(guī)導(dǎo)體做磁體，要產(chǎn)生這么大的磁場(chǎng)，需要消耗3.5兆瓦的電能及大量的冷卻水，投資巨大。超導(dǎo)磁體可用于制作交流超導(dǎo)發(fā)電機(jī)、磁流體發(fā)電機(jī)和超導(dǎo)輸電線路等。超導(dǎo)發(fā)電機(jī)在電力領(lǐng)域，利用超導(dǎo)線圈磁體可以將發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)強(qiáng)度提高到5萬(wàn)6萬(wàn)高斯，并且?guī)缀鯖](méi)有能量損失，這種發(fā)電機(jī)便是交流超導(dǎo)發(fā)電機(jī)。超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的單機(jī)發(fā)電容量比常規(guī)

31、發(fā)電機(jī)提高510倍，達(dá)1萬(wàn)兆瓦，而體積卻減少1/2，整機(jī)重量減輕1/3，發(fā)電效率提高50。物理效應(yīng)及其應(yīng)用物理效應(yīng)及其應(yīng)用5-23第五講低溫下的量子效應(yīng)第五講低溫下的量子效應(yīng)超導(dǎo)線圈制的轉(zhuǎn)子浸入液氦中，為與外部隔熱，可仿照保溫瓶超導(dǎo)線圈制的轉(zhuǎn)子浸入液氦中，為與外部隔熱，可仿照保溫瓶的形式，將其包覆在真空間隙內(nèi)，由于轉(zhuǎn)子以每分鐘的形式，將其包覆在真空間隙內(nèi)，由于轉(zhuǎn)子以每分鐘3600轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)，故對(duì)支撐它的結(jié)構(gòu)材料提出了特殊的性能要求。即既能經(jīng)受超低故對(duì)支撐它的結(jié)構(gòu)材料提出了特殊的性能要求。即既能經(jīng)受超低溫，又不被磁化。因?yàn)槿f(wàn)一液氦漏泄，整個(gè)發(fā)電站內(nèi)部就會(huì)立即溫，又不被磁化。因?yàn)槿f(wàn)一液氦漏泄，

32、整個(gè)發(fā)電站內(nèi)部就會(huì)立即凍成冰山。凍成冰山。為此，國(guó)外采用了噴氣飛機(jī)引擎用的因科內(nèi)爾鎳鉻鐵耐熱耐為此，國(guó)外采用了噴氣飛機(jī)引擎用的因科內(nèi)爾鎳鉻鐵耐熱耐蝕合金，或蝕合金，或A286高鎳合金，或鈦合金。高鎳合金，或鈦合金。 發(fā)電機(jī)是在定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)中，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生電流的，發(fā)電機(jī)是在定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)中，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生電流的，也可以利用水力或煤、石油、原子能等產(chǎn)生的蒸汽動(dòng)力使轉(zhuǎn)子也可以利用水力或煤、石油、原子能等產(chǎn)生的蒸汽動(dòng)力使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子雖是一個(gè)巨大的線圈，若它產(chǎn)生的強(qiáng)大電流旋轉(zhuǎn)。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子雖是一個(gè)巨大的線圈，若它產(chǎn)生的強(qiáng)大電流毫無(wú)損失，這就是解決制造高效率發(fā)電機(jī)的方法。正由于超導(dǎo)毫無(wú)損失，

33、這就是解決制造高效率發(fā)電機(jī)的方法。正由于超導(dǎo)是電流損失為零的狀態(tài)，所以若把其應(yīng)用于線圈上，則可以達(dá)是電流損失為零的狀態(tài)，所以若把其應(yīng)用于線圈上，則可以達(dá)到最大限度的發(fā)電效率。到最大限度的發(fā)電效率。物理效應(yīng)及其應(yīng)用物理效應(yīng)及其應(yīng)用5-24第五講低溫下的量子效應(yīng)第五講低溫下的量子效應(yīng)超導(dǎo)輸電線路超導(dǎo)材料還可以用于制作超導(dǎo)電線和超導(dǎo)變壓器從而把電力幾乎無(wú)損耗地輸送給用戶。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前的銅或鋁導(dǎo)線輸電，約有15%的電能損耗在輸電線路上，光是在中國(guó)，每年的電力損失即達(dá)1000多億度。若改為超導(dǎo)輸電，節(jié)省的電能相當(dāng)于新建數(shù)十個(gè)大型發(fā)電廠。超導(dǎo)體在電力能源、超導(dǎo)磁體、生物、醫(yī)療科技、通信和微電子等領(lǐng)域有廣泛

34、的應(yīng)用。在電力能源方面，包括輸電電纜、線流器、電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、變壓器、超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)在內(nèi)的一系列超導(dǎo)產(chǎn)品將給電力的發(fā)展帶來(lái)深遠(yuǎn)的影響，以至于美國(guó)能源部的專家認(rèn)為“超導(dǎo)電力技術(shù)是21世紀(jì)電力工業(yè)唯一的高技術(shù)儲(chǔ)備”，日本專家也認(rèn)為“發(fā)展超導(dǎo)電力技術(shù)是在21世紀(jì)保持尖端優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵所在”。前景廣闊的超導(dǎo)兵器前景廣闊的超導(dǎo)兵器快速高效的超導(dǎo)通信快速高效的超導(dǎo)通信高度靈敏的超導(dǎo)探測(cè)高度靈敏的超導(dǎo)探測(cè) 物理效應(yīng)及其應(yīng)用物理效應(yīng)及其應(yīng)用5-25第五講低溫下的量子效應(yīng)第五講低溫下的量子效應(yīng)超導(dǎo)磁懸浮列車(chē)?yán)贸瑢?dǎo)材料的抗磁性，將超導(dǎo)材料放在一塊永久磁體的上方，由于磁體的磁力線不能穿過(guò)超導(dǎo)體，磁體和超導(dǎo)體之間會(huì)產(chǎn)生排

35、斥力，使超導(dǎo)體懸浮在磁體上方。利用這種磁懸浮效應(yīng)可以制作高速超導(dǎo)磁懸浮列車(chē)。利用超導(dǎo)體的抗磁性可以實(shí)現(xiàn)磁懸浮。由于超導(dǎo)盤(pán)把磁感應(yīng)線排斥出去， 超導(dǎo)盤(pán)跟磁鐵之間有排斥力，結(jié)果磁鐵懸浮在超導(dǎo)盤(pán)的上方。這種超導(dǎo)懸浮在工程技術(shù)中是可以大大利用的， 超導(dǎo)懸浮列車(chē)就是一例。讓列車(chē)懸浮起來(lái)，與軌道脫離接觸，這樣列車(chē)在運(yùn)行時(shí)的阻力降低很多，沿軌道“飛行”的速度可達(dá)500公里/小時(shí)。高溫超導(dǎo)體發(fā)現(xiàn)以后，超導(dǎo)態(tài)可以在液氮溫區(qū)(零下169度以上)出現(xiàn)，超導(dǎo)懸浮的裝置更為簡(jiǎn)單， 成本也大為降低。我國(guó)的西南交通大學(xué)于1994年成功地研制了高溫超導(dǎo)懸浮實(shí)驗(yàn)車(chē)。上?？茖W(xué)院磁浮技術(shù)首席專家、上師大退休教授魏樂(lè)漢上?？茖W(xué)院磁浮

36、技術(shù)首席專家、上師大退休教授魏樂(lè)漢日本自1962年起就開(kāi)始了直線電機(jī)推動(dòng)懸浮方式列車(chē)的預(yù)研制工作。至1999年2月10日，隨著在日本山梨縣境內(nèi)進(jìn)行的5節(jié)車(chē)輛時(shí)速500公里荷重270人分編組運(yùn)行試驗(yàn)的成功，日本超導(dǎo)磁浮列車(chē)的研制已近尾聲物理效應(yīng)及其應(yīng)用物理效應(yīng)及其應(yīng)用5-26第五講低溫下的量子效應(yīng)第五講低溫下的量子效應(yīng)超導(dǎo)核磁共振譜儀物理效應(yīng)及其應(yīng)用物理效應(yīng)及其應(yīng)用5-27第五講低溫下的量子效應(yīng)第五講低溫下的量子效應(yīng) 超導(dǎo)計(jì)算機(jī)高速計(jì)算機(jī)要求集成電路芯片上的元件和連接線密集排列，但密集排列的電路在工作時(shí)會(huì)發(fā)生大量的熱，而散熱是超大規(guī)模集成電路面臨的難題。超導(dǎo)計(jì)算機(jī)中的超大規(guī)模集成電路，其元件間的互連線用接近零電阻和超微發(fā)熱的超導(dǎo)器件來(lái)制作，不存在散熱問(wèn)題，同時(shí)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度大大提高。此外，科學(xué)家正研究用半導(dǎo)體和超導(dǎo)體來(lái)制造晶體管，甚至完全用超導(dǎo)體來(lái)制作晶體管。物理效應(yīng)及其應(yīng)用物理效應(yīng)及其應(yīng)用5-28第五講低溫下的量子效應(yīng)第五講低溫下的量子效應(yīng) 綠色交通工具綠色交通工具磁懸浮列車(chē)磁懸浮列車(chē) 磁懸浮列車(chē)不使用車(chē)輪，是依靠電磁作用力把車(chē)輛懸浮在軌道上方，導(dǎo)引與驅(qū)動(dòng)車(chē)輛，除了空氣摩擦之外，沒(méi)有輪軌接觸所