超導(dǎo)物理學(xué)講座

1、超導(dǎo)物理學(xué)講座第1頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期三2超導(dǎo)物理學(xué)一、超導(dǎo)物理學(xué)的誕生和發(fā)展二、超導(dǎo)體的基本性質(zhì)三、超導(dǎo)體的微觀理論四、超導(dǎo)體的應(yīng)用第2頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期三31.歷史背景低溫導(dǎo)電性研究已知：溫度下降，電阻下降，T0K，R？ R0：晶格振動(dòng)停止； R：電子運(yùn)動(dòng)靜止； Rconst：兩種共同作用。 奇異的低溫世界里隱藏著大量的奧秘，當(dāng)溫度逐步降低時(shí)，許多材料會(huì)發(fā)生有趣的物理變化。第3頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期三42、超導(dǎo)電性的發(fā)現(xiàn) 1911年，昂尼斯發(fā)現(xiàn)將汞冷卻到4.2K時(shí)，汞的電阻突然

2、消失，他稱這種電阻突然消失的現(xiàn)象為超導(dǎo)現(xiàn)象（Superconductivity），具有超導(dǎo)現(xiàn)象的材料被稱為超導(dǎo)體（Superconductor）。而對(duì)應(yīng)于某一超導(dǎo)體電阻突然消失的溫度被稱為該材料的超導(dǎo)臨界轉(zhuǎn)變溫度（superconducting critical temperature），一般用Tc表示。 這一發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著超導(dǎo)物理學(xué)的誕生。 第4頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期三5超導(dǎo)電性的發(fā)現(xiàn)1911年昂尼斯(左)和范得瓦爾斯在實(shí)驗(yàn)室里第5頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期三6超導(dǎo)電性的發(fā)展 自從昂尼斯1911年發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象以來(lái)，人們已發(fā)現(xiàn)共有

3、近40種元素是超導(dǎo)體。被發(fā)現(xiàn)的合金、化合物超導(dǎo)體的數(shù)量達(dá)到數(shù)千種。第6頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期三7超導(dǎo)電性的發(fā)展 經(jīng)過(guò)數(shù)十年的努力，超導(dǎo)體臨界溫度只能提高到23.2K（Nb3Ge,1975年）。由于以上的超導(dǎo)現(xiàn)象只能在液氦溫區(qū)出現(xiàn)，而氦是一種稀有氣體，因而大大限制了超導(dǎo)的應(yīng)用。 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，這就出現(xiàn)了高溫超導(dǎo)研究。第7頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期三8新的突破高溫超導(dǎo) 1986年繆勒和貝德諾茲發(fā)現(xiàn)了一種成分為鑭、鋇、銅、氧的陶瓷性金屬氧化物L(fēng)a2-xBaxCuO4，其臨界溫度約為3

4、5K，標(biāo)志進(jìn)入了高溫超導(dǎo)研究階段。 1987年，Nobel PrizeMller(右)和Bednorz在他們的實(shí)驗(yàn)室(IBM Zurich)里第8頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期三9新的突破高溫超導(dǎo)朱經(jīng)武趙忠賢 1987年2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YBa2Cu3O7系材料上把超導(dǎo)臨界溫度提高到90K以上，成功地突破了液氮溫區(qū)（77K）。 自此，掀起了全球性的高溫超導(dǎo)研究熱潮。第9頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期三10新的突破高溫超導(dǎo)區(qū)分：液氦溫區(qū)的金屬合金化合物超導(dǎo)體稱為傳統(tǒng)超導(dǎo)體。氧化物超導(dǎo)體稱為高溫超導(dǎo)體。第10頁(yè)

5、，共128頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期三11新的突破高溫超導(dǎo)超導(dǎo)體的判斷準(zhǔn)則：一、零電阻現(xiàn)象二、邁斯納效應(yīng) (完全抗磁性)三、穩(wěn)定性和再現(xiàn)性四、可重復(fù)性和可驗(yàn)證性第11頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期三12新的突破高溫超導(dǎo)1988年，Tl-Ba-Ca-Cu-O系材料又把臨界超導(dǎo)溫度的記錄提高到125K。1994年,Hg-Ba-Ca-Cu-O,臨界溫度提高到135K，高壓下已達(dá)到164K。高溫超導(dǎo)材料的不斷問(wèn)世，為超導(dǎo)材料從實(shí)驗(yàn)室走向應(yīng)用鋪平了道路。1987年，Bi-Sr-Ca-Cu-O系材料,臨界超導(dǎo)溫度提高到110K。第12頁(yè)，共128頁(yè)，2022

6、年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期三13新的突破高溫超導(dǎo)第13頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期三14新的突破高溫超導(dǎo)Tc未有突破，但仍不斷努力C60，MgB2，NaxCoO2 室溫超導(dǎo)：不可抗拒的誘惑第14頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期三15一、超導(dǎo)物理學(xué)的誕生和發(fā)展二、超導(dǎo)體的基本性質(zhì)三、超導(dǎo)體的微觀理論四、超導(dǎo)體的應(yīng)用超導(dǎo)物理學(xué)第15頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期三16超導(dǎo)體的基本性質(zhì)1、零電阻效應(yīng)2、邁斯納效應(yīng)(完全抗磁性)3、超導(dǎo)態(tài)的臨界參數(shù)4、約瑟夫森效應(yīng)5、超導(dǎo)體的宏觀量子化現(xiàn)象6、超導(dǎo)體的分類第16

7、頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期三171、零電阻效應(yīng) 將超導(dǎo)體冷卻到臨界溫度（TC）以下時(shí)電阻突然降為零的現(xiàn)象稱為超導(dǎo)體的零電阻現(xiàn)象。不同超導(dǎo)體臨界溫度各不相同。第17頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期三181、零電阻效應(yīng)超導(dǎo)體I 在超導(dǎo)體內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)總為零。因此維持超導(dǎo)體內(nèi)部持續(xù)電流不需要加電場(chǎng)。第18頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期三191、零電阻效應(yīng)電阻的成因：電子運(yùn)動(dòng)與晶格振動(dòng)相互作用，損失能量放熱。TTc時(shí)，正常導(dǎo)體；TTc時(shí)，超導(dǎo)，電子運(yùn)動(dòng)完全不受晶格振動(dòng)影響。第19頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，17

8、點(diǎn)34分，星期三201、零電阻效應(yīng)零電阻的測(cè)量： 超導(dǎo)環(huán)，磁場(chǎng)感應(yīng)電流，兩年不衰減。超導(dǎo)態(tài)鉛：3.610-22cm正常態(tài)銅：=1.610-6cm第20頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期三212、邁斯納效應(yīng)(完全抗磁性) 1933年，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)，超導(dǎo)體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，原來(lái)存在于體內(nèi)的磁場(chǎng)（磁力線）被排擠出去。人們將這種現(xiàn)象稱之為“邁斯納效應(yīng)”。W.Meissner第21頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期三222、邁斯納效應(yīng)(完全抗磁性)第22頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20

9、日，17點(diǎn)34分，星期三232、邁斯納效應(yīng)(完全抗磁性)超導(dǎo)體不是理想導(dǎo)體！對(duì)于理想導(dǎo)體(=0,E=0)： 這只說(shuō)明磁感應(yīng)強(qiáng)度B不隨時(shí)間變化(可以是任意常數(shù))。而對(duì)于超導(dǎo)體，其內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度B恒為0。第23頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期三242、邁斯納效應(yīng)(完全抗磁性)第24頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期三252、邁斯納效應(yīng)(完全抗磁性)第25頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期三262、邁斯納效應(yīng)(完全抗磁性)結(jié)論： 理想導(dǎo)體在外磁場(chǎng)中的行為與經(jīng)歷的過(guò)程有關(guān)。 超導(dǎo)體在外磁場(chǎng)中的行為與經(jīng)歷的過(guò)程無(wú)關(guān)。 無(wú)論過(guò)度到

10、超導(dǎo)態(tài)的途徑如何，只要TTc時(shí),把一個(gè)處于正常態(tài)的超導(dǎo)環(huán)放置于外磁場(chǎng)中。降低溫度使T0的上半空間，并設(shè)B沿x方向, Bx=B(z)。當(dāng)z為數(shù)個(gè)L線度時(shí)，B(z)基本上為零。 L標(biāo)志著磁場(chǎng)透入超導(dǎo)體內(nèi)的線度-穿透深度電流分布L-電流穿透深度第69頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期三例1 求理想邁斯納狀態(tài)下，超導(dǎo)體的面電流密度s與邊界上的磁感應(yīng)強(qiáng)度B之間的關(guān)系。切向法向第70頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期三由于邁納斯效應(yīng),在超導(dǎo)體表面產(chǎn)生超導(dǎo)電流s，它所產(chǎn)生的磁場(chǎng)在超導(dǎo)體內(nèi)部與外場(chǎng)反向，因而把外磁場(chǎng)屏蔽，使超導(dǎo)體內(nèi)部B=0第71頁(yè)，共128頁(yè)，2

11、022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期三例2 處于一般邁斯納態(tài)、半徑為a的無(wú)窮長(zhǎng)超導(dǎo)圓柱體，放入均勻磁場(chǎng)B=B0ez中，柱軸與磁場(chǎng)方向平行。求磁場(chǎng)分布和超導(dǎo)電流分布。柱外：因電流為零，磁場(chǎng)的旋度和散度均為零，因此磁場(chǎng)是常數(shù)。柱內(nèi)：將L換為p。由對(duì)稱性，磁場(chǎng)只能是柱坐標(biāo)中徑向坐標(biāo)的函數(shù)，服從方程常數(shù)零階虛宗量貝塞爾函數(shù)第72頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期三邊值關(guān)系 當(dāng)ap, 磁場(chǎng)和電流均呈指數(shù)衰減 超導(dǎo)電流在柱體內(nèi)產(chǎn)生的磁場(chǎng)與外磁場(chǎng)相反，部分抵消進(jìn)入柱體的外磁場(chǎng)。 當(dāng)a,超導(dǎo)電流為理想化的面電流分布，完全抵消進(jìn)入柱體內(nèi)的外磁場(chǎng)。第73頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月

12、20日，17點(diǎn)34分，星期三例3 半徑為a、處于理想邁斯納態(tài)的超導(dǎo)球體置于均勻外磁場(chǎng)H0中，求外部真空中的磁場(chǎng)分布和超導(dǎo)面電流分布。此時(shí)超導(dǎo)體內(nèi)B=0, Js=0， 超導(dǎo)電流被視為面電流。只需求解超導(dǎo)體外部的磁場(chǎng)，邊值關(guān)系為理想邁斯納狀態(tài)下場(chǎng)分布的求解第74頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期三解：球外沒(méi)有電流，可引入磁標(biāo)勢(shì)，求解標(biāo)勢(shì)的拉普拉斯方程。由軸對(duì)稱性和無(wú)窮遠(yuǎn)處場(chǎng)，可獲得解的形式為磁場(chǎng)只沿表面，法向?qū)?shù)為零，可得磁偶極矩貢獻(xiàn)表面電流：第75頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期三例4 有一小磁鐵（或小線圈）位于大塊超導(dǎo)體平坦的表面附近的真空中，

13、其中磁矩m的方向與超導(dǎo)體表面垂直。試估算超導(dǎo)體外部的磁場(chǎng)分布和磁矩受到的作用力。第76頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期三解：設(shè)想大塊超導(dǎo)體為無(wú)限大。設(shè)z0的空間為真空。在z=a取可在z=-a取鏡象由場(chǎng)疊加原理得上半空間任一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度產(chǎn)生磁場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)第77頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期三m在z=a處產(chǎn)生磁場(chǎng)超導(dǎo)體對(duì)磁矩m的作用能作用力：排斥第78頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期三792、唯象理論發(fā)展Ginzberg-Landau方程倫敦理論的缺陷：未考慮磁場(chǎng)的影響和ns的空間分布。1950年，金茲堡和朗道提出的理

14、論，考慮ns不僅是T的函數(shù)，而且是空間位置r和磁場(chǎng)B的函數(shù)，引入序參量(r)和矢量勢(shì)A,可以解釋更多的現(xiàn)象。相干長(zhǎng)度：ns有顯著變化的范圍， 10-4cm第79頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期三803、超導(dǎo)能隙 超導(dǎo)體處于正常態(tài)時(shí)，大量電子遵從泡利不相容原理按能級(jí)由低到高依次填充到費(fèi)密能級(jí)EF。正常態(tài)的能級(jí)空帶EF占滿正常態(tài)第80頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期三813、超導(dǎo)能隙 超導(dǎo)體處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)，出現(xiàn)能隙，即在費(fèi)密能級(jí)EF附近出現(xiàn)寬度為2的能量間隔，這個(gè)能量間隔內(nèi)不能有電子存在，這個(gè)叫超導(dǎo)能隙。超導(dǎo)能隙能隙空帶EF占滿2超導(dǎo)態(tài)第81頁(yè)，共

15、128頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期三823、超導(dǎo)能隙超導(dǎo)能隙的意義： 超導(dǎo)能隙的出現(xiàn)反應(yīng)了從正常態(tài)到超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變過(guò)程中電子狀態(tài)發(fā)生了變化，產(chǎn)生了某種相互作用。 直接作用：庫(kù)侖排斥，能量升高 間接作用：吸引 （？）第82頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期三834、同位素效應(yīng) 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體的臨界溫度TC依賴于同位素質(zhì)量的現(xiàn)象稱為：同位素效應(yīng)。第83頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期三844、同位素效應(yīng)同位素效應(yīng)的意義： M反映晶格的性質(zhì)，TC反映超導(dǎo)態(tài)下電子的性質(zhì)。同位素效應(yīng)把二者聯(lián)系起來(lái)。 超導(dǎo)與聲子（晶格振動(dòng)）有關(guān)。電子-聲子間

16、的相互作用是引起超導(dǎo)轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵因素。第84頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期三855、傳統(tǒng)超導(dǎo)體的超導(dǎo)機(jī)制-BCS理論庫(kù)柏電子對(duì) 1956年，庫(kù)柏提出超導(dǎo)態(tài)下電子對(duì)的形成是產(chǎn)生能隙的原因。 一對(duì)電子通過(guò)與聲子的相互作用而存在凈吸引作用時(shí)形成電子對(duì)的束縛態(tài)。 只有兩個(gè)動(dòng)量大小相等方向相反的電子才能形成庫(kù)柏電子對(duì)。第85頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期三865、傳統(tǒng)超導(dǎo)體的超導(dǎo)機(jī)制-BCS理論 電子-聲子相互作用第86頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期三875、傳統(tǒng)超導(dǎo)體的超導(dǎo)機(jī)制-BCS理論第87頁(yè)，共128頁(yè)，2022年

17、，5月20日，17點(diǎn)34分，星期三885、傳統(tǒng)超導(dǎo)體的超導(dǎo)機(jī)制-BCS理論鐵索橋?qū)蓚€(gè)人的間接作用鼓面上的兩個(gè)棋子相互靠攏第88頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期三895、傳統(tǒng)超導(dǎo)體的超導(dǎo)機(jī)制-BCS理論 1957年由巴丁、庫(kù)柏、施里弗創(chuàng)建了傳統(tǒng)超導(dǎo)體的量子理論，簡(jiǎn)稱BCS理論。 該理論模型基于量子力學(xué)理論，其主要觀點(diǎn)是：在超導(dǎo)體內(nèi)部，由于電子和點(diǎn)陣之間的相互作用，在電子與電子之間產(chǎn)生了吸引力，這種吸引力使傳導(dǎo)電子兩兩結(jié)成電子對(duì)，組成每個(gè)電子對(duì)的兩個(gè)電子動(dòng)量相等、自旋方向相反，這種電子對(duì)稱為庫(kù)珀電子對(duì)或超導(dǎo)電子。第89頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分

18、，星期三905、傳統(tǒng)超導(dǎo)體的超導(dǎo)機(jī)制-BCS理論 庫(kù)珀電子對(duì)的能量低于兩個(gè)正常電子的能量之和，因而超導(dǎo)態(tài)的能量低于正常態(tài)。在絕對(duì)零度時(shí)，全部電子都結(jié)成庫(kù)珀電子對(duì)，都是超導(dǎo)電子，隨著溫度的升高，晶格振動(dòng)能量不斷增大，庫(kù)珀電子對(duì)就不斷地被拆散并轉(zhuǎn)變?yōu)檎ｋ娮?，在溫度達(dá)到臨界溫度以上時(shí)，庫(kù)珀電子就全部被拆散，所有電子都是正常電子。 第90頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期三915、傳統(tǒng)超導(dǎo)體的超導(dǎo)機(jī)制-BCS理論 超導(dǎo)態(tài)下電子系統(tǒng)顯示出某種剛性（有序態(tài)），使之能夠克制個(gè)別散射事件造成的阻力而產(chǎn)生零電阻效應(yīng)，亦能抗拒外來(lái)磁場(chǎng)的入侵而導(dǎo)致邁斯納效應(yīng)。第91頁(yè)，共128頁(yè)，2022

19、年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期三925、傳統(tǒng)超導(dǎo)體的超導(dǎo)機(jī)制-BCS理論BCS理論 1972年，Nobel PrizeJohn Bardeen Leon N. Cooper J. Robert Schrieffer 第92頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期三936、高溫超導(dǎo)體的超導(dǎo)機(jī)制高溫超導(dǎo)體的特點(diǎn) 目前發(fā)現(xiàn)的高溫超導(dǎo)材料，如La2-xBaxCuO4 、YBa2Cu3O7、Bi-Sr-Ca-Cu-O、Tl-Ba-Ca-Cu-O等，都是金屬氧化物，在本質(zhì)上是陶瓷材料。而且都是銅基氧化物，且為層狀結(jié)構(gòu)。第93頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期三

20、946、高溫超導(dǎo)體的超導(dǎo)機(jī)制 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)高溫超導(dǎo)體的超導(dǎo)電性主要發(fā)生在CuO2面內(nèi)。第94頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期三956、高溫超導(dǎo)體的超導(dǎo)機(jī)制高溫超導(dǎo)體的相圖La2-xBaxCuO4母體：反鐵磁摻雜：超導(dǎo)第95頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期三966、高溫超導(dǎo)體的超導(dǎo)機(jī)制高溫超導(dǎo)體的超導(dǎo)機(jī)制：還不清楚 高溫超導(dǎo)材料的超導(dǎo)機(jī)制不能用BCS理論來(lái)解釋。 1.BCS預(yù)言Tc不會(huì)超過(guò)40K， 2.高溫超導(dǎo)體中電聲耦合小于1/2。 需要新的超導(dǎo)機(jī)理。第96頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期三976、高溫超導(dǎo)體的超導(dǎo)機(jī)制幾

21、種代表性觀點(diǎn)：共振價(jià)鍵理論 1987年，安德森（）提出了共價(jià)鍵理論。該理論認(rèn)為，氧化物超導(dǎo)體的母晶體，可以認(rèn)為是莫脫（Mott）型絕緣體，其中的電子由于強(qiáng)相互關(guān)聯(lián)作用被定域在各個(gè)格點(diǎn)附近。相鄰格點(diǎn)的電子自旋相反而構(gòu)成單重態(tài)共價(jià)鍵。通過(guò)摻雜后，局域化的共價(jià)鍵系統(tǒng)受到驅(qū)動(dòng)，通過(guò)超交換作用，使其退局域化而流動(dòng)起來(lái)。若在流動(dòng)中還能保持原有的配對(duì)關(guān)系，則可視為大量定域共價(jià)鍵發(fā)生共振而轉(zhuǎn)變的一種超流的庫(kù)珀對(duì)集合，絕緣晶體則轉(zhuǎn)化為超導(dǎo)體。這種由實(shí)空間定域配對(duì)轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰靠臻g的非局域配對(duì)機(jī)制，稱為“共振價(jià)鍵理論”。這一理論是一種全電子理論，它與晶格振動(dòng)沒(méi)有直接聯(lián)系，它能說(shuō)明新的超導(dǎo)體的弱同位素效應(yīng)。但是，由于用

22、它說(shuō)明具體問(wèn)題時(shí)，還需引入一些輔助性假設(shè)，目前還未得到公認(rèn)。第97頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期三986、高溫超導(dǎo)體的超導(dǎo)機(jī)制雙極化子理論 該理論認(rèn)為，氧化物超導(dǎo)體中含有正負(fù)離子交換復(fù)式晶格。由于極化電場(chǎng)的存在，導(dǎo)致強(qiáng)電聲子相互作用。當(dāng)電子在晶格間運(yùn)動(dòng)時(shí)，造成附近晶格畸變。電子與“畸變”一起運(yùn)動(dòng)，可以構(gòu)成復(fù)合粒子，稱為極化子。當(dāng)兩個(gè)極化子相互靠近時(shí)，聯(lián)合畸變將形成雙極化子。無(wú)數(shù)個(gè)雙極化子在空間的流動(dòng)，即形成超導(dǎo)態(tài)。雙極化子理論并未超出BCS理論的框架，與庫(kù)珀對(duì)比較，雙極化子理論則更接近實(shí)際情況。第98頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期三996

23、、高溫超導(dǎo)體的超導(dǎo)機(jī)制激子理論 激子理論認(rèn)為，氧化物超導(dǎo)體可視為在氧化銅層兩側(cè)各有一金屬層，而形成夾層結(jié)構(gòu)。當(dāng)金屬層中的電子靠近氧化銅層時(shí)，電子的波函數(shù)部分有可能隧穿入氧化層，使其中的負(fù)電荷被排斥而顯示一個(gè)帶正電的空穴。電子與空穴的庫(kù)侖吸引，形成電子- 空穴束縛對(duì)，稱為激子。同時(shí)帶正電的空穴還能把另一側(cè)金屬層中的一個(gè)電子拉過(guò)來(lái)，于是兩金屬層中的電子，通過(guò)氧化層的空穴兩兩配對(duì)，構(gòu)成庫(kù)珀對(duì)而實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)態(tài)。激子機(jī)制理論可以闡明氧化物超導(dǎo)體的空穴導(dǎo)電、各向異性輸運(yùn)等特點(diǎn)。問(wèn)題在于是否能把這種結(jié)構(gòu)視為金屬層與氧化物層的交疊，該理論還有待進(jìn)一步完善。第99頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分

24、，星期三1006、高溫超導(dǎo)體的超導(dǎo)機(jī)制期待超導(dǎo)領(lǐng)域的“相對(duì)論”第100頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期三101一、超導(dǎo)物理學(xué)的誕生和發(fā)展二、超導(dǎo)體的基本性質(zhì)三、超導(dǎo)體的微觀理論四、超導(dǎo)體的應(yīng)用超導(dǎo)物理學(xué)第101頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期三102超導(dǎo)體的應(yīng)用超導(dǎo)體的應(yīng)用第102頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期三103超導(dǎo)體的應(yīng)用大致可分為三類：1.大電流應(yīng)用(強(qiáng)電應(yīng)用)：發(fā)電，輸電和儲(chǔ)能2.抗磁性應(yīng)用(強(qiáng)電應(yīng)用)：磁懸浮列車和熱核聚變反應(yīng)堆等3.電子學(xué)應(yīng)用（弱電應(yīng)用）：超導(dǎo)計(jì)算機(jī)，濾波器，微波器件等第103頁(yè)，共

25、128頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期三104電力應(yīng)用超導(dǎo)輸電 用超導(dǎo)材料制作超導(dǎo)電線和超導(dǎo)變壓器，從而把可以電力幾乎無(wú)損耗地輸送給用戶。高溫超導(dǎo)電纜能夠傳輸比同尺寸的常規(guī)電纜大3到5倍的功率，并且在傳輸交流時(shí)的功率損耗只占其輸送容量的1%左右，比常規(guī)電纜的8%要低得多。 第104頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期三105電力應(yīng)用含有電纜芯、低溫容器、終端和冷卻系統(tǒng)四個(gè)部分的高溫超導(dǎo)電纜超導(dǎo)導(dǎo)線(含2120根微米直徑的鈮鈦合金纖維) 第105頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期三106電力應(yīng)用超導(dǎo)限流器 利用超導(dǎo)體的正常態(tài)/超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變

26、的特性，有效限制電力系統(tǒng)故障短路電流，能夠快速和有效地達(dá)到限流作用的一種電力設(shè)備。超導(dǎo)限流器第106頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期三107電力應(yīng)用超導(dǎo)限流器的作用：1.增強(qiáng)電力系統(tǒng)的安全性；2.增加電力系統(tǒng)的可靠性；3.提高電力質(zhì)量；4.能夠與現(xiàn)有的電力系統(tǒng)保護(hù)設(shè)施兼容；5.通過(guò)調(diào)節(jié)允許的電流峰值增加電力系統(tǒng)的靈活性；6.減少電力系統(tǒng)線路中的斷路器和熔斷器的使用，延緩電力設(shè)備的更新以降低成本；7. 提高系統(tǒng)的運(yùn)行容量。第107頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期三108電力應(yīng)用超導(dǎo)儲(chǔ)能 利用超導(dǎo)線圈將電磁能直接儲(chǔ)存起來(lái)，需要時(shí)再將電磁能返回電網(wǎng)

27、或其它負(fù)載的一種電力設(shè)施。第108頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期三109電力應(yīng)用超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置(一般由超導(dǎo)線圈、低溫容器、制冷裝置、變流裝置和測(cè)控系統(tǒng)幾個(gè)部件組成。)第109頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期三110電力應(yīng)用超導(dǎo)儲(chǔ)能的優(yōu)點(diǎn)： 1.可長(zhǎng)期無(wú)損耗地儲(chǔ)存能量，其轉(zhuǎn)換效率可達(dá)95%； 2.可通過(guò)采用電力電子器件的變流器實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的連 接，響應(yīng)速度快(毫秒級(jí))； 3.由于其儲(chǔ)能量與功率調(diào)制系統(tǒng)的容量可獨(dú)立地在大范圍內(nèi)選取，可建成所需的大功率和大能量系統(tǒng)；4.除了真空和制冷系統(tǒng)外沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)部分，使用壽命長(zhǎng)； 5.在建造時(shí)不受地點(diǎn)限制，維護(hù)簡(jiǎn)單

28、、污染小。第110頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期三111電力應(yīng)用超導(dǎo)發(fā)電機(jī) 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，超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的單機(jī)發(fā)電容量比常規(guī)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。 超導(dǎo)發(fā)電機(jī) 第111頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期三112交通應(yīng)用磁懸浮列車?yán)么艖腋∽饔檬管囕喤c地面脫離接觸而懸浮于軌道之上，并利用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)列車運(yùn)動(dòng)的一種新型交通工具。時(shí)速可達(dá)500公里/小時(shí)。 第112頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期三113交通應(yīng)用磁懸

29、浮列車運(yùn)行原理：托力的產(chǎn)生第113頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期三114牽引力的產(chǎn)生：NSSNNSNS拉推拉推拉推(a)NSNS(b)SNNSNSNS拉推拉推拉推(c)NSNS(d)NSNS拉推拉推拉推SNSN(e)第114頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期三115交通應(yīng)用超導(dǎo)電磁流體推進(jìn)船舶 用電磁力直接推動(dòng)船舶運(yùn)動(dòng)的一種新穎的船舶推進(jìn)方式。它基于海水在相互垂直的電場(chǎng)和磁場(chǎng)中受到電磁力的作用，推動(dòng)船舶前進(jìn)。該推進(jìn)方式具有無(wú)振動(dòng)、無(wú)機(jī)械磨損、噪聲小和控制靈活等特點(diǎn)，理論船速可達(dá)每小時(shí)100海里。 第115頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日

30、，17點(diǎn)34分，星期三116磁體應(yīng)用核聚變反應(yīng)堆“磁封閉體”利用超導(dǎo)體產(chǎn)生的巨大磁場(chǎng)，應(yīng)用于受控制熱核反應(yīng)。核聚變反應(yīng)時(shí)，內(nèi)部溫度高達(dá)1億2億，沒(méi)有任何常規(guī)材料可以包容這些物質(zhì)。而超導(dǎo)體產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)可以作為“磁封閉體”，將熱核反應(yīng)堆中的超高溫等離子體包圍、約束起來(lái)，然后慢慢釋放。第116頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期三117磁體應(yīng)用環(huán)保超導(dǎo)磁分離裝置材料強(qiáng)磁場(chǎng)處理磁拉單晶 第117頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期三118生物醫(yī)學(xué)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

31、理等。利用超導(dǎo)體介子發(fā)生器可以治療癌癥，利用超導(dǎo)磁體可以治療腦血管腫瘤。第118頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期三119電子學(xué)應(yīng)用超導(dǎo)量子干涉器(SQUID) 由超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)制成的超導(dǎo)量子干涉器(SQUID)磁強(qiáng)計(jì)是極其靈敏的磁場(chǎng)探測(cè)儀器，它可以分辨相當(dāng)于十億分一的地磁場(chǎng)變化，廣泛用于科學(xué)研究、生物磁(腦磁、心磁)、無(wú)損探傷及大地電磁測(cè)量等領(lǐng)域。第119頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期三120電子學(xué)應(yīng)用高溫超導(dǎo)濾波器第120頁(yè)，共128頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)34分，星期三121電子學(xué)應(yīng)用超導(dǎo)計(jì)算機(jī) 散熱是超大規(guī)模集成電路面臨的難題，如果超大規(guī)模集成電路中元件之間的互連線用零