昂納斯發(fā)現(xiàn)將汞冷卻到K時(共19張PPT)

高溫超導簡介韓志龍

0810209第1頁，共19頁。一、超導百年（實驗篇）1911年，昂納斯發(fā)現(xiàn)將汞冷卻到4.2K時，電阻突然消失。1933年，邁斯納發(fā)現(xiàn)超導體的完全抗磁性。1962年，約瑟夫遜發(fā)現(xiàn)在超導結(jié)中，電子對可以通過氧化層形成無阻的超導電流。1986年。柏諾茲和繆勒，首先發(fā)現(xiàn)銅基高溫超導體，將超導溫度提高到30K。2008年，Hosono發(fā)現(xiàn)鐵基高溫超導體。2009年10月10日,美國合成(Tl4Ba)Ba2Ca2Cu7O13+,將超導溫度提高到254K,距離冰點僅19℃。第2頁，共19頁。二、超導百年（理論篇）1934年，格特和卡西米爾提出二流體模型。1935年，倫敦兄弟提出兩個描述超導電流和電磁場關(guān)系的方程，即倫敦方程。1950年，京茲堡和朗道采用二級相變中的自由能展開法，建立超導電性的唯像理論。1952年，阿布里柯索夫理論指出第二類超導體的存在。1957年，巴丁、庫柏、侍里弗提出基于電聲相互作用超導電子結(jié)成庫柏對的理論，建立弱耦合超導理論。1968年，麥克米蘭建立強耦合超導理論。1986年至今，高溫超導理論百家爭鳴。第3頁，共19頁。二、什么是高溫超導超導材料的基本臨界參量：1、臨界溫度：外磁場為零時超導材料由正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢B(tài)(或相反)的溫度，以Tc表示。2、臨界磁場：使超導材料的超導態(tài)破壞而轉(zhuǎn)變到正常態(tài)所需的磁場強度，以Hc表示。Hc與溫度T的關(guān)系為Hc=H0[1-(T/Tc)2]，式中H0為0K時的臨界磁場。3、臨界電流：通過超導材料的電流達到一定數(shù)值時也會使超導態(tài)破態(tài)而轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)，以Ic表示。Ic一般隨溫度和外磁場的增加而減少。單位截面積所承載的Ic稱為臨界電流密度，以Jc表示。第4頁，共19頁。二、什么是高溫超導傳統(tǒng)超導材料是指超導元素、合金材料及超導化合物，這些超導材料的臨界溫度都很低，最低的如鎢只有0.012K，最高的Nb3Ge也不超過23K。高溫超導材料，簡單講就是具有高臨界轉(zhuǎn)變溫度的超導材料。一般是指能在液氮溫區(qū)工作，即臨界溫度高于77K。它們是某些氧化物陶瓷材料，如鑭－鋇－銅－氧化物。傳統(tǒng)超導材料是可以用BCS理論很好的解釋，但對于高溫超導的物理機制BCS理論對于這么高的溫度無法給出滿意解釋，同時由于缺乏關(guān)鍵實驗，其機制仍在探索中。第5頁，共19頁。三、高溫超導的特性超導體的主要普遍特性：1、零電阻性：超導材料處于超導態(tài)時電阻為零，能夠無損耗地傳輸電能。如果用磁場在超導環(huán)中引發(fā)感生電流，這一電流可以毫不衰減地維持下去。2、完全抗磁性：超導材料處于超導態(tài)時，只要外加磁場不超過一定值，磁力線不能透入，超導材料內(nèi)的磁場恒為零。3、約瑟夫森效應(yīng)：兩超導材料之間有一薄絕緣層（厚度約1nm）而形成低電阻連接時，會有電子對穿過絕緣層形成電流，而絕緣層兩側(cè)沒有電壓，即絕緣層也成了超導體。第6頁，共19頁。存在一個高能機制，使高溫超導體中的電子結(jié)合成單重態(tài)配對。3、PbFCl晶型18K1950年，京茲堡和朗道采用二級相變中的自由能展開法，建立超導電性的唯像理論。3、摻雜的莫特絕緣體和低維度結(jié)合，產(chǎn)生奇異的重要特性。Ic一般隨溫度和外磁場的增加而減少。2月24日，趙忠賢發(fā)現(xiàn)臨界溫度在100K左右的超導材料。一、超導百年（實驗篇）超導體的主要普遍特性：鉍超導家族85、110KⅤ、SO（5）對稱群理論插曲一：銅基高溫超導爭霸賽如果用磁場在超導環(huán)中引發(fā)感生電流，這一電流可以毫不衰減地維持下去。存在一個高能機制，使高溫超導體中的電子結(jié)合成單重態(tài)配對。1、臨界溫度：外磁場為零時超導材料由正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢B(tài)(或相反)的溫度，以Tc表示。如果用磁場在超導環(huán)中引發(fā)感生電流，這一電流可以毫不衰減地維持下去。1987年2月16日，朱經(jīng)武的試驗小組在92K處觀察到了超導轉(zhuǎn)變。1986年至今，高溫超導理論百家爭鳴。3月20日,聞?；⑿〗M在LaFeAsO空穴摻雜中取得重要進展,第一個鐵基空穴型超導體La1-xSrxFeAsO被發(fā)現(xiàn)。3月3日，日本宣布發(fā)現(xiàn)123K超導體……1、ZrCuSiAs晶型25、50K1986年10月，柏諾茲等人提出在Ba-La-Cu-O系統(tǒng)中獲得了臨界溫度為30K左右的報道。同年12月15日，休斯頓大學報告了在處于壓力下的La-Ba-Cu-O化合物體系中獲得40.Ⅴ、SO（5）對稱群理論鉍超導家族85、110K四、高溫超導材料的種類2008年2月，Hosono首次發(fā)現(xiàn)報道在鐵基層狀化合物LaFeAsO中通過F摻雜發(fā)現(xiàn)了高達26K的超導電性。自旋袋元激發(fā)即是在自旋密度波序減小的環(huán)境中自陷的空穴，這個減小了的自旋波序區(qū)域與空穴同行，叫做“袋”；1957年，巴丁、庫柏、侍里弗提出基于電聲相互作用超導電子結(jié)成庫柏對的理論，建立弱耦合超導理論。三、高溫超導的特性高溫超導體的特性：電子間的相互作用很強，高超導轉(zhuǎn)變溫度、低的相干長度、強烈的各項異性、正常態(tài)的奇異性安德森在1987年提出這些材料的3個重要特征：1、準二系統(tǒng)，面與面之間是弱耦合。2、高溫超導體的基態(tài)是莫特絕緣體，摻雜導致超導。3、摻雜的莫特絕緣體和低維度結(jié)合，產(chǎn)生奇異的重要特性。第7頁，共19頁。四、高溫超導材料的種類Ⅰ、銅基高溫超導材料自1986年發(fā)現(xiàn)以來，經(jīng)過中美日等國科研人員努力已經(jīng)發(fā)展成五大家族：1.稀土214家族36K

2.稀土123家族90K

3.鉍超導家族85、110K4.鉈超導家族45、90、110、120K5.汞超導家族85、120、130K第8頁，共19頁。四、高溫超導材料的種類插曲一：銅基高溫超導爭霸賽1986年10月，柏諾茲等人提出在Ba-La-Cu-O系統(tǒng)中獲得了臨界溫度為30K左右的報道。同年12月15日，休斯頓大學報告了在處于壓力下的La-Ba-Cu-O化合物體系中獲得40.2K的超導轉(zhuǎn)變。同年12月26日，中科院物理所宣布，獲得臨界溫度48.6K的超導材料。1987年2月16日，朱經(jīng)武的試驗小組在92K處觀察到了超導轉(zhuǎn)變。2月24日，趙忠賢發(fā)現(xiàn)臨界溫度在100K左右的超導材料。3月3日，日本宣布發(fā)現(xiàn)123K超導體……第9頁，共19頁。四、高溫超導材料的種類第10頁，共19頁。四、高溫超導材料的種類Ⅱ、鐵基高溫超導材料自2008年發(fā)現(xiàn)以來，該系列材料飛速發(fā)展，新的鐵基材料不斷被發(fā)現(xiàn)，目前沒有明確分類，主要有1、ZrCuSiAs晶型25、50K2、ThCr2Si2晶型30K3、PbFCl晶型18K第11頁，共19頁。四、高溫超導材料的種類插曲二：鐵基高溫超導爭霸賽2008年2月，Hosono首次發(fā)現(xiàn)報道在鐵基層狀化合物LaFeAsO中通過F摻雜發(fā)現(xiàn)了高達26K的超導電性。3月20日,聞?；⑿〗M在LaFeAsO空穴摻雜中取得重要進展,第一個鐵基空穴型超導體La1-xSrxFeAsO被發(fā)現(xiàn)。隨后中國科學技術(shù)大學陳仙輝小組報道了43K超導轉(zhuǎn)變溫度的SmFeAsO0.85F0.15超導體。幾乎同時,中國科學院物理研究所的王楠林小組發(fā)現(xiàn)了41K超導體CeFeAsO1-xFx。趙忠賢領(lǐng)導的小組利用高壓技術(shù)迅速在REFeAsO1-xFx(RE=Pr,Nd,Sm,Gd)中發(fā)現(xiàn)了高達50K以上的超導電性。第12頁，共19頁。四、高溫超導材料的種類第13頁，共19頁。五、高溫超導理論Ⅰ、Anderson非費米液體理論高溫銅氧化物超導體的母體絕緣相是共振價鍵態(tài)或稱量子自旋體這一理論是基于高溫銅氧化物與反鐵磁的臨近性，臨近金屬-絕緣體相變，絕緣磁相為低自旋，具二維性和載流子密度低等特點提出。該理論的基本突出點是：認為電荷和自旋自由度明確的分開，且由層間約瑟夫森隧穿退約束推動高溫超導的高Tc。第14頁，共19頁。五、高溫超導理論Ⅱ、Schrieffer自旋袋理論該機制著重從超導電性在高溫超導氧化物中與其反鐵磁性的相互作用角度探討，其元激發(fā)為自旋袋，它具有空穴的傳統(tǒng)量子數(shù)，但存在很強的裝飾效應(yīng)。自旋袋元激發(fā)即是在自旋密度波序減小的環(huán)境中自陷的空穴，這個減小了的自旋波序區(qū)域與空穴同行，叫做“袋”；與雙極化子有些類似，這些袋元之間彼此有相互吸引。在金屬相中，這些袋形成簡并費米液體。第15頁，共19頁。五、高溫超導理論

第16頁，共19頁。五、高溫超導理論

第17頁，共19頁。五、高溫超導理論Ⅴ、SO（