超导的约瑟夫森和超导应用详解.ppt

第四章 超导材料 ;;;;伦敦第二方程： 结合麦克斯韦方程，可以说明超导体表面的磁感应强度B以指数衰减为零 称为磁场穿透深度。;微观机制;;超导能隙;库柏电子对;;自由电子经由间接的吸引力结合成库伯电子对，库伯电子对相互也随着晶格振动产生的正负电荷区间依序移动，彼此不在碰撞，也就没有电阻的产生; ④ 相干长度 　　皮帕德(A.B. Pippard)证明，当一个电子从金属的正常区移动到超导区时，其波函数不能从它的正常态值突然转变为超导态值，这种转变只能发生在一个距离?上， ?被称为相干长度。 简单的说库伯电子对间的距离就是相干长度。;;　　可见，实际的库柏对并非局限在非常小的空间里，而是扩展在?≈10-6 m的空间宽度上，这里? 就称为超导态的相干长度，它描述了配对电子间的距离。 相干长度?和穿透深度?一样，也是超导体的特征参量。 　　下表列举了一些有代表性的超导体的相干长度。;几种物质在0K下的超导相干长度? ;; ⑤ BCS理论 　　 美国的巴丁(J．Bardeen)、库柏(L N．Cooper)和施瑞弗(J．R．Schrieffer)在1957年提出了超导电性量子理论，被称为BCS超导微观理论。它可以解释与低温超导相关的各种实验事实，从而获得1972年诺贝尔物理奖。;BCS超导微观理论的核心是 　　(1)电子间的相互吸引作用形成的库柏电子对会导致能隙的存在。 　　超导体临界场、热学性质及大多数电磁性质都是这种电子配对的结果。;;;　　(2)元素或合金的超导转变温度与费米面附近电子能态密度N(EF)和电子--声子相互作用能U有关，它们可以从电阻率来估计，当UN(EF)1时，BCS理论预测临界温度为：;　　另外，从上式中得到这样一个有趣的结论： 　　一种金属如果在室温下具有较高的电阻率(因为室温电阻率是电子--声子相互作用的量度)，冷却时就有更大可能成为超导体。;　　BCS理论可以得到磁通量子化的结论，即，磁通量子的电荷有效单位是2e而不是e。 　　由于BCS基态涉及的是库柏电子对，所以磁通量子化中的电子对电荷2e是BCS理论的一个推论。 ;　　BCS理论是第一个成功地解释了超导现象的微观理论，也是目前惟一成功的超导微观理论。 　　后来，虽然又有了一些形式上的发展和完善，但基本思想和物理图像则没有更大的改变。;第三节：约瑟夫森效应－－超导量子隧穿效应;;第三节：约瑟夫森效应－－超导量子隧穿效应;宏观量子效应　 　　在经典力学中，若两个空间区域被一个势垒分隔开，则只有粒子具有足够的能量越过势垒时，它才会从一个空间进入另一个空间区域中去。　　;　　在量子力学中，情况却并非如此，粒子要具有足够的能量不再是一个必要条件。一个能量不大的粒子也可能会以一定的几率“穿过”势垒（即当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒），这就是所谓的隧道效应。 ;1、正常电子隧道效应 　　考虑被绝缘体I 隔开的两个金属Ｎ，如下图所示。;电子的波函数并不突然下降为零。在势垒中，波函数按指数衰减．如果势垒的厚度d不大，则还没有等到波函数衰减到零就碰到了势垒的右边缘，这时在势垒右方，电于波函数将有一定幅度，因而电子将有一定的几率通过势垒．利用薛定谔方程，可以算出穿透几率。;　　当两个金属都处于正常态，夹层结构(或隧道结)的电流--电压曲线在低电压下是欧姆型的，即电流正比于电压，如图所示：;　　贾埃弗(I. Giaever)发现，如果金属中的一个变为超导体时，电流--电压的特性曲线会变化如下：; 2 、 约瑟夫逊隧道电流效应 　　上面所述的NIS结和SIS结，其隧道电流都是正常电子穿越势垒。 　　正常电子导电，通过绝缘介质层的隧道电流是有电阻的。这种情况的绝缘介质厚约几十纳米到几百纳米。;　　如果SIS隧道结的绝缘层厚度只有1nm左右，那么理论和实验都证实了将会出现一种新的隧道现象，即库柏电子对的隧道效应，电子对穿过位垒后仍保持着配对状态。;　　电子能通过两块超导体之间薄绝缘层的量子隧道效应。1962年由约瑟夫森首先在理论上预言，在不到一年的时间内，P.W.安德森和J.M.罗厄耳等人从实验上证实了约瑟夫森的预言。约瑟夫森 效应的物理内容很快得到充实和完善，应用也快速发展，逐渐形成一门新兴学科——超导电子学。;　　约瑟夫逊在研究电子对通过超导金属间的绝缘层时指出，当两块超导体之间的绝缘层薄至接近原子尺寸(10-20? )时，超导电子可以穿过绝缘层产生隧道效应，即超导体--绝缘体--超导体这样的超导结 (约瑟夫逊结或SIS结) 具有超导性。;两块超导体通过一绝缘薄层(厚度为1nm左右)连接起来，绝缘层对电子来说是一势垒，一块超导体中