南开大学奇妙的材料世界第八讲超导材料.pptVIP

第七章 超导材料 7.1 超导材料的发展简史 荷兰：卡末林·昂内斯 (Kamerlingh Onnes，1853-1926 ) 1908年液化了地球上最后一种“永久气体”-氦气，并且获得了接近绝对零度的低温：4.25K-1.15K 。 它标志着所有物质都可以存在于气液固状态 1911年，发现Hg在4.20K时电阻为0 昂内斯获1913年诺贝尔物理学奖 持久电流实验 1933年德国物理学家迈斯纳等 发现： 超导体排斥磁场进入其内部，但是如果磁场太强，那么它的超导电性就可能被破坏。 这种现象称为“迈斯纳效应” 。 这就是所谓的I型超导体，主要是金属超导体。 苏联科学家阿布里科索夫在1953年发现： 另一种称为II型超导体，主要是合金和陶瓷超导体，它允许磁场通过。 今天几乎所有产生强大磁场的超导磁铁都是由第二类超导体制造的。如果没有强大的磁场，就没有磁共振成像技术。 2003年获诺贝尔物理奖 1950年苏联的京茨堡(34岁） 和朗道提出了描述超导体特性的理论 ，描述超导材料进入超导态后在磁场中的行为，可以准确地预测诸如超导体能负荷的最大电流等特性。 1962年，朗道因研究物质凝聚和超流超导现象获诺贝尔物理学奖。 超流动性在常人看来是非常奇异的现象：如果你把液氦注入一个敞口的容器，那么液氦会“自动地”溢出容器。 莱格特：只用了不到三个星期就对朗道的超流超导现象给出了解释。 莱格特却和京茨堡一样不太走运。 1996年，诺贝尔物理学奖授予了当年康奈尔大学发现氦3超流动性的三个人，莱格特却榜上无名。  阿布里科索夫(Alexei A.Abrikosov) 京茨堡(VitalyL.Ginzburg) 莱格特(Anthony J.Leggett) 共获2003年的诺贝尔物理学奖。 1957年美国人巴丁、库柏和施里弗提出了BCS理论 ，微观上解释了超导的机制。标志着超导电性理论现代阶段的开始 。 1972年获得了诺贝尔物理学奖（3人） 巴丁还因发明世界上第一支晶体管于1956获诺贝尔物理学奖。 1962年英国22岁的约瑟夫森根据“BCS”理论预言 ，提出了“约瑟夫森效应” 约瑟夫森则获得1973年（33岁）度诺贝尔物理奖 在薄绝缘层隔开的两种超导材料之间有电流通过，即“电子对”能穿过薄绝缘层（隧道效应）；同时还产生一些特殊的现象，如电流通过薄绝缘层无需加电压，倘若加电压，电流反而停止而产生高频振荡。这一超导物理现象称为“约瑟夫森效应”。 同时获奖的有三人： 日本科学家江崎岭于奈因发现半导体中的隧道效应并发明隧道二极管； 美国科学家贾埃沃因发现超导体隧道结单电子隧道效应； 约瑟夫森因创立超导电流通过的势垒的约瑟夫森效应而共同获得诺贝尔物理学奖。 60年代开始转向对超导新材料的开发 1973年，人们发现了超导合金――铌锗合金，其临界超导温度为23.2K ，该记录保持了13年。 目标：开发高临界温度的超导体材料，为超导体的大规模应用创造条件。 美国IBM 公司在瑞士的实验室，德国物理学家柏诺兹和瑞士物理学家缪勒从1983年开始集中力量研究稀土元素氧化物的超导电性。 1986年他们终于发现了一种氧化物材料（镧－钡－铜－氧LaBaCuO）具有35K 的高温超导性，打破了传统“氧化物陶瓷是绝缘体”的观念。 此后每隔几天就有新的超导材料诞生。 柏诺兹和缪勒获1987年诺贝尔物理奖。 这一发现导致了超导研究的重大突破。 1986年底，美国贝尔实验室研究的氧化物超导材料，其临界超导温度达到40K ，跨越了液氢的“温度壁垒”（40K ）。 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钇－钡－铜－氧系材料上把临界超导温度提高到90K 以上，液氮的禁区（77K ）也奇迹般地被突破了。 1987年底，铊－钡－钙－铜－氧系材料又把临界超导温度的记录提高到125K. 从1986－1987年的短短一年多的时间里，临界超导温度竟然提高了100K以上， 这在材料发展史，乃至科技发展史上都堪称是一大奇迹！ 2001年发现 MgB2作为廉价超导开发：Tc=39K 比金属化合物的最高Tc=23K提高了16K 7.2 超导材料的应用 大致可分为三类： 1、大电流应用（强电应用）： 稳定电网的设备-超导限流器和变压器，磁体和储能系统，以及大电流运输； 2、电子学应用（弱电应用）： 微弱信号探测，心磁和脑磁分部 (约瑟夫森效应） 3、抗磁性应用： 磁悬浮列车和热核聚变反应堆 在高温超导体出现以前，使用在液氦温度下的低温超导材料实现了产业化。 以NbTi、Nb3Sn为代表的实用超导材料在核磁共振人体成像、超导磁体及大型加速器磁体等多个领域获得了应用。 磁悬浮列车 目前，美国正在研制地下真空磁悬浮超音