物理前沿-超导电性.pptVIP

超导电性;超导电性 　 　 超导是超导电性的简称， 它是指金属、合金或其它材料电阻变为零的性质。 超导现象是荷兰物理学家翁纳斯（H．K．Onnes，1853—1926年）首先发现的。 ;1 超导现象翁纳斯在1908年首次把最后一个“永久气体”氦气液化，并得到了低于4K的低温。1911年他在测量一个固态汞样品的电阻与温度的关系时发现，当温度下降到4.2K附近时，样品的电阻突然减小到仪器无法觉察出的一个小值（当时约为1′10–5W）。图1画出了由实验测出的汞的电阻率在4.2K附近的变化情况。该曲线表示在低于4.15K的温度下汞的电阻率为零（作为对比，在图1中还用虚线画出了正常金属铂的电阻率随温度变化的关系）。;图1 汞和正常金属铂的电导率随温度变化的关系 ;电阻率为零，即完全没有电阻的状态称为超导态。除了汞以外，以后又陆续发现有许多金属及合金在低温下也能转变成超导态，但它们的转变温度（或叫临界温度Tc）不同。表1列出了几种材料的转变温度。 ;;;实验已表明，对于所有的超导体，Bc与T的关系可以近似地用抛物线公式 表示，式中Bc(0)为绝对零度时的临界磁场。 临界磁场的存在限制了超导体中能够通过的电流，例如在一根超导线中有电流通过时，这电流也在超导线中产生磁场。随着电流的增大，当它的磁场足够强时，这导线的超导电性就会被破坏。例如，在绝对零度附近，直径0.2cm的汞超导线，最大只允许通过200A的电流，电流再大，它将失去超导电性。对超导电性的这一限制，在设计超导磁体时必须加以考虑。;;由于超导体内部电场强度为零，根据电磁感应定律，它体内各处的磁通量也不能变化。由此可以进一步导出超导体内部的磁场为零。例如，当把一个超导体样品放入一磁场中时，在放入的过程中，由于穿过超导体样品的磁通量发生了变化，所以将在样品的表面产生感应电流（图5（a））。这电流将在超导体样品内部产生磁场。这磁场正好抵消外磁场，而使超导体内部磁场仍为零。在超导体的外部，超导体表面感应电流的磁场和原磁场的叠加将使合磁场的磁感线绕过超导体而发生弯曲（图5（b））。这种结果常说成是磁感线不能进入超导体。;;;;;;; 第二类超导材料处于中等强度的磁场中时，它的混合态具有下述的结构：整个材料是超导的，但其中嵌有许多细的正常态的丝，这些丝都平行于外加磁场的方向，它们是外磁场的磁感线的通道（图8）。每根细丝都被电流围绕着，这些电流屏蔽了细丝中磁场对外面的超导区的作用。这种电流具有涡旋性质，所以这种正常态细丝叫做涡线。 实验证明，在每一条涡线中的磁通量都有一个确定的值F0，它和普朗克常数h以及电子电量e有一确定的关系，即 ; 这说明磁通量是量子化的，F0就表示磁通量子。在第二类超导体处于混合态，外磁场的增强只能增加涡线的数目，而不能增加每根涡线中的磁通。磁场越强，涡线越多、越密。磁场达到Bc2时，涡线将充满整个材料而使材料全部转变为正常态。这种涡线可以用铁粉显示出来。 ;;;;;;6 约瑟夫森效应超导电性的量子特征明显地表现在约瑟夫森（B．D．JosePhson，1940～）效应中。两块超导体中间夹一薄的绝缘层就形成一个约瑟夫森结。例如，先在玻璃衬板表面蒸发上一层超导膜（如铌膜），然后把它暴露在氧气中使此铌膜表面氧化，形成一个厚度约为1～3nm的绝缘氧化薄层。之后在这氧化层上再蒸发上一层超导膜（如铅膜），这样便做成了一个约瑟夫森结（图9(a)）。按经典理论，两种超导材料之间的绝缘层是禁止电子通过的。这是因为绝缘层内的电势比超导体中的电势低得多，对电子的运动形成了一个高的“势垒”。超导体中的电子的能量不足以使它爬过这势垒，所以宏观上不能有电流通过。但是，量子力学原理指出，即使对于相当高的势垒，能量较小的电子也能穿过（图9(b)），好像势垒下面有隧道似的。这种电子对通过超导的约瑟夫森结中势垒隧道而形成超导电流的现象叫超导隧道效应，也叫约瑟夫森效应。;;;;;;;;;;;;;