0893-超导材料的约瑟夫森和超导应用[hejizhancom].ppt

第四章 超导材料 第三节 约瑟夫森效应 －－超导量子隧穿效应 第二节内容复习： 第二节 传统超导电体的超导电性理论 (1) 唯象理论 ①　二流体模型 ②　伦敦方程 ③　金兹堡--朗道理论 微观机制 同位素效应： 随着水银同位素质量的增高，临界温度降低。对实验数据处理后得到原于质量M和临界温度Tc的简单关系：　　 Tc= 1/M? 　　　　其中， ?=0.50?0.03 　　 同位素效应把晶格与电子联系起来了 同位素效应表明电子与晶格振动的相互作用可能是主要的相互作用。 同位素效应表明晶格振动对超导体，在室温下是出现电阻的原因， 同时在低温下，又可能是超导体处于超导态出现零电阻的原因。 超导能隙 库柏电子对 库柏认为，只要两个电子之间有净的吸引作用，不管这种作用力多么微弱，它们都能形成束缚态。 这种吸引作用有可能超过电子之间的库仑排斥作用，而表现为净的相互吸引作用，这样的两个电子被称为库柏电子对 从能量上看，组成库柏对的两个电子由于相互作用将导致势能降低。库柏电子对是现代超导理论的基础。 电子通过造成带正电晶格偏离 一般非超导金属状态 电子碰撞造成电阻 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 电子通过造成带正电晶格偏离 一般非超导金属状态 电子碰撞造成电阻 库伯对的尺寸是相当大的，相干长度实际上就是凝聚成对的电子互相作用距离，也叫BCS相干长度，随超导体而异，一般在103nm的两级。 简单的说，在低温（绝对零度）时的正常自由电子，使费米球内的大部分被占据，球外的态全是空着的。如果电声子相互吸引作用，使费米面上一对电子形成库伯电子对并降低总能量，那么将有更多的费米面一下的电子到费米面上去形成库伯对，以降低总能量，这个过程直到平衡为止，绝对零度时，费米面附近电子全部凝聚成库伯对。大量库伯对电子对出现就是超导态的形成。超导态中电子凝聚成库伯对就使他比正常态更有序。 当温度不是绝对零度时，一部分库伯对就要被拆散，即出现一部分正常电子。温度升高后，更多的库伯对被拆散，凝聚的电子减少，到临界温度时不再有库伯对，全部电子被激发，样品变为正常态。 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 「约瑟夫森效应」：在两片超导体中间夹入一片薄薄的绝缘体，在没有外加电压的情况下，仍会有直流电流通过绝缘体，这纯然是古典物理所不容许的量子效应。 如果在超导体两端施上一固定电压，则居然会出现交流电流；我们可以从交流电的频率得到非常准确的物理常数。 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，一块超导体中的电子可穿过势垒进入另一超导体中，这是特有的量子力学的隧道效应。当绝缘层太厚时，隧道效应不明显，太薄时，两块超导体实际上连成一块，这两种情形都不会发生约瑟夫森效应。绝缘层不太厚也不太薄时称为弱连接超导体。两块超导体夹一层薄绝缘材料的组合称S-I-S超导隧道结或约瑟夫森结。 直流约瑟夫森效应???结两端的电压V＝0时，结中可存在超导电流，它是由超导体中的库珀对的隧道效应引起的。 ?交流约瑟夫森效应?： ??结两端的直流电压V≠0时，通过结的电流是一个交变的振荡超导电流，振荡频率（称约瑟夫森频率）f与电压V成正比， 这使超导隧道结具有辐射或吸收电磁波的能力。以微波辐照隧道结时可产生共振现象。连续改变所加的直流电压以改变交流振荡频率 交流约瑟夫森效应 物理解释：由BCS理论，库珀对是长程有序的，因此在一块超导体中所有的库珀对具有相同的位相。如果S－I-S结的约瑟夫森电流和磁场的关系所示的两块超导体中间的绝缘层较厚,则两块超导体中电子无关联, 各自具有独立的位相φ1和φ2。当绝缘层减小到某一厚度后，两块超导体中的超导电子就以位相差 φ＝φ1-φ2联系起来。这时的绝缘层就成为一个弱超导体。库珀对可通过这个弱超导体而出现超流隧道或电子对隧道效应。 课后思考题： 怎样用超导能隙解释约瑟夫森效应？ 约瑟夫逊效应的应用 约瑟夫森元件可以应用于一些精密测量。 表1约瑟夫森元件用于精密测量时的分辨能力 约瑟夫森元件可以作用电压标准、磁强计、伏特计、安培计、低温温度计、计算机元件,以及毫米波、亚毫米波的发射源、混频器和探测器等，且有灵敏度高、噪声低、功耗小和响应速度快等一系列优点。现今已发展起以建立极灵敏的电子测量装置为目标的“超导结电子学”，与超导磁体一起成为超导电性的两项重大应用。 利用交流约瑟夫森效应来监视电压单位的基准器，已在美国、日本、英国和加拿大立为法定的保持电压基准器的方法。右图是国际计量局所设的约瑟夫森基准室正在工作的情况。 第四节