高临界温度超导体临界温度的电阻测量.docx

高临界温度的超导体临界温度的电阻测量引言早在１９１１年荷兰物理学家卡麦林·翁纳斯（ＫａｍｅｒｌｉｎｇｈＯｎｎｅｓ）发现，将水银冷却到稍低于４．２Ｋ时，其电阻急剧地下降到零。他认为，这种电阻突然消失的现象，是由于物质转变到了一种新的状态，并将此以零电阻为特征的金属态，命名为超导态。１９３３年迈斯纳（Ｍｅｉｓｓｎｅｒ）和奥森菲尔德（Ｏｃｈｓｅｎｆｅｌｄ）发现超导电性的另一特性：超导态时磁通密度为零或叫完全抗磁性，即Ｍｅｉｓｓｎｅｒ效应。电阻为零及完全抗磁性是超导电性的两个最基本的特性。超导体从具有一定电阻的正常态，转变为电阻为零的超导态时，所处的温度叫做临界温度，常用Ｔｃ表示。直至１９８６年以前，人们经过７０多年的努力才获得了最高临界温度为２３Ｋ的Ｎｂ３Ｇｅ超导材料。１９８６年４月，Ｂｅｄｎｏｒｚ和Ｍüｌｌｅｒ创造性地提出了在Ｂａ-Ｌａ-Ｃｕ-Ｏ系化合物中存在高Ｔｃ超导的可能性。１９８７年初，中国科学院物理研究所赵忠贤等在这类氧化物中发现了Ｔｃ＝４８Ｋ的超导电性。同年２月份，美籍华裔科学家朱经武在Ｙ-Ｂａ-Ｃｕ-Ｏ系中发现了Ｔｃ＝９０Ｋ的超导电性。这些发现使人们梦寐以求的高温超导体变成了现实的材料，可以说这是科学史上又一次重大的突破。其后，在１９８８年１月，日本科学家Ｈｉｒａｓｈｉ　Ｍａｅｄａ报导研制出临界温度为１０６Ｋ的Ｂｉ-Ｓｒ-Ｃａ-Ｃｕ-Ｏ系新型高温超导体。同年２月，美国阿肯萨斯大学的Ａｌｌｅｎ　Ｈｅｒｍａｎｎ和Ｚ．Ｚ．Ｓｈｅｎｇ等发现了临界温度为１０６Ｋ的Ｔｌ-Ｂａ-Ｃａ-Ｃｕ-Ｏ系超导体。一个月后，ＩＢＭ的Ａｌｍａｄｅｎ又将这种体系超导体的临界温度提高到了１２５Ｋ。１９８９年５月，中国科技大学的刘宏宝等通过用Ｐｂ和Ｓｂ对Ｂｉ的部分取代，使Ｂｉ-Ｓｒ-Ｃａ-Ｃｕ-Ｏ系超导材料的临界温度提高到了１３０Ｋ。这是迄今所报导的最高的临界温度。实验目的１．分别利用动态法和稳态法测量高临界温度氧化物超导材料的电阻率随温度的变化关系。２．通过实验掌握利用液氮容器内的低温空间改变氧化物超导材料温度、测温及控温的原理和方法。３．学习利用四端子法测量超导材料电阻和热电势的消除等基本实验方法以及实验结果的分析与处理。实验原理1．临界温度Ｔc的定义及其规定超导体具有零电阻效应，通常把外部条件（磁场、电流、应力等）维持在足够低值时电阻突然变为零的温度称为超导临界温度。实验表明，超导材料发生正常→超导转变时，电阻的变化是在一定的温度间隔中发生，而不是突然变为零的，如图4．4-1所示。起始温度Ｔｓ（Ｏｎｓｅｔ　Ｐｏｉｎｔ）为Ｒ—Ｔ曲线开始偏离线性所对应的温度；中点温度Ｔm（mｉｄ　Ｐｏｉｎｔ）为电阻下降至起始温度电阻Ｒｓ的一半时的温度；零电阻温度Ｔ为电阻降至零时的温度。而转变宽度ΔＴ定义为Ｒｓ下降到９０％及1０％所对应的温度间隔。高Ｔc材料发现之前，对于金属、合金及化合物等超导体，长期以来在测试工作中，一般将中点温度定义为Ｔc，即Ｔc＝Ｔm。对于高Ｔc氧化物超导体，由于其转变宽度ΔＴ较宽，有些新试制的样品ΔＴ可达十几Ｋ，再沿用传统规定容易引起混乱。因此，为了说明样品的性能，目前发表的文章中一般均给出零电阻温度Ｔ　（Ｒ＝０）的数值，有时甚至同时给出上述的起始温度、中点温度及零电阻温度。而所谓零电阻在测量中总是与测量仪表的精度、样品的几何形状及尺寸、电极间的距离以及流过样品的电流大小等因素有关，因而零电阻温度也与上述诸因素有关、这是测量时应予注意的。2.样品电极的制作　　目前所研制的高Ｔc氧化物超导材料多为质地松脆的陶瓷材料，即使是精心制作的电极，电极与材料间的接触电阻也常达零点几欧姆，这与零电阻的测量要求显然是不符合的。为消除接触电阻对测量的影响，常采用图4．4-2所示的四端子法。两根电流引线与直流恒流电源相连，两根电压引线连至数字电压表或经数据放大器放大后接至Ｘ-Ｙ记录仪，用来检测样品的电压。按此接法，电流引线电阻及电极1、4与样品的接触电阻与2、3端的电压测量无关。2、3两电极与样品间存在接触电阻，通向电压表的引线也存在电阻，但是由于电压测量回路的高输入阻抗特性，吸收电流极小，因此能避免引线和接触电阻给测量带来的影响。按此法测得电极2、3端的电压除以流过样品的电流，即为样品电极2、3端间的电阻。3．温度控制及测量临界温度Ｔc的测量工作取决于合理的温度控制及正确的温度测量。目前高Ｔc氧化物超导材料的临界温度大多在６０Ｋ以上，因而冷源多用液氮。纯净液氮在一个大气压下的沸点为７７．34８Ｋ，三相点为６3．14８Ｋ，但在实际使用中由于液氮的不纯，沸点稍高而三相点稍低（严格地说，不纯净的液氮不存在三相点）。对三相点和沸点之间的温度，只要把样品直接浸入液氮，并对密封的液氮容器抽气降温，一定的蒸汽压就对应于一定的温度。在７７Ｋ以上直至3００Ｋ，常采用如下两种基