试验十高温超导材料特性测量.PDF

实验十 高温超导材料特性测量 1911 ，荷兰莱顿大学的卡茂林- 昂尼斯意外地发现，将汞冷却到-268.98 C 时，汞的 电阻突然消失；后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的 特性，由于它的特殊导电性能，卡茂林-昂尼斯称之为超导态．卡茂林由于他的这一发现获 得了1913 诺贝尔奖． 1933 ，荷兰的迈斯纳和奥森菲尔德共同发现了超导体的另一个极为重要的性质，当 金属处 超导状态时，这时超导体内的磁感应强度为零，在对单晶锡球进行实验发现：锡 球过渡到超导态时，锡球周围的磁场突然发生变化，磁力线似乎一下子被排斥到超导体之 外去了，人们将这种现象称之为 “迈斯纳效应”． 为了寻找更适于应用的超导材料，几十年来，物理学家广泛搜查各种元素的低温特 性．除了汞、锡和铅以外，又发现铟、铊和镓也有超导特性，这些材料都是金属，而且具 有柔软易熔的共同性质，后来迈斯纳把试验扩展到坚硬难熔的金属元素，又发现了钽、铌、 钛和钍等金属具有超导特性．当磁冷却法应用于低温后， 极低温区（1 K 以下）又找到 了许多金属元素和合金有超导迹象．如今甚至已经知道上千种物质的超导特性，可是，它 们的转变温度都 液氦温度附近或 1 K 以下． 高临界温度超导电性的探索是凝聚态物理学的一个重要课题．自从发现超导电性以来， 人们逐渐认识到超导技术有广泛应用的潜 价值，世界各国花了很大力气开展这方面的工 作．但是超导转变温度太低，离不开昂贵的液氦设备．所以，从卡末林-昂内斯的时代起， 人们就努力探索提高超导转变临界温度T 的途径． c 1986 夏，当时 瑞士工作的物理学家瑞士物理学家缪勒和德国物理学柏诺兹发现， 一类特殊的铜氧化物超导转变温度高达近40 K ． 1987 初， 美国工作的华裔科学家吴茂昆、朱经武等发现了超导转变温度高达90 K 的超导体，几天后，中国科学院物理研究所赵忠贤、陈立泉等以及日本的科学家也分别独 立地发现了超导转变温度为100 K 以上的超导体．超导体不能 液氮温区（78 K ）工作的 区终于被打破了．氮的液化是一种广泛应用的技术． 1987 年诺贝尔物理奖授予柏诺兹和缪勒，以表彰他们 发现陶瓷材料中的超导电性所 作的重大突破． 低温物理已成为物理学科的一个重要分支．低温技术 其它领域也获得了重要的应用， 如空间技术使用低温技术来获得火箭燃料液氢、液氧，用低温技术模拟宇宙空间的真空和 低温环境，以便进行太空模拟试验．用低温技术可较长时间保存人体或生物的活组织，为 医学、生物等领域的研究开辟了新的途径． 本实验的温度范围从液氮温度（77 K ）变化到室温． 实验目的】 1．了解高临界温度超导材料的基本电特性和测量方法； 2 ．了解低温下半导体PN 结的伏安特性与温度的关系； 3 ．了解低温实验的测量方法． - 45 - 【实验原理】 1.高温超导材料电性 1911 年，卡末林-昂内斯发 现，将汞冷却到-268.98 C 时， 汞的电阻突然消失．后来他又发 现许多金属和合金都具有与上 1 2 述汞相类似的低温下失去电阻 的特性，通常把具有这种特性的 材料称为超导体．超导现象是超 导材料的主要性质之一．把超导 体电阻突然变为零时温度称为 超导转变温度． 转变温度并不是只由温度 图1 超导材料的电阻转变曲线 决定，只有保持 外磁场、流经电流和应力等值足够低时，超导样品的转变温度被称为超 导临界转变温度T ．由于一般上述条件不能完全满足 （比如地磁场），而且超导转变往往有 c 一个区域，因此引入起始转变温度 Tconset ，零电阻温度 Tc0 ，和中点转变温度 Tcm 来表示， 一般所说的转变温度T 指的是T m ． c