《超导简介》.ppt

第二类超导体又有 理想第二类超导体 和 非理 想第二类超导体 的区别。 (1) 理想第二类超导体 在混合态中，超导体内的磁通线非常整齐的 按一定的几何图形排列，后来称为 “ 磁通格子 ” 。 在第一类超导体中，由于体内磁场为零，所 以电流只能在其表面很薄的一层中流过，超导体 内很大的空间中却没有电流，这样就限制了超导 体的临界电流。 在第二类超导体的混合态中，超导体内有磁 通线存在，而 在磁通线周围 有涡旋电流流 动。当磁通线 均匀排列时， 这些涡旋电流 彼此抵消，所 以体内无电流 通过。这就是 理想第二类超 导体。 (2) 非理想第二类超导体 磁通量子（fluxon） F.伦敦在1950年时就预言说，超导体中磁通 量的变化是不连续的 , 有一个最小的单位φ0 = hc／e 。 在 20 世纪 60 年代初，人们从实验上也观察 到了磁通量的量子化，它与 F.伦敦的预言只差两 倍。超导体中是电子对起作用，而电子对的电荷 非理想第二类超导体 数为 2e ，所以 φ0 = hc／2e 。 但如果磁 通线在超导体 内分布不均匀 时，体内各处 的涡旋电流不 能完全抵消， 就会出现体内 的电流。 人们设想在材料的加工过程中，有意的在超 导体内形成一些缺陷，这些缺陷将阻碍磁通线的运动，把它们固定下来。这样就提高了超导体承载宏观电流的能力，从而提高了临界电流值。这 样的超导体就是 非理想第二类超导体 。 利用这样的方法 ，人们终于在 1961 年使用 非理想第二类超导体 铌三锡 ( Nb3Sn ) 首次 制 成了第一个强磁场 超 导 磁 体 ( superconducting magnet ) 。随着第二类超导体认识的深入，超导 应用的序幕终于拉开了。 六 约瑟夫森效应 1. 能隙 在超导体的电子能谱中， 有一小块空白的区域，不允许 电子具有这块区域中的能量。 这个不能有电子存在的能量间 隔就叫 超导能隙。 2. 隧道效应 量子力学中，在原子电子 的微观世界中，一个能量不高 的电子可以通过 “ 开凿 ” 一条 看不见的隧道，而越过能量很 高的势能。当然，并不是每个电子都能够这样， 量子力学指出，电子对势能的这种穿透是有一定 概率的，这种概率随势能的厚度和高度增加而迅 速减小。在微观世界中，粒子的这种奇特本领， 就叫 隧道效应。 1959年， 美国的物理学 家伊瓦尔·贾埃 弗 (Ivar Giae- ver，1929－ ) 做了这样一个 实验，把一块 超导体和一块 正常金属连接起 来，在它们之间 夹了一层很薄的 绝缘介质层。对 于在超导体和正 常金属中的电子 来说，这个绝缘 介质层就相当于一个势垒，当它很薄很薄时，电 子穿过的概率就很大了。在超导体和正常金属两 端加上电压后，贾埃弗成功地观察到了电子的隧 道效应。并利用这种方法很准地测量了超导能隙。 1960年时，他又把绝缘层两边都换成超导体，实 验也同样成功。 在贾埃弗的实验中，是超导体中的正常电子 通过隧道效应而越过绝缘层。 1962年，年轻的英国物理学家布赖恩·约瑟夫 森 (Brain David Josephson ，1940－ ) 大显身手， 从理论上对于超导体－势垒－超导体的情况进行 了认真的计算。得出了一系列难以想象的结果： 不仅电子对也能够以隧道效应穿过绝缘层，在势 垒两边电压为零的情况下，产生直流超导电流， 构成电子对的两个电子能够作为一个整体而 越过绝缘层吗？ 3. 约瑟夫森效应 ( Josephson effect ) 此现象叫直流约瑟夫森效应(d.c. Josephson effect)。 在势垒两边有一定电压 V0 时，还会有特定频 率的 交流超导电流 存在， 1μV 的直流电压产生振荡的频率为 483.6 MHz ( 该频率称为约瑟夫森频率 )。这种现象称为交流 约瑟夫森效应 ( a.c. Josephson effect )。 随后 ，大量的实验证实了约瑟夫森的所有预 言。1963年安德森( P.W. Anderson )和罗威尔便发 现了零电压超导电流 ( 直流约瑟夫森效应 )，夏皮 罗( S. Shapiro ) 也观察到了振荡超导电流 ( 交流约 瑟夫森效应 )。人们把它们统称为 约瑟夫森效应。 约瑟夫森、贾埃弗和江崎玲于奈 ( Leo Esaki， 1925－ ，日本，发现半导体的隧道效应 ) 由于他 们的重大贡献而获得了1973