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1、高温 超 导材料的抗 磁 比率阎守胜北京大学物理系,北京,你经常测量高温超导材料的抗磁比率,测得正确吗杭磁比率大的样品一定好,小的一定不好吗除去零电阻特性外,超导体最重要的特性是完全抗磁性,或称迈斯纳效应因此,在高温超导电性的研究中,人们经常要对材料的抗磁程度,即迈斯纳比率进行测盆一般认为它标志着材料的好坏,表征材料中超导相所占的体积比本文就其测量方法,以及它在多大程度上反映了材料的品质等问题进行一些介绍和讨论完 全抗磁 性完全抗磁性即迈斯纳效应是指在转变温度以下超导 体内部保持磁感应强度根据定义材料磁化率即为样品磁化 强度对和磁场的比率如采用万十标的表达形式,则完全抗磁性相当于磁化 率一二材
2、料的抗磁性可通过磁化率的测量确定如符号为负,则有抗磁性如此时绝对值小于,则称为部分抗磁抗磁比率相当于所测磁化率与一二的比值层具有超导 电性,内部是正常的,甚至是空心的,得到的结果均相同因此,尽管这种零场冷的直流磁化 率侧量给出的抗磁比率通 常很高,接近于,但它并不真实地反映材料中超导相所占的体积比这是一种屏蔽效应,得到的结果称为屏蔽比率在不少文献中,人们用这种测量方法说明超导 电性的存在。必须注意,这只反映样品表面层的性质三、加场冷却样品二、零场冷却样品问题的复杂性首先来源于样品的 冷 却方式在样品冷却过程中不加磁场,称做零场冷却方式一一,常简 写为进行磁化率测量时,先要加一个小的礴场,然后测
3、量在这个磁场作用下样品的磁化强度由于磁场有一个从零到的突然变化,样品在超导态的完全抗磁性产生于在样品表面很薄的一层 内感生出的超流电流,其方向和大小恰好在样品内完全屏蔽 了外场的作用,即产生的磁场与外场大小相等方向相反假如仅样品表面在。以上样品内部已有磁场进人当冷却到。以下时,样品中的超导区把磁场排出,表现出抗磁性,在侧量时不再附加额外的磁场一般认为加场冷却一,简写为所得到的磁化率反映了样品中超导相的多少如测得的磁化强度为。,相应的磁场强度为,则样品的抗磁比率为,。一,一,。,这个比率通常远小于这种零场冷却和加场冷却结果的差别,对氧化物超导体是普遍的、基本的现象,直接与很短的相千长度相关,这方
4、面的讨论已超出本文范围四、交流磁化率的测量磁化率亦可用交流方法测量由于测量时一卷期磁场是交变的,因而 和直流磁化率测量 的零场冷情况相同,抗磁性主要来源于样品表面层中感生的超流 电流的屏蔽作 用,所得 磁 化率和一二的比值给出屏蔽比率,不能作为材料中超导相多少的量度五、退 磁因 子超导休的迈斯纳效应,相 当于在磁场的作用下,超导体具有和磁场方 向相 反的 磁 短二,从而 体内体内磁矩等效于在样品端部出现磁荷图端部的磁荷在空间及尹二,、 ,、公式可得到衬一,这样买际的抗磁比率为一二,。一二,一,要小一倍如果不做这种修正,常常会得到大于的不合理的抗磁比率由于氧化物超导材料的单晶多半呈片 状,轴与片
5、平面垂直在做磁场平行于轴的测量时,退磁因子的修正是很大的,必须加 以考虑。非椭球状样品的退磁 因子可参照尺寸相近的椭球的数值确定可 以对样品作零场冷却,以及低场磁化率或交流磁化率测量对高质量的样品,抗磁比率应为,而实际 侧得的应大于乘以一将其修正到,所 用即为该样品的退磁因子的实际值。和与其尺寸相近的椭球样品比,若数值相近,即可采用如相差太远,则可能有其它问题,如样品屏蔽比率太差等。方犷下,十才何一、上 ,产尹、六、磁 通钉扎图在外场月。的作用下,样品的磁矩产生附加场由虚线表示样品内部产生附加磁场,使样品内的实际磁场不 同于外加场杖对于超导材料,二的方向可以和外加场 方向相反图,这时 体内真实
6、磁场要大于外加场通 常引进一退磁因子来描述这种修正,一二的数值依赖于样品的形状,为提的正数 如果样品为细长条,并顺着外场方向,的数值很小 如果样品为扁片又与外场垂直,则外加磁场与样品真实感到的磁场差别很大对椭球状样品,的数值可从手册上 查到在前述磁化 率的测量 中,作为样品磁化强度与磁场强度 的比值,其中磁场强度应为样品真实感受到的,而不是 外 加 场二通 常 按。计算,结果要加 以修正对于样品具有完全抗磁性即一,的情形,用氧化物超导材料属第类超导体在上,下临界磁场之间即和,之间的状态称为混合态,磁场 以磁通线的形式进人超导体每个磁通线有一正常态的芯子,周围有超流环流,总的磁通量是一个磁通量子
7、当超导材料结构上有缺 陷时,磁通线在超导材料中不同位置上 能量不 同自然,它总是愿意呆在能量低的位置上这种位置常称做钉扎中心,它对磁通线起钉扎作用,妨碍磁通线在热激活或其它原因下的运动七、场冷样品中的,磁通钉扎效应的存在使问题复杂化问题在于进人样品的磁场,在加场 冷 却 到。以下时,并不能完全被排除出体外图,在超导材料的一相图中给出加场冷却样品的过程样品从正常态冷却,经过混合态,然后冷却到某一温度,如液氮温度,物理棍合态八、钉扎的存在使抗磁比减小从迈斯幼态拭卜一仁一洲夯聋二 钾实际 测得的抗磁比率相当于排出磁通量数和样品在正常态时体内总磁通量的比值,即,二,式中是图中排出磁通部分所 占的面 积
8、从式可见,抗磁比的大小首先依赖于磁通钉扎的强弱。从应用的角度,钉扎力强的样品,临界 电流密度高,质量好,但这时抗磁比反而小如以此论样品的好坏,这属于差的样品其次,抗磁比的大小依赖于样品的尺寸,与成反 比同样质量的单晶样品,尺寸大的抗磁比小,实际上做尺寸大的单晶要困难得多钉扎的存在确实带来一些和人们直觉相反的结果九、不同种类样品的抗磁比一宝卜卜妇卜州川乙 万月竹“ ”“乙卫打占图在月一相图中给出加场冷却样品的过 程,。和给出相应点样品内的分布样品为厚度的 平板,外加场为。虚线 下的白区表示逃出的磁通这时的平衡态为迈斯纳态图,。,和给出当有磁通钉扎效应时样品中磁感应强度随位置的变化假如样品是厚度为
9、的平板,外场与板面平行在图中的点,样品内的处处与外场相等,图当样品被冷却,进人混合态区。点时,由于此时外场小于该温度下的上临界场,样品中的磁通线数要减少由于钉扎作用的存在,只有表面 附近的磁通线得以逃 出,体内,的分布如图。所示冷到点时,这时已很接近,体内只应有少量的磁通线,但此时的分布如 图式冷到。点,体内应完全无磁通线存在,但实际上 如图所示,还有不少由于钉扎作用而冻结下来的磁通线存在。在年月召开的第届国际低温物理会议的高温超导卫星会在英国的剑桥召开上,日本东京大学的报告了他 们对不 同种类样品抗磁 比的测量结果,大致如图所示图中横轴表示加场冷却时磁场的大小从图中可看出,粉末样品的抗磁 比
10、最高,因为颗粒尺度小,体内磁通线易于排出单晶样品抗磁比最小,特别是尺度大时附加场高时,多晶样品行为与粉末样品类似这是因为磁场破坏了晶粒之间的弱连接,使之实际上相当于粉末样品低场时行为与单晶样品相似。万图不同种类样品的抗磁比率示意卷期十、怎样才能得到正确的抗磁比从前面的讨论可见,要得到正确的抗磁 比,需要做下列工作加场冷却样品做直流磁化率测量对样品的形状因素进行修正,即考虑样品的退磁因子用尽可能小的附加场,减少磁通钉扎的附加影响。如果不能满足这些条件,则对所得抗磁比进行分析时,要考虑本文所述各种因素的影响不能简单地把抗磁比的大小和样品质量及超导相的体积比相联系,认为抗磁比大的样品质量好,小的就不
11、好”年第期物理内容预告知识 和进展原子分子物理发展的若千前沿和我国发展原子分子物理的建议 王忠烈簇离子物理张志三材料物理的新进展纳米固体材料朱星扫描隧道显微镜及其在生命科学中的应用李民乾从物理学看光合作用范义积用飞秒脉冲探测半导体 陈辰嘉等编译电磁力和弱力的统一 丁亦兵编译子阱红外探测器陈正豪平板显示及应用专题系列介绍电致发光 显示钟国柱光纤传感物理及其应用廖延彪具有广阔应用前景的热等离子体处理 陈熙物理学史和物扭学家挖掘与开拓关于在物理教学中引人物理学史的几点看法赵凯华加粒予的发现许国材等物理学和经济途设光电子学和光电 予产业专题系列介绍新颖的量物 理订阅办 法最近编辑部收到一些单位和个人来
12、函,询问物理订阅办法,现介绍如下豆请按预订期刊的时间到当地邮局联系预订预订时只需将我刊的邮发代号一,告诉邮局即可在邮局可订全年,也可订半年或一个季度,如果贵单位 或个人在邮局漏订,可向科学出版社发行处期刊科联系补订或破季度订如您想补订某一期,您必须在该期出版的上个月日前与科学出版社发行处期刊科联系补订价格与邮局订价相同,可将钱从邮 局或银行直接寄发行处期刊科科学出版社发行处期刊科地址北京朝阳门内大街号邮政编码。开户银行中国工商银行北京东四分理处,帐号。一,各省市物理学会需要预订某期物理,可在该期出版的上个月日前与科学出版社发行处期刊科联系预订预订不到的可与本刊编辑部联系本刊编辑部将及早向各省市物理学会寄送每期内容预告我刊每期刊登下期内容预告本刊编辑部地址北京信箱物理编辑部 邮政编码联系人冯禄生电话,我们热情欢迎科研单位、学校、企业界 包括工厂和公司 订阅物理。本刊编辑若卜物理略
