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1、从超导电性的研究说起北京理工大学基础科学班专题讲座王 志 北京理工大学理学院物理系 2009年12月主要内容凝聚态物理简介超导电性研究的历史和现状无用知识的有用性现实中的科学研究对青年学生的建议（共勉）物理学的学科领域14010物理学史14050凝聚态态物理学14015理论论物理学14055等离子体物理学14020声学14060原子分子物理学14025热热学14065原子核物理学14030光学14070高能物理学14035电电磁学14075计计算物理学14040无线电线电 物理14080应应用物理学14045电电子物理学14099物理学其他学科 “物理学家的最终检验在于达到那些普遍性的基本定律
2、，并从它们以演绎的方式来构筑宇宙”-A. Einstein极端例子：Theory of Everything传统的还原论：More is differentCondensed Matter Physics“将一切事物还原为简单的基本定律，并不蕴含着能从这些定律重建宇宙的本领。“大量基本粒子的复杂聚集体的行为是无法从少量粒子性质作简单外推来理解的。在每一复杂性层次上会呈现全新的性质， 而为此所做的研究，其基本性并不亚于其它研究。”例子：超导电性-P. W. Anderson“层展性质”：每个层次都存在自己的规律。物质结构的不同层次研究由大量微观粒子组成的凝聚态物质的微观结构、粒子间 的相互作用、
3、运动规律及其物理性质与应用的科学物理学中最重要、最丰富和最活跃的分支学科。凝聚态物理的具体研究内容和范围以固体物理学为主干，进一步拓宽研究对象，深化研究层次， 形成了比固体物理学更深刻更普遍的理论体系。研究对象除了固体物质外，还包括稠密气体、液体以及介于液 体与固体之间的各种凝聚态物质。研究层次：从宏观、介观到微观物质维数，从三维到低维和分数维；结构：周期到非周期和准周期，完整到不完整和近完整；外界环境：常规条件到极端条件凝聚态物理学是当今物理学中从业人员最多、内容最繁复、成果最丰硕的分支学科。三十年来（19712002年）诺贝尔物理奖的授予情况：凝 聚态物理学获奖13次（27人）。另外有一些
4、人获得了诺贝尔 化学奖，如Heeger（2000年，导电聚合物）、Kohn（1998 ，密度泛函）、Curl（1996，C60）。对社会的影响：从晶体管到集成电路、从激光器到光纤通 信学科生命力新问题层出不穷：前沿研究热点不断涌现， 由层展性质决定的；是高新技术的基础，在当代高新科学技术领域中起关键 性作用，为新材料、新器件和新工艺提供了科学基础；跨学科的渗透；经过七十多年的发展，凝聚态物理学仍然具有强劲 的生命力，其根源何在？凝聚态物理学科生命力的根源高新技术的基础（1）到2015年左右，集成电路的尺寸将达到其物理极限，芯片厂的投资量也会超出了社会的承担能力，必须另觅途径。这就会 给凝聚态物
5、理学带来重大的挑战和无上的机遇。高新技术的基础（2）芯片集成度发展年代曲线（摩尔定律） 芯片厂投资的年代趋势基于碳纳米管的电子器件 ？化学：“典型的化学家高于一切的愿望是想理解为何一种物质和 其它物质的行为不同；而物理学 家通常希望找出超出特定物质的 规律”。物理学与化学的研究正好是互补的。在复杂体系的研究领 域，两者的研究将相得益彰。生物：蛋白质，DNA，等，软物质，材料科学跨学科的渗透超导电性的发现 Heike Kamerlingh Onnes, A brilliant experimental physicist 1913 received the Nobel PrizeBorn in
6、1853 in Netherlands. His mothers more artistic temperament seems to have influenced the family 1878 博士毕业 论文：The influence of the earths rotation on a short pendulum 1882 成为物理学教授 Leiden University Although Onness work in mechanics was exemplary, he found himself far more interested in following van d
7、er Waalss lead and exploring the behavior of gases.在博士学习期间， Onnes 认识了 van der Waals, University of Amsterdam.van der Waals, 1837-1923Kamerlingh Onnes 1853-1926超导发现的背景：低温技术的发展At exceedingly low temperatures, for example, a particular gas deviates ever more greatly from the ideal gas laws, following i
8、nstead van der Waalss predictions for real gases.To test van der Waalss ideas was to measure gaseous behavior at extreme conditions. The need for extremely cold conditions led Onnes to establish a cryogenic laboratory at Leiden. In 1877， 液氧和液氮成功获取In 1892，Onnes 建成一套能大量制备液氧和液氮的仪器.In 1898，Dewar （杜瓦，瑞典人
9、） 将氢液化In 1906，Onnes 建成一套能大量制备液氢的仪器In 1895, William Ramsay（英国）发现氦气，具有比氢气更 低的沸点; Where the grail had been liquid hydrogen, it now became liquid helium. “I resolved to make reaching the end of the road my purpose immediately,” Onnes wrote.兄弟帮助Onnes买到大量的氦气，1908年7月10日，建成一套 液化氦气的装置，以液氢作制冷剂，将氦气成功液化。Onnes i
10、s known as “the gentleman of absolute zero.”In 1911, a helium cryostat, which could maintain the liquid at a constant low temperature, was ready for investigating the behavior of other substances at the liquid helium temperatures.It was well known by this time （1911） that the electrical resistance i
11、n a metal decreased with temperature. Exactly what would happen to resistance at temperatures approaching absolute zero, however, was hotly debated. 发现水银的超导电性金属有杂质，因此Onnes 决定测量水银的电阻。为了得到高纯度的水 银，他反复进行提纯。 At all measured temperatures, the Onnes team found the expected regular decrease in resistance. A
12、t liquid-helium temperatures, however, the resistance already appeared to have completely vanished. Repeated trials all indicated zero resistance at the liquid-helium temperatures. 小插曲启示1：科学家的水平、机遇和眼光发现超导电性的实验是学生做的。是否歪打正着？能够发现超导电性的条件：液氦温度，当时只有Onnes的实验室具备条件。选择Onnes最初选择低温技术，选择低温下的电阻为研究方向，发现超导电性是必然的。有眼
13、光的人会选择充满机遇的研究领域和方向；机遇偏爱有 准备的头脑。超导体的几个临界参数R4.00 4.104.204.304.40T临界温度转变宽度临界温度：发生超导转变 的温度。转变宽度：超导转变不是在一点完成的，开始转变的温度到电阻降为零时的温度差值。超导态正常态温度不变，逐渐增大磁场达到某特定值时超导态转变为正常态，此特定值称临界磁场BC临界电流Ic ，当超导体内电流 IIc 时，超导态将转变为正常态。 迈斯纳效应In 1933，Meissner and Ochsenfeld discover the Meissner Effect：超导体将磁场完全排出体外，与降温和加场的顺序无关，NNS降
14、温降温加场加场SS表示超导态N表示正常态电阻为零的导体是理想导体（完全导体）， =0， 理想导体内部不可能存在随时间变化的磁场。B = 恒矢量完全抗磁性和零电阻性是超导体的两种彼此独立的基本性质。 根据 E=j0 得 E=0 理想导体内部电场也为零。理想导体超导体两类超导体Normal stateHMeissner StateMHcMHHc1Meissner 混合态Hc2NSSNS降温降温加场加场降温超导体的热力学性质超导体的凝聚能：绝对零度和没有外磁场的情形下，正常态和 超导态的吉布斯自由能密度之差正常态和超导态的熵密度之差正常态和超导态的比热之差完全来自电子的贡献超导态的能量降低超导态更为
15、有序二流体唯象模型三个基本假设：临界温度以下，共有化电子分为正常电子和超导电子， 分别构成正常流体和超导流体；两种电子在空间上相互渗 透，但彼此独立地运动；超导电子不受晶格散射，对熵的贡献是零；引入有序度的概念：1934年，由荷兰的高特和卡西米尔提出；能够解释很多实验现象伦敦方程1935年，德国的弗里兹伦敦和 海因兹伦敦在二流体模型的基础上提出。反映超导体零电阻性。第一方程对于恒定的超导电流交变的超导电流， E 0, 存在交流损耗。 第二方程 解释完全抗磁性理论推导可得出恒定磁场下下超导体内磁场分布方程其中xBOB0z其解为一维情况下(z 0)磁场不能进入超导体内部，只能以指数衰减的形式透入超
16、导体表面的薄层中。称为磁场穿透深度。 London理论只是一种唯象的弱场理论，它没有考虑到磁场对超导电子密度的影响，也没有考虑到电 子密度随空间位置的变化。实验上测量得出穿透深度还与外磁场、电子平均自由程等有关，并 显示出各向异性Pippard研究了这些现象，发展 了London的理论，提出相干长度的概念，建立了电流密度非局域理 论，解决了London理论遇到的困难。 Sir Alfred Brian Pippard (1920-2008), 同位素效应弗里德里希的发现：常温下导电性良好的碱金属和贵金属都不是超导体，常温下导电性不好的金属低温下称为超导体；1950年，麦克斯韦、雷诺和席琳等，测量
