超导材料的约瑟夫森和超导应用.ppt

第四章超导材料伦敦第二方程：

结合麦克斯韦方程，可以说明超导体表面的磁感应强度B以指数衰减为零
称为磁场穿透深度。微观机制超导能隙库柏电子对自由电子经由间接的吸引力结合成库伯电子对，库伯电子对相互也随着晶格振动产生的正负电荷区间依序移动，彼此不在碰撞，也就没有电阻的产生④相干长度
皮帕德(A.B.Pippard)证明，当一个电子从金属的正常区移动到超导区时，其波函数不能从它的正常态值突然转变为超导态值，这种转变只能发生在一个距离上，被称为相干长度。
简单的说库伯电子对间的距离就是相干长度。可见，实际的库柏对并非局限在非常小的空间里，而是扩展在≈10-6m的空间宽度上，这里就称为超导态的相干长度，它描述了配对电子间的距离。
相干长度和穿透深度一样，也是超导体的特征参量。
下表列举了一些有代表性的超导体的相干长度。几种物质在0K下的超导相干长度⑤BCS理论

美国的巴丁(J．Bardeen)、库柏(LN．Cooper)和施瑞弗(J．R．Schrieffer)在1957年提出了超导电性量子理论，被称为BCS超导微观理论。它可以解释与低温超导相关的各种实验事实，从而获得1972年诺贝尔物理奖。BCS超导微观理论的核心是
(1)电子间的相互吸引作用形成的库柏电子对会导致能隙的存在。
超导体临界场、热学性质及大多数电磁性质都是这种电子配对的结果。(2)元素或合金的超导转变温度与费米面附近电子能态密度N(EF)和电子--声子相互作用能U有关，它们可以从电阻率来估计，当UN(EF)<<1时，BCS理论预测临界温度为：另外，从上式中得到这样一个有趣的结论：
一种金属如果在室温下具有较高的电阻率(因为室温电阻率是电子--声子相互作用的量度)，冷却时就有更大可能成为超导体。BCS理论可以得到磁通量子化的结论，即，磁通量子的电荷有效单位是2e而不是e。
由于BCS基态涉及的是库柏电子对，所以磁通量子化中的电子对电荷2e是BCS理论的一个推论。BCS理论是第一个成功地解释了超导现象的微观理论，也是目前惟一成功的超导微观理论。
后来，虽然又有了一些形式上的发展和完善，但基本思想和物理图像则没有更大的改变。第三节：约瑟夫森效应－－超导量子隧穿效应第三节：约瑟夫森效应－－超导量子隧穿效应宏观量子效应
在经典力学中，若两个空间区域被一个势垒分隔开，则只有粒子具有足够的能量越过势垒时，它才会从一个空间进入另一个空间区域中去。在量子力学中，情况却并非如此，粒子要具有足够的能量不再是一个必要条件。一个能量不大的粒子也可能会以一定的几率“穿过”势垒（即当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒），这就是所谓的隧道效应。1、正常电子隧道效应
考虑被绝缘体I隔开的两个金属Ｎ，如下图所示。电子的波函数并不突然下降为零。在势垒中，波函数按指数衰减．如果势垒的厚度d不大，则还没有等到波函数衰减到零就碰到了势垒的右边缘，这时在势垒右方，电于波函数将有一定幅度，因而电子将有一定的几率通过势垒．利用薛定谔方程，可以算出穿透几率。当两个金属都处于正常态，夹层结构(或隧道结)的电流--电压曲线在低电压下是欧姆型的，即电流正比于电压，如图所示：贾埃弗(I.Giaever)发现，如果金属中的一个变为超导体时，电流--电压的特性曲线会变化如下：2、约瑟夫逊隧道电流效应
上面所述的NIS结和SIS结，其隧道电流都是正常电子穿越势垒。
正常电子导电，通过绝缘介质层的隧道电流是有电阻的。这种情况的绝缘介质厚约几十纳米到几百纳米。如果SIS隧道结的绝缘层厚度只有1nm左右，那么理论和实验都证实了将会出现一种新的隧道现象，即库柏电子对的隧道效应，电子对穿过位垒后仍保持着配对状态。电子能通过两块超导体之间薄绝缘层的量子隧道效应。1962年由约瑟夫森首先在理论上预言，在不到一年的时间内，P.W.安德森和J.M.罗厄耳等人从实验上证实了约瑟夫森的预言。约瑟夫森效应的物理内容很快得到充实和完善，应用也快速发展，逐渐形成一门新兴学科——超导电子学。约瑟夫逊在研究电子对通过超导金属间的绝缘层时指出，当两块超导体之间的绝缘层薄至接近原子尺寸(10-20Å)时，超导电子可以穿过绝缘层产生隧道效应，即超导体--绝缘体--超导体这样的超导结(约瑟夫逊结或SIS结)具有超导性。两块超导体通过一绝缘薄层(厚度为1nm左右)连接起来，绝缘层对电子来说是一势垒，一块超导体中的电子可穿过势垒进入另一超导体中，这是特有的量子力学的隧道效应。当绝缘层太厚时，隧道效应不明显，太薄时，两块超导体实际上连成一块，这两种情形都不会发生约瑟夫森效应。绝缘层不太厚也不太薄时称为弱连接超导体。两块超导体夹一层薄绝缘材料的组合称S-I-S超导隧道结或约瑟夫森结。约瑟夫森结课后思考题：约瑟夫逊效应的应用利用交流约瑟夫森效应