讲座超导体的电磁性质(二) 超导理论简介 前面介绍了超导现象及其实验事实 ●零电阻现象 ●临界磁场效应 ●完全抗磁性—迈斯纳效应 ●磁通量子化和约瑟夫森效应 高TC超导材料 如何从理论上解释超导现象?这个问题吸引了许多科学家。从实验 上除了零电阻现象、临界磁场效应和迈斯纳效应以外,还不断发现了有 关超导的新现象,这帮助人们获得了揭开超导之迷的线索。 由于超导理论从本质上讲,要用到量子理论,在这里只能简单介绍 这些理论的基本思想
1 讲座 超导体的电磁性质（二） ——超导理论简介 前面介绍了超导现象及其实验事实 z 零电阻现象 z 临界磁场效应 z 完全抗磁性——迈斯纳效应 z 磁通量子化和约瑟夫森效应 z 高 TC 超导材料 如何从理论上解释超导现象？这个问题吸引了许多科学家。从实验 上除了零电阻现象、临界磁场效应和迈斯纳效应以外，还不断发现了有 关超导的新现象，这帮助人们获得了揭开超导之迷的线索。 由于超导理论从本质上讲，要用到量子理论，在这里只能简单介绍 这些理论的基本思想
二流体模型 1.导体的电子比热谈起 实验观察到从正常态→超导态, 0总勤 金属比热经历了一个不连续的跳跃,电子比热随温 度变化的关系发生显著改变(图中所示为开色姆等叫因 对锡的测量结果,其中Cn.为正常态下锡的比热, C为超导态下锡的比热) 公比热:当温度降低(或升高)一度时,每单位质量的物质放出(或吸 收)的热量; 在低温下c1∝P3 正常态下Cn=y 金属比热:晶格比热+电子比热; 分析表明:晶格结构没有变化,实验结果说明在金属向超导态转变后, 金属内的自由电子气,可能发生了异乎寻常的变化。这可能是什么变化
2 在低温下 3 cl ∝ T 一． 二流体模型 1．导体的电子比热谈起 实验观察到从正常态→超导态， 金属比热经历了一个不连续的跳跃，电子比热随温 度变化的关系发生显著改变（图中所示为开色姆等 对锡的测量结果，其中 n c 为正常态下锡的比热， s c 为超导态下锡的比热）。 *比热：当温度降低（或升高）一度时，每单位质量的物质放出（或吸 收）的热量； *金属比热：晶格比热+电子比热； 分析表明：晶格结构没有变化，实验结果说明在金属向超导态转变后， 金属内的自由电子气，可能发生了异乎寻常的变化。这可能是什么变化 正常态下ce = γT
呢? 2.二流体模型 1934年由戈特( C., Gorter)和卡西米尔( H.B. CAsimir) 提出。这是一个唯象理论。二流体模型认为,一旦金属变为超导后,金 属中原有自由电子气的部分开始凝聚到超导电子这种较低能量状态。所 谓 以下 “凝聚”的:高度有序的超导电子 超导态 超流电子) 中共有 化电子 未“凝聚”的:正常电子n 二流体的意思是指(假设 )T以下的超导态中分为“凝聚”的和未“凝聚”的 两部分占据同一体积,在空间相互渗透,彼此独立地运动 2)电子受晶格振动的散射做杂乱运动,它形成的电流为
3 呢？ 2．二流体模型 1934 年由戈特（C.J.Gorter）和卡西米尔（H.B.G.Casimir） 提出。这是一个唯象理论。二流体模型认为，一旦金属变为超导后，金 属中原有自由电子气的部分开始凝聚到超导电子这种较低能量状态。所 谓 二流体的意思是指(假设)： 1）Tc以下的超导态中分为“凝聚”的和未“凝聚”的 两部分占据同一体积，在空间相互渗透，彼此独立地运动。 2）电子受晶格振动的散射做杂乱运动，它形成的电流为 Tc 以下 超导态 中共有 化电子 n “凝聚”的: 高度有序的超导电子 （超流电子）—— s n 未“凝聚”的: 正常电子—— n n
正常电流,有电阻效应。 3)超导电子在超导体内运动 不受晶格散射,作无阻力的完全有序流动,形成。4 的电流为超导电流。超导电子处在凝寒状态,即|受 凝聚到某一低能态超导电子态 过程:从无序——有序,不过不象从汽→水→冰 的那种在位置上的凝聚过程,而是动量空间的凝 颁￥ A 聚过程(速度凝聚,如图,铃一响,学生都同时众 朝一个教室跑去) 超导态是比正常态更加有序的状态。 在超导体中总电流密度:j=元+ 超导电流密度,新 的物质方程? 常电流密度j=E
4 正常电流，有电阻效应。 3）超导电子在超导体内运动 不受晶格散射，作无阻力的完全有序流动，形成 的电流为超导电流。超导电子处在凝聚状态，即 凝聚到某一低能态——超导电子态。 过程：从无序——有序，不过不象从汽→水→冰 的那种在位置上的凝聚过程，而是动量空间的凝 聚过程（速度凝聚，如图，铃一响，学生都同时 朝一个教室跑去）。 *超导态是比正常态更加有序的状态。 在超导体中总电流密度： n s j = j + j 正常电流密度 jn = σ eE 超导电流密度，新 的物质方程？
戈特和卡西米尔根据上述假设,并考虑与实验相符, 利用热力学给出超导电子密度n与温度的关系为 n2=川l1 如图:当T=0K时,所有的电子都是超导电子。随着 温度升高,n下降。 ☆以二流体模型可以解释一些超导现象。 ●解释电子比热实验 从二流体模型看来 T>T时,金属中都是正常电子,C=/,比热来源无 非是正常电子由于温度降低而放出它们 多余的内能; T=T时,有一部分电子开始“凝聚”到超导电子,它 们不参与“无序”过程,电子比热的来源除
5 戈特和卡西米尔根据上述假设，并考虑与实验相符， 利用热力学给出超导电子密度 s n 与温度的关系为 [1 ] 4 = − c s TT n n 如图：当 T=0K 时，所有的电子都是超导电子。随着 温度升高， s n 下降。 *以二流体模型可以解释一些超导现象。 z 解释电子比热实验 从二流体模型看来： T>Tc 时，金属中都是正常电子，ce = γT ，比热来源无 非是正常电子由于温度降低而放出它们 多余的内能； T=Tc时，有一部分电子开始“凝聚”到超导电子，它 们不参与“无序”过程，电子比热的来源除