Bài giảng Cơ sở Vật lý chất rắn - Bài 9: Siêu dẫn - Lê Khắc Bình

Nội dung text: Bài giảng Cơ sở Vật lý chất rắn - Bài 9: Siêu dẫn - Lê Khắc Bình

1. Heike Kamerlingh Onnes (1853-1926) Điện trởgiảm xuống 0 •1908 –hóa lỏng helium(~4 K) •1911-nghiên cứu điện trởcủa Hg ởnhiệt độ thấp vàphát hiện hiện tượng siêu dẫn •1913 –giải thưởng NobelvềVật lý
2. R(TR(T)) ơởû nhnhieiệätt đđoộä tthahấápp Thực nghiệm ) W ( û n trơ ä ie Đ Nhiệt độ(K)
3. Chất siêu dẫn làmột chất dẫn điện hoàn hảo : điện trởcủa nó thực tế bằng0(chứkhông phải rất nhỏ).Ngay với các phép đo chính xác nhất cũng không thểphát hiện điện trởdưtrong chất siêu dẫn. Một khi códòng chạy trong trong vòng dây siêu dẫn kín,dòng điện được duy trìchừng nào dây còn được giữ ởnhiệt độthấp. Dòng điện dừng chạy trong dây màkhông bị mất mátdođiện trởđược gọi là dòng dư ( persistent current). Người ta đã quan sát được các dòng dưduy trìtrong nhiều năm màkhông hềgiảm cừơng độ. Tính toán lýthuyết cho thấy thời gian giảm vào khoảng 7 10 4.10 năm!
4. Hiệu ứng Meissner ° 1933 –Walther Meissner vàRobertOchsenfeld ° T <Tc: từtrườngngoài hoàntoànbịđẩyrakhỏitừ phần trong của chất siêudẫn do sựxuất hiện của các dòng bềmặt ° Chất siêu dẫn làchất nghịch từlýtưởng c = -1 Các dòng I xuấthiệntriệttiêu B. I x B trênchấtSD tạoralựcđẩy.
5. Nam châm Chất siêu dẫn Đặtnamchâmlênmộtchấtcótính siêu dẫn. HạnhiệtđộT < Tcnamchâmbịđẩy vàlơlửngtrênchấtsiêudẫn. Hkichonhiệtđộtăng, mẫumấttínhsiêu dẫnvànamchâmrơixuống
6. Chất siêu dẫn loại I § Hai điều kiện: § Trạng thái siêu dẫn 1.Điện trở= 0 T< Tc 2.Hiệu ứng Meissner – H< Hc H Trạng thái Hc bình thường Trạng thái siêu dẫn Tc
7. Nhiệät độä tớùi hạïn Tc ( Kelvin )
8. Từtrường tới hạn của các chất siêu dẫn Từtrường mạnh nhất màmột chất còn duy trìđược tính siêu dẫn được gọi là từtrường tới hạn Bc. Cường độcủa từtrường tới hạn làmột hàm của nhiệt độ. Bc cực đại ở0 K. la) s Te ( c c B n ï ha i ù tơ g n ø ơ ư tr ừ T Nhiệt độ(K)
9. Tương quan giữa từtrường tới hạn Bc vàTc
10. • Hai loại chất siêu dẫn : – LoạiII (các chất dẫn cứng) •Phát hiện hàng chục năm sau loại I. •Thường làhợp kim. •Khác với loại Itrong chất siêu dẫn loại II sự chuyển từtrạng thái bình thường sang siêu dẫn xẩy ra từtừ. •Cóhai trường tới hạnBc1 & Bc2.
11. Trong từtrường trung bình, chất siêu dẫn loại II ởtrong trạng thái hỗn hợp : khối vật liệu làsiêu dẫn nhưng bị xâu bởi các sợi rất mảnh làchất dẫn thông thường. Các dây này định hướng song song với từ Siêu dòng trường ngoài vàchúng cótác dụng dẫn các đường sức từ. Một dòng chạy quanh chu vi của mỗi dây; dòng này chắn khối siêu dẫn khỏi từ trường trong dây. Sựchảy của dòng này mang đặc điểm xoáy. Do đó, các dây Lõi không siêu dẫn được gọi làcác ống xoáy ( vortex ).
12. Mạng các đường xoáy Abrikosov • 1953 –Mạng các đường xoáy Abrikosov : các ống xoáy sắp xếp tối ưu trong miền xoáy theo mạng tam giác A. A. Abrikosov •2003 –GiảiNobel vềVật lý ©AT&T, 1995
13. Hiệu ứng Meissner Bình thường Loại I Loại II
14. Siêu dẫn loại I B = H B B=0 H H B=0 c B=H Meissner bình thường 4pM = B -H 4pM Hc H 4pM Meissner Bình thường 4pM = -H M = 0
15. GiảnđồPha LoạiI Loại II H Hc2(T) Kim loại H (T) Kim loại bình thường H c c bình thường H TrThai hỗn hợp H (T) TrThái Meissner c1 TrThái Meissner T Tc T Tc Bình thơờng Siêu dẫn
16. Hiệu ứng đồng vị (1950) Trong quátrình đi tìm lýthuyết đểgiải thích cơ chếsiêu dẫn, bằng thực nghiệm người ta phát hiện ra rằng:nhiệt độtới hạn của một chất siêu dẫn phụthuộc vào khối lượng của cácioncủa mạng. Nếu thay các nguyên tửbởi các nguyên tửnặng hơn(thay các đồng vị bằng các đồng vị nặng hơn)thìnhiệt độtới hạn hơi giảm xuống. Tc phụthuộc vào khối lượng của nguyên tử 1 T µ c M Tổng quát hơn a Tc M = const
17. HHieiệäuu ứứnngg đđoồàngng vvịị ttrorongng cacáùcc chachấtát ssiiêêuu ddẫnẫn a Các giátrị thực nghiệm của a trong M Tc = const ( M -khối lượng của đồng vị ) Mạng cóvai tròquan trọng Phonon tham gia vàoquátrình siêu dẫn
18. Sựlượng tử hóa của Từ thông Sau khi thôi đặt từtrường ngoài lên vòng xuyến siêu dẫn từ thông bị bắt ( do dòng persistent ) bị lượng tửhóa Lượng tửtừthông Một đầu mối ! Bằng chứng thực nghiệm vềsựlượng tử “Fluxoids” hóa của từthông trong vòng xuyến siêu dẫn Deaver & Fairbank, Doll & Näbauer 1961
19. Lýthuyết vềhiện tượng siêu dẫn Vitaly L. Ginzburg § Những năm1930 –mô hình lượng tửkhông giải thích được hiện tượng siêu dẫn § 1950 –lýthuyết hiện tượng luận của Vitaly GinzburgvàLevLandau v phương trình Ginzburg-Landau v mô tảsiêu dẫn gần nhiệt độtới hạn Tc § 2003 –Ginzburgđược giải thưởngNobelvềVật lý
20. Trạng thái dẫn điện bình thường Trạng thái siêu dẫn Nguyên tử trong mạng TT 1. Electron #1 làm biến dạng mạng(ion dương) khichuyểnđộngqua nó 2. Electron #2 bịhútbởimạngbịbiếndạngnếulựchútlớnhơnlựcđẩy tĩnhđiện > cặpelectron đượctạothành. 3. Cáccặp(cặpCooper) cókhoảngcáchcóthểlênđến mm. 4. Nănglượng liênkếtcủacặpCooper ~1 mV, chỉcóthểởnhiệtđộ thấp. 5. Sựhútgiữacácelectron kếtđôiphụthuộcvàokhốilượngcủaion.
21. § Các chất dẫn điện tốt (Cu) cóbiên độdao động mạng nhỏ à nên tán xạelectron-mạng ít à Biên độdao động nhỏhạn chếsựtạo thành cặp Cooper § Các chất dẫn điện kém ( Hg , thiếc , chì) cóbiên độ dao động mạng lớn à va chạm electron -mạng xẩy ra nhiều • à thuận lợi cho việc tạo cặp
22. Vùng cấm siêu dẫn • Trongtrạngtháibìnhthườngbấtkỳsựthayđổinănglượng nàocũnglàmchocácelectronchuyểnlêntrạngtháikíchthích ( cácmứctrống). •Trongtrạngtháisiêudẫn, nănglượngcủacáctrạngtháibị chiếmgiảmdo sựhìnhthànhcáccặpCooper > xuấthiện khoảngcấmnănglượngEg. Dẫn điện bình thường Siêu dẫn
23. Độrộng vùng cấm siêu dẫn ) meV ( o 2D đ m á ng ca ø Vu 3.5kTc (meV) Độrộng vùng cấm vàTccóliên quan với nhau
24. Vài kết quảcủa Lýthuyết BCS Độrộng vùng cấm vàTccóliên quan với nhau D(0K) »1,76× kBTc 1 ỉ T ư 2 D()T »1,74× D(0K)ç1- ÷ è Tc ø Từtrường tới hạn 2 é ỉ T ư ù H ()T = H (0K)ê1- aç ÷ ú a là 1 hằng số của chất SD c c ç T ÷ ëê è c ø ûú
25. Vùng cấm ) eV m ( ( g LýthuyếtBCS E Nhiệt dung
26. Cácchấtsiêudẫn nhiệt độcao Bi2Sr2CaCu2O8 (La1.85Ba.15)CuO4 Cu YBa2Cu3O7 O Bi2Sr2CaCu2O8 Sr Bi2Sr2Ca2Cu3O10 Bi Tl2Ba2Ca2Cu3O10 Ca Hg0.8Tl0.2Ba2Ca2Cu3O8.33 LớpképCuO2
27. Cácchấtsiêudẫn nhiệt độcao • Cókhảnăng ứng dụng thực tế –Tccao hơn –Hc2 lớn hơn •Dễ làmlạnh: He (4,22 K): $5/lit N (77,36 K): 10¢/lit sữa tươi: 66¢/lit
28. thành Đường chạy nằm giữa hai thành cólắp liên tiếp các cuộn dây thẳng đứng. Các cuộn dây này không phải dây siêu dẫn. Khi tàu đi qua mỗi cuộn dây, chuyển động của các nam châm siêu dẫn trên tàu cảm ứng dòng điện trong các cuộn dây làm cho chúng trởthành các nam châm điện. Các nam châm trên con tàu vàtrên các thành tạo lực nâng (tàu cách đường dẫn 1-10 cm ) vàgiữ cho tàu ởgiữa tâm đường.
29. Ưùngdụng: Tải điện cáp Oáng bọc Cách điện Siêu dẫn Vỏbọc Nđộcao Oáng thép Cáp tải điện siêu dẫn làm lạnh bằng nitơ lỏng.