Vật lý siêu dẫn

World Year of PHYSICS 2005
Khãa båi d­ìng n©ng cao kiÕn thøc chuyªn m«n
VËt lý siªu dÉn
PGS. TS. NguyÔn Huy Sinh

World Year of PHYSICS 2005
Khãa båi d­ìng n©ng cao kiÕn thøc chuyªn m«n
Mét sè tÝnh chÊt c¬ b¶n cña
siªu dÉn nhiÖt ®é thÊp

World Year of PHYSICS 2005
Khãa båi d­ìng n©ng cao kiÕn thøc chuyªn m«n
Nguån gèc ®iÖn trë cña vËt dÉn

World Year of PHYSICS 2005
Khóa bồi dưỡng nâng cao kiến thức chuyên môn
Nguồn gốc điện trở của vật dẫn

R = R(T)

Nguồn gốc:

Tạp chất

Các khuyết tật mạng

Cấu trúc không tuần
hoàn

Các dao động nhiệt

Điện trở dư: ~ tạp
chất trong kim loại

World Year of PHYSICS 2005
Khóa bồi dưỡng nâng cao kiến thức chuyên môn

Như vậy khi: một chất nào đó khi ta giảm nhiệt độ
xuống đến một nhiệt độ xác định. Điện trở của nó
đột nhiên biến mất (kể cả điện trở dư) -> ta nói
rằng Vật liệu đã ở trong trạng thái siêu dẫn.

Giá trị điện trở suất của kim loại siêu dẫn xác định được
là: r < 10
-26
m.

Khái niệm nhiệt độ thấp: Trong lĩnh vực Vật lý Siêu
dẫn và Vật lý Nhiệt độ thấp người ta cho rằng vùng
nhiệt độ T < 100 K được gọi là vùng nhiệt độ thấp.

Giá trị nhiệt độ thấp nhất hiện nay tạo được là:
10
-9
ã 10
-11
K

World Year of PHYSICS 2005
Khãa båi d­ìng n©ng cao kiÕn thøc chuyªn m«n

PhÐp ®o ®iÖn trë cña vËt liÖu ë
nhiÖt ®é thÊp

World Year of PHYSICS 2005
Khãa båi d­ìng n©ng cao kiÕn thøc chuyªn m«n
HÖ ®o ®iÖn trë
12 mm
2 mm 1,5 mm
U
R
I
10 mm
l
S
R
I
U
R
R
==
ρ
;
1 2 3 4

World Year of PHYSICS 2005
Khãa båi d­ìng n©ng cao kiÕn thøc chuyªn m«n
•
Víi vËt liÖu phi tõ (tu©n theo c«ng thøc
Mathiessen)
ρ(T) = ρ

o
+ ρ
f
(T)
•
Víi vËt liÖu cã tõ tÝnh
ρ(T) = ρ
o
+ ρ
f
(T) + ρ
mag
(T)
∫
−−








=
T
D
xx
D
f
ee

dxxT
R
θ
θ
ρ
0
3
5
)1)(1(
4
~ T
4
ë nhiÖt ®é thÊp
~ T ë nhiÖt ®é cao
{

World Year of PHYSICS 2005
Khãa båi d­ìng n©ng cao kiÕn thøc chuyªn m«n
T
C
T
mid
T
onset
T
CO
T (K)
∆T
R (Ω)
T (K)

R (Ω)
B¸n dÉn
Siªu dÉn
§iÖn m«i
Kim lo¹i

World Year of PHYSICS 2005
Khóa bồi dưỡng nâng cao kiến thức chuyên môn
Hiện tượng siêu dẫn
Là hiện tượng mà điện trở của
một chất nào đó đột ngột giảm
về 0 ở một nhiệt độ xác định.
0
20
40
60
80
0 20 40 60
T (K)
R (

)

World Year of PHYSICS 2005
Khãa båi d­ìng n©ng cao kiÕn thøc chuyªn m«n
N¨m 1911: Kamerlingh Onnes
-> Hg cã R=0 t¹i 4,2 K
SDN§T (KL tinh khiÕt)
Lý thuyÕt gi¶i thÝch: BCS
(1957)

§­êng cong ®iÖn trë theo
nhiÖt ®é cña Thñy ng©n

World Year of PHYSICS 2005
Khóa bồi dưỡng nâng cao kiến thức chuyên môn
Năm 1986: J.B. Bednorz &
K.A. Muller -> LaBaCuO có R
= 0; 30 -> 40 K.
YBaCuO có T
C
~ 80 -> 90 K
SDNĐC (Hợp chất, hợp kim)
Lý thuyết giải thích chưa có
Đồ thị chuyển pha siêu dẫn
và một số khái niệm cơ bản
T
C
T
mid
T
onset
T
CO
T (K)
T
R ()

World Year of PHYSICS 2005
Khãa båi d­ìng n©ng cao kiÕn thøc chuyªn m«n
VËt liÖu T

C
N¨m VËt liÖu T
C
N¨m
Hg 4,2 1911 KxC
60
18 - 30 1991
Pb 7,2 1913 Hg-Ba-Ca-Cu-O 90 - 161 1993
Nb 9,2 1930 (NH
3
)
4
Na
2
CsC
60
33 1994
Nb
3
Sn 18,1 1954 Y-Pd-B-C 23 1994
Nb
3
(Al
0,75
Ge
0,25
) 20 – 21 1966 Ln(Re)-Ni-B-C 13 - 17 1994
Nb
3
Ga 30,3 1971 (Ca,Na)

2
CaCu
2
O
4
Cl
2
49 1995
Nb
3
Ge 23,2 - 23,9 1973 Ba-Ca-Cu-O 126 1996
BaPb
1-x
Bi
x
O
3
13 1974 Li
2
BeH
4
 
1997
La
1-x
Ca
x
MnO
3
-Ba-Cu-O 30 – 40 1986 Bi-Ba-Ca-Cu-O 126 - 130 1997

Y(Re)-Ba-Cu-O 80 - 90 1987 (CuTl)Ba
2
Ca
n-1
Cu
n
O
2n+4-y
121 1998
Bi-Sr-Ca-Cu-O 110 – 120 1988 MgB 39 2000
Tl-Ba-Ca-Cu-O 115 -125 1988
   
Thống kê một số chất siêu dẫn điển hình
đã được phát hiện theo thời gian

World Year of PHYSICS 2005
Khãa båi d­ìng n©ng cao kiÕn thøc chuyªn m«n
Mét sè kh¸i niÖm c¬ b¶n

World Year of PHYSICS 2005
Khãa båi d­ìng n©ng cao kiÕn thøc chuyªn m«n
•
NhiÖt ®é chuyÓn pha
siªu dÉn T
C
•
Tr¹ng th¸i siªu dÉn
•
§é réng chuyÓn pha
siªu dÉn ∆T

•
T
onset
•T
CO
•T
mid
T
C
T
mid
T
onset
T
CO
T (K)
∆T
R (Ω)

World Year of PHYSICS 2005
Khãa båi d­ìng n©ng cao kiÕn thøc chuyªn m«n
C¸c nguyªn tè
kim lo¹i
lµ chÊt siªu dÉn.
Cã nhiÒu nguyªn tè
b¶n th©n kh«ng lµ
chÊt SD nh­ng
khi kÕt hîp víi
c¸c nguyªn tè kh¸c
l¹i trë thµnh SD.

VÝ dô: Ba, Sr, Y…

World Year of PHYSICS 2005
Khãa båi d­ìng n©ng cao kiÕn thøc chuyªn m«n
Mét sè HiÖu øng quan
träng cña chÊt siªu dÉn

World Year of PHYSICS 2005
Khãa båi d­ìng n©ng cao kiÕn thøc chuyªn m«n
•
HiÖu øng Meissner vµ
tõ tr­êng tíi h¹n (
1933)
•
HiÖu øng dßng tíi
h¹n (1913 Kamerlin
gh Onnes)
•
HiÖu øng Izotop
•
HiÖu øng nhiÖt ®é
Gi¶n ®å pha J-T-H

World Year of PHYSICS 2005
Khãa båi d­ìng n©ng cao kiÕn thøc chuyªn m«n
Sù ph¸ vì tr¹ng th¸i
siªu dÉn

World Year of PHYSICS 2005
Khãa båi d­ìng n©ng cao kiÕn thøc chuyªn m«n

3 c¸ch ph¸ vì tr¹ng th¸i siªu dÉn
Gi¶n ®å pha J-T-H
3 c¸ch
H > H
c
J > J
c
T > T
c
•
Nguyªn nh©n

World Year of PHYSICS 2005
Khãa båi d­ìng n©ng cao kiÕn thøc chuyªn m«n
•
NghÞch lý vÒ n¨ng l­îng
HT
CooperH
n
iCT
EE
EE
E
>





=

=
∑
1
ε

World Year of PHYSICS 2005
Khãa båi d­ìng n©ng cao kiÕn thøc chuyªn m«n
Entrropy trong tr¹ng th¸i
siªu dÉn vµ tr¹ng th¸i th­êng
H
T
G
S






∂
∂
−=
0
dT
dH
H
4
1
a
a

=
π
+−= )0(
SS
SS






+−=






∂
∂
=
dT
dH
HS
T
G
S
c
cS
H

N
N
C
π
4
1
)0(
SN
c
cSN
SS
dT
dH
HSSS >→>−=−=∆ 0
4
1
π
•
Theo ®/n:
•
T = 0 K:
•
H = H
c
:

World Year of PHYSICS 2005
Khãa båi d­ìng n©ng cao kiÕn thøc chuyªn m«n
Ph©n lo¹i
c¸c chÊt siªu dÉn

World Year of PHYSICS 2005
Khóa bồi dưỡng nâng cao kiến thức chuyên môn
1. Dựa vào hiệu ứng
Meissner:
- SD loại I: hoàn toàn đúng
- SD loại II: không hoàn
toàn đúng, vì siêu dẫn loại
II có tồn tại vùng trung
gian (vùng hỗn hợp)
2. Tiêu chuẩn Ginzburg-
Landau:
Phân loại chất siêu dẫn



=







>
<
2
1
2
1

Loại I
Loại II

World Year of PHYSICS 2005
Khãa båi d­ìng n©ng cao kiÕn thøc chuyªn m«n
•
Tõ tr­êng thÊm s©u vµo chÊt
siªu dÉn (λ): B = B
o
e
-x/λ
L
•
Tõ tr­êng tíi h¹n: H
c
, H
c1
, H
c2
•
C¸c th«ng sè vi m«: λ, ξ, κ
•
Hµm sãng cña cÆp Cooper:
)()(),(
↓↑↓↑
−ΨΨ=−Ψ
llll
pppp

( )





=
=
cc
c
c
HH
H
H
2
2
2
65,0
1
κ
κ