Vật lý siêu dẫn

Vật lý siêu dẫn
PGS. TS. Nguyễn Huy Sinh
Một số tính chất cơ bản của
siêu dẫn nhiệt độ thấp
Nguồn gốc điện trở của vật dẫn
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
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 Wm.
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 - 10-11 K
Phép đo điện trở của vật liệu ở
nhiệt độ thấp
Hệ đo điện trở

12 mm
2 mm
1,5 mm
UR
I
10 mm
1
2
3
4
Với vật liệu phi từ (tuân theo công thức Mathiessen)
r(T) = ro + rf(T)


Với vật liệu có từ tính
r(T) = ro + rf(T) + rmag(T)

~ T4 ở nhiệt độ thấp
~ T ở nhiệt độ cao
{
Kim loại
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.
Năm 1911: Kamerlingh Onnes -> Hg có R=0 tại 4,2 K
SDNĐT (KL tinh khiết)
Lý thuyết giải thích: BCS (1957)
Đường cong điện trở theo
nhiệt độ của Thủy ngân
Năm 1986: J.B. Bednorz & K.A. Muller -> LaBaCuO có R = 0; 30 -> 40 K.
YBaCuO có TC ~ 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
Thống kê một số chất siêu dẫn điển hình đã được phát hiện theo thời gian
Một số khái niệm cơ bản
Nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn TC
Trạng thái siêu dẫn
Độ rộng chuyển pha siêu dẫn DT
Tonset
TCO
Tmid
Các nguyên tố
kim loại
là chất siêu dẫn.
Có nhiều nguyên tố
bản thân không là
chất SD nhưng
khi kết hợp với
các nguyên tố khác
lại trở thành SD.
Ví dụ: Ba, Sr, Y.
Một số Hiệu ứng quan trọng của chất siêu dẫn
Hiệu ứng Meissner và từ trường tới hạn (1933)
Hiệu ứng dòng tới hạn (1913 Kamerlingh Onnes)
Hiệu ứng Izotop
Hiệu ứng nhiệt độ
Giản đồ pha J-T-H
Sự phá vỡ trạng thái siêu dẫn
3 cách phá vỡ trạng thái siêu dẫn
Giản đồ pha J-T-H
3 cách
H > Hc
J > Jc
T > Tc
Nguyên nhân
Nghịch lý về năng lượng




Entrropy trong trạng thái siêu dẫn và trạng thái thường
Theo đ/n:

T = 0 K:

H = Hc:
Phân loại
các chất siêu dẫn
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

Loại I


Loại II
Từ trường thấm sâu vào chất siêu dẫn (l): B = Boe-x/lL
Từ trường tới hạn: Hc, Hc1, Hc2




Các thông số vi mô: l, x, k
Hàm sóng của cặp Cooper:




Từ trường thấm sâu vào chất siêu dẫn
H < Hc1
Hc1 < H < Hc2
H > Hc2
Lý thuyết Ginzburg - Landau
Xuất phát điểm: giải thích trạng thái SD trật tự hơn trạng thái thường (N).
Vậy chuyển pha SD->N có thể mô tả bằng các trạng thái khác nhau của hệ bằng đại lượng vật lý gọi là thông số trật tự (?). Với ? là một hàm sóng phụ thuộc toạ độ không gian (r) có tính chất là:
? *(r). ?(r) = nS(r)
Biểu diễn năng lượng tự do của chất SD theo thông số trật tự.
Thiết lập phương trình Ginzburg - Landau:

Tính mật độ dòng siêu dẫn:

Phương trình này khẳng định thông số trật tự là hàm sóng vĩ mô và chính là hàm sóng mô tả cặp điện tử siêu dẫn (cặp Cooper).
tính chất của cặp cooper
Tuân theo tất cả các định luật bảo toàn như:
Điện tử có là dương
Điện tử có là âm
Từ việc tạo cặp Cooper dẫn đến:
nS = |?(r)|2


Khái niệm độ dài kết hợp: x
Đó là khoảng cách nS = nS(r) thay đổi rất chậm theo r:
Đối với SD loại I: x ~ 10-4 cm
Đối với SD loại II: x ~ 10-7 cm
Từ phương trình
Ginzburg - Landau tính được:
Từ phương trình
London tính được:
Thông số
Ginzburg - Landau được đ/n là:
Tiêu chuẩn phân loại chất siêu dẫn
theo lý thuyết Ginzburg - Landau là:
Chú ý: l, x và k là 3 thông số
vĩ mô đặc trưng trong trạng thái SD.
(l) -> Độ thấm sâu của từ trường vào trong chất SD
(x) -> Khoảng cách các vùng có nS thay đổi rất chậm trong từ trường.
(k) -> Tiêu chuẩn để phân biệt SD loại I và II

Loại I


Loại II
Độ thấm sâu và độ dài kết hợp tại vùng biên
Nhiệt dung và bước nhảy nhiệt dung trong quá trình chuyển pha siêu dẫn
Nhiệt dung và bước nhảy nhiệt dung trong quá trình chuyển pha siêu dẫn
Nhiệt dung và bước nhảy nhiệt dung trong quá trình chuyển pha siêu dẫn
T (K)
CS (J.mol-1.K-1)
DC
Phương pháp xác định nhiệt dung
của chất siêu dẫn ở nhiệt độ thấp
T ? [4, 40] K





Xác định Dt -> DQ = I2RDt -> Ci = DQi/DTi

Chu kỳ đo các điểm nhiệt dung
1. Trước khi cấp xung nhiệt.
2. Trong khi cấp xung nhiệt.
3. Giai đoạn chờ cân bằng nhiệt
4. Giai đoạn sau khi cân bằng nhiệt.
T (oC)
Chi tiết buồng đo nhiệt dung
theo phương pháp đoạn nhiệt
Sơ đồ nguyên lý
phép đo nhiệt dung
Máy chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI)
Thiết bị giao thoa lượng tử siêu dẫn (SQUID)
Dây siêu dẫn nhiệt độ cao
Nam châm siêu dẫn nhiệt độ cao (12 T)
Hiệu ứng treo từ
(sử dụng nam châm siêu dẫn nhiệt độ cao YBCO)
Tàu hỏa siêu tốc MAGLEV (550 km/h)
Bộ lọc sóng micro bằng siêu dẫn nhiệt độ cao
Mô tơ siêu dẫn nhiệt độ cao
(Siemens first in Europe to
operate a high-temperature,
superconductor motor)
Thiết bị dò tìm các
mạch điện sai hỏng bằng
siêu dẫn nhiệt độ cao.
Máy gia tốc hạt bằng
chất siêu dẫn nhiệt độ cao
Tổng kết
Hiện tượng siêu dẫn
Trạng thái siêu dẫn và các thông số đặc trưng cho trạng thái siêu dẫn
Chuyển pha siêu dẫn
Các hiệu ứng cơ bản của SDNĐT
Các thông số vi mô và vĩ mô
Một số phương pháp xác định các thông số cơ bản của chất SD
-> SD đã mở ra một kỷ nguyên mới.

Thank you for you attention
Minh họa cho hiệu ứng Meissner
H = Ha + 4M = 0 (3)
(4)
H = Ha + M = 0 (5)
(6)
(7)
(8)
(9)
(10)

Minh họa cho hiệu ứng Meissner
Sự phụ thuộc của từ trường tới hạn
Vào nhiệt độ và đường cong ngưỡng
Minh họa cho Hiệu ứng dòng tới hạn
Mật độ dòng tới hạn phụ thuộc từ trường
của dây dẫn Nb-25%Zr
với đường kính dây khác nhau.
Hiệu ứng đồng vị trong một số chất siêu dẫn,
với M là khối lượng đồng vị
MaTC = const
a = 1/2
TC/qD = const
Minh họa cho Hiệu ứng nhiệt độ
TC
Tmid
Tonset
TCO
T (K)
T
R ()
+ T giảm ~ TC:
Trạng thái SD
+ T tăng ~ TC:
Trạng thái thường (N)