Bài giảng Vật lý siêu dẫn - Nguyễn Huy Sinh

Vật lý siêu dẫnPGS. TS. Nguyễn Huy SinhMột số tính chất cơ bản của siêu dẫn nhiệt độ thấpNguồn gốc điện trở của vật dẫnNguồn gốc điện trở của vật dẫnR = R(T)Nguồn gốc:Tạp chấtCác khuyết tật mạngCấu trúc không tuần hoànCác dao động nhiệtĐiện trở dư: ~ tạp chất trong kim loạiNhư 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 Hg có R=0 tại 4,2 KSDNĐT (KL tinh khiết)Lý thuyết giải thích: BCS (1957)Đường cong điện trở theo nhiệt độ của Thủy ngânNăm 1986: J.B. Bednorz & K.A. Muller -> LaBaCuO có R = 0; 30 -> 40 K.YBaCuO có TC ~ 80 -> 90 KSDNĐC (Hợp chất, hợp kim)Lý thuyết giải thích chưa cóĐồ thị chuyển pha siêu dẫn và một số khái niệm cơ bảnTCTmidTonsetTCOT (K)TR ()Vật liệuTCNămVật liệuTCNămHg4,21911KxC6018 - 301991Pb7,21913Hg-Ba-Ca-Cu-O90 - 1611993Nb9,21930(NH3)4Na2CsC60 331994Nb3Sn18,11954Y-Pd-B-C231994Nb3 (Al0,75Ge0,25)20 – 211966Ln(Re)-Ni-B-C13 - 171994Nb3Ga30,31971(Ca,Na)2CaCu2O4Cl2491995Nb3Ge23,2 - 23,91973Ba-Ca-Cu-O1261996BaPb1-xBixO3131974Li2BeH4 1997La1-xCaxMnO3-Ba-Cu-O30 – 401986Bi-Ba-Ca-Cu-O126 - 1301997Y(Re)-Ba-Cu-O80 - 901987(CuTl)Ba2Can-1CunO2n+4-y1211998Bi-Sr-Ca-Cu-O110 – 1201988MgB392000Tl-Ba-Ca-Cu-O115 -1251988  Thống kờ một số chất siờu dẫn điển hỡnh đó được phỏt hiện theo thời gian Một số khái niệm cơ bảnNhiệt độ chuyển pha siêu dẫn TCTrạng thái siêu dẫnĐộ rộng chuyển pha siêu dẫn DTTonsetTCOTmidTCTmidTonsetTCOT (K)TR ()Các nguyên tố kim loạilà chất siêu dẫn.Có nhiều nguyên tốbản thân không là chất SD nhưngkhi kết hợp với các nguyên tố kháclại trở thành SD.Ví dụ: Ba, Sr, YMột số Hiệu ứng quan trọng của chất siêu dẫnHiệu ứng Meissner và từ trường tới hạn (1933)Hiệu ứng dòng tới hạn (1913 Kamerlingh Onnes)Hiệu ứng IzotopHiệu ứng nhiệt độGiản đồ pha J-T-HSự phá vỡ trạng thái siêu dẫn3 cách phá vỡ trạng thái siêu dẫnGiản đồ pha J-T-H3 cáchH > HcJ > JcT > TcNguyên nhânNghịch lý về năng lượngEntrropy trong trạng thái siêu dẫn và trạng thái thườngTheo đ/n:T = 0 K:H = Hc:Phân loại các chất siêu dẫn1. 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 dẫnLoại ILoại IITừ trường thấm sâu vào chất siêu dẫn (l): B = Boe-x/lLTừ trường tới hạn: Hc, Hc1, Hc2Các thông số vi mô: l, x, kHàm sóng của cặp Cooper:Từ trường thấm sâu vào chất siêu dẫnH Hc2Lý thuyết Ginzburg – LandauXuất 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 cooperTuân theo tất cả các định luật bảo toàn như:	Điện tử có là dương	Điện tử có là âmTừ việc tạo cặp Cooper dẫn đến:	nS = |(r)|2	Khái niệm độ dài kết hợp: xĐó là khoảng cách nS = nS(r) thay đổi rất chậm theo r:Đối với SD loại I: 	x ~ 10-4 cmĐối với SD loại II: 	x ~ 10-7 cmTừ 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 IILoại ILoại IIĐộ thấm sâu và độ dài kết hợp tại vùng biênNhiệt dung và bước nhảy nhiệt dung trong quá trình chuyển pha siêu dẫnNhiệt dung và bước nhảy nhiệt dung trong quá trình chuyển pha siêu dẫnT2 (K2)C/T (mJ.mol-1.K-2) tga = bgNhiệt dung và bước nhảy nhiệt dung trong quá trình chuyển pha siêu dẫnT (K)CS (J.mol-1.K-1) DCPhương pháp xác định nhiệt dung của chất siêu dẫn ở nhiệt độ thấpT  [4, 40] KXác định Dt -> DQ = I2RDt -> Ci = DQi/DTiChu kỳ đo cỏc điểm nhiệt dung1. Trước khi cấp xung nhiệt.2. Trong khi cấp xung nhiệt.3. Giai đoạn chờ cõn bằng nhiệt4. Giai đoạn sau khi cõn bằng nhiệt.T (oC)Chi tiết buồng đo nhiệt dung theo phương phỏp đoạn nhiệt Sơ đồ nguyờn lý phộp đo nhiệt dungMỏy chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI) Thiết bị giao thoa lượng tử siờu dẫn (SQUID) Dõy siờu dẫn nhiệt độ cao Nam chõm siờu dẫn nhiệt độ cao (12 T) Hiệu ứng treo từ (sử dụng nam chõm siờu dẫn nhiệt độ cao YBCO) Tàu hỏa siờu tốc MAGLEV (550 km/h) Bộ lọc súng micro bằng siờu dẫn nhiệt độ cao Mụ tơ siờu dẫn nhiệt độ cao (Siemens first in Europe to operate a high-temperature, superconductor motor)Thiết bị dũ tỡm cỏc mạch điện sai hỏng bằng siờu dẫn nhiệt độ cao.Mỏy gia tốc hạt bằng chất siờu dẫn nhiệt độ caoTổng kếtHiện tượng siêu dẫnTrạng thái siêu dẫn và các thông số đặc trưng cho trạng thái siêu dẫnChuyển pha siêu dẫnCác hiệu ứng cơ bản của SDNĐTCác thông số vi mô và vĩ môMột số phương pháp xác định các thông số cơ bản của chất SD-> SD đã mở ra một kỷ nguyên mớiThank you for you attentionMinh họa cho hiệu ứng MeissnerH = Ha + 4M = 0 	(3) 	(4)H = Ha + M = 0 	(5)	(6) 	(7)	(8)	(9)	(10)Minh họa cho hiệu ứng MeissnerSự phụ thuộc của từ trường tới hạnVào nhiệt độ và đường cong ngưỡngMinh họa cho Hiệu ứng dòng tới hạnMật độ dũng tới hạn phụ thuộc từ trường của dõy dẫn Nb-25%Zr với đường kớnh dõy khỏc nhau.Hiệu ứng đồng vị trong một số chất siờu dẫn, với M là khối lượng đồng vịVật liệuVật liệuZu0,45  0,05Ru0,00  0,05Cd0,32  0,07Os0,15  0,05Su0,47  0,02Mo0,33  0.00Hg0,50  0,03Nb3Su0,08  0,02Pb0,49  0,02Zr0,00  0,05MaTC = consta = 1/2TC/qD = constMinh họa cho Hiệu ứng nhiệt độTCTmidTonsetTCOT (K)TR ()+ T giảm ~ TC: Trạng thái SD+ T tăng ~ TC: Trạng thái thường (N)