固体物理基础学：第6章 固体的磁性和超导电性

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1、第第6 6章章 固体固体的磁性和超导电性的磁性和超导电性 6-1 固体固体磁性磁性的基本原理的基本原理 6-2 固体磁性的种类固体磁性的种类 6-3 核磁共振和自旋电子学核磁共振和自旋电子学 6-4 超导电现象及理论超导电现象及理论 6-5 超超导电材料导电材料u 掌握掌握u 了解了解6-1 6-1 固体固体磁性的基本原理磁性的基本原理磁化率磁化率原子原子磁矩磁矩自旋自旋轨道耦合轨道耦合洪洪特定则特定则6-1 6-1 磁化率磁化率6-1 6-1 磁化作用与磁化作用与电极化作用的比较电极化作用的比较磁化性质磁化性质电极化性质电极化性质真空真空固体极化固体极化总强度总强度物理量物理量6-1 6-1

2、 原子磁矩的产生原子磁矩的产生6-1 6-1 自旋自旋 轨道耦合轨道耦合6-1 6-1 量子化的原子量子化的原子磁矩磁矩6-1 6-1 洪洪特定则特定则6-1 6-1 洪洪特定特定则则 过渡金属离子的两个过渡金属离子的两个4s电子被电离，未满的电子被电离，未满的3d壳层暴露在壳层暴露在最外面，直接受到其他原子的影响，其轨道运动常被破坏，最外面，直接受到其他原子的影响，其轨道运动常被破坏，导致轨道角动量发生导致轨道角动量发生“猝灭猝灭”，只剩下自旋角动量。，只剩下自旋角动量。0123456783d1: Ti3+, V4+3d2: V3+3d3: V2+, Cr3+, Mn4+3d4: Mn3+,

3、 Cr2+3d5: Mn2+, Fe3+3d6: Fe2+3d7: Co2+3d8: Ni2+3d9: Cu2+p=g(j(j+1)计算值计算值p=g(s(s+1)计算值计算值实验值实验值 含未满含未满4f壳层的三壳层的三价稀土元素价稀土元素离子中，离子中，4f壳层外还有壳层外还有5s、5p满壳层，属于内壳层，较少受到其它原子的影响，所以满壳层，属于内壳层，较少受到其它原子的影响，所以较好地符合洪特定则。较好地符合洪特定则。0246810124f15s25p6: Ce3+4f25s25p6: Pr3+4f35s25p6: Nd3+4f45s25p6: Pm3+4f55s25p6: Sm3+4f

4、65s25p6: Eu3+4f75s25p6: Gd3+4f85s25p6: Tb3+4f95s25p6: Dy3+4f105s25p6: Ho3+4f115s25p6: Er3+4f125s25p6: Tm3+4f135s25p6: Yb3+p=g(j(j+1)计算值计算值实验值实验值6-2 6-2 固体固体磁性的种类磁性的种类顺磁性顺磁性抗磁抗磁性性铁磁性铁磁性反铁磁性反铁磁性亚铁磁性亚铁磁性6-2 6-2 抗磁性抗磁性加磁场前加磁场前加磁场时加磁场时撤去磁场撤去磁场6-2 6-2 顺磁性顺磁性加磁场前加磁场前加磁场时加磁场时撤去磁场撤去磁场6-2 6-2 铁磁性：磁畴与磁化铁磁性：磁畴与

5、磁化增加磁场时增加磁场时加磁场前加磁场前饱和磁化饱和磁化6-2 6-2 铁磁性：剩磁与磁滞铁磁性：剩磁与磁滞饱和磁化饱和磁化撤去撤去磁场磁场6-2 6-2 反铁磁性和反铁磁性和亚铁磁性亚铁磁性 当原子间的交换作用使各相邻固有磁矩的排列方向相反时：当原子间的交换作用使各相邻固有磁矩的排列方向相反时：l各原子的固有磁矩大小相等，各原子的固有磁矩大小相等，则这些固有磁矩相互抵消，宏则这些固有磁矩相互抵消，宏观上不表现出磁化现象，称为观上不表现出磁化现象，称为反铁磁性反铁磁性l各原子的固有磁矩大小不等各原子的固有磁矩大小不等，则则这些固有磁矩不能完全抵消这些固有磁矩不能完全抵消，宏观上表现宏观上表现出

6、磁化现象，出磁化现象，称为称为亚铁磁性亚铁磁性 反铁磁体大多是金属化合物，如反铁磁体大多是金属化合物，如NiO2、CuO、CrO2等，也等，也有少量金属，如有少量金属，如Cr、-Mn等等 亚铁亚铁磁体绝大部分是金属氧化物，一般称为铁氧体，如磁体绝大部分是金属氧化物，一般称为铁氧体，如Fe3O4（天然磁石）（天然磁石）6-2 6-2 温度对物质磁性的影响温度对物质磁性的影响6-3 6-3 核磁共振核磁共振和自旋电子学和自旋电子学核磁共振核磁共振自旋极化自旋极化磁电阻效应磁电阻效应6-3 6-3 核磁共振核磁共振6-3 6-3 核磁共振领域的诺贝尔奖核磁共振领域的诺贝尔奖 核磁共振领域曾产生过核磁

7、共振领域曾产生过5次诺贝尔奖：次诺贝尔奖：l 1944年年物理学奖物理学奖，拉比，拉比(I. I. Rabi)，发现原子核磁性和核，发现原子核磁性和核磁共振；磁共振；l 1952年物理学奖，年物理学奖，布洛赫布洛赫(F. Bloch)和珀塞尔和珀塞尔(E. M. Purcell)，分别在固体和液体中发现核磁共振现象并分别，分别在固体和液体中发现核磁共振现象并分别建建立立测量方法；测量方法；l 1966年物理学奖，年物理学奖，卡斯特勒卡斯特勒(A. Kastler)，发明光磁双共，发明光磁双共振，极大提高振，极大提高测量测量灵敏度；灵敏度；l 1991年化学奖，恩斯特年化学奖，恩斯特(R. R.

8、 Ernst)，将傅里叶谱和核磁，将傅里叶谱和核磁共振技术结合，极大提高分辨率，并发展二维核磁共振谱；共振技术结合，极大提高分辨率，并发展二维核磁共振谱；l 2003年医学奖，劳特布尔年医学奖，劳特布尔(P. C. Lauterbur)和曼斯菲尔德和曼斯菲尔德(P. Mansfield)，发展核磁共振成像，发展核磁共振成像(MRI)技术。技术。6-36-3核磁共振的应用核磁共振的应用 核磁共振波谱核磁共振波谱是将核磁共振现象应用于分子结构测定的一项是将核磁共振现象应用于分子结构测定的一项技术，与技术，与紫紫外光谱、红外光谱和质外光谱、红外光谱和质谱并称有机化学谱并称有机化学“四大名谱四大名谱”

9、，可以提，可以提供分子中化学官能团的数目和供分子中化学官能团的数目和种类以及许多种类以及许多红外光谱无法提供红外光谱无法提供的信息。目前的信息。目前对的对的研究主要集中在研究主要集中在1H和和13C两类原子核的图谱两类原子核的图谱。6-36-3核磁共振的应用核磁共振的应用 核磁共振成像核磁共振成像(MRI)技术技术通过识别水分子中氢原子通过识别水分子中氢原子信信号号的分布来推测水分子在人的分布来推测水分子在人体内体内的的分布，进而探测人体内部分布，进而探测人体内部结构结构的的技术，是一种非介入探测技术，是一种非介入探测技术。技术。对对人体没有辐射影响人体没有辐射影响，能够能够比超比超声声探测探

10、测技术显示技术显示更多细节。更多细节。 核磁共振核磁共振探测探测(MRS)技术技术MRI技术在地质勘探领域的延伸，通过对地层中水分布技术在地质勘探领域的延伸，通过对地层中水分布信息的探测，可以确定某一地层下是否有地下水存在，地下信息的探测，可以确定某一地层下是否有地下水存在，地下水位的高度、含水层的含水量和孔隙率等地层结构信息。已水位的高度、含水层的含水量和孔隙率等地层结构信息。已经成为传统的钻探探测技术的补充手段，并且应用于滑坡等经成为传统的钻探探测技术的补充手段，并且应用于滑坡等地质灾害的预防工作地质灾害的预防工作中。中。6-3 6-3 自旋极化自旋极化 由于交换作用，铁磁体中会形成磁畴，

11、产生自发磁化。由于交换作用，铁磁体中会形成磁畴，产生自发磁化。 自发磁化是由于自旋向上与向下的电子数密度不相等，所自发磁化是由于自旋向上与向下的电子数密度不相等，所以又叫自旋极化。以又叫自旋极化。 利用自旋极化原理制作的器件不但可以利用磁场控制输出利用自旋极化原理制作的器件不但可以利用磁场控制输出状态，还能实现电压和电流放大功能，表现出晶体管的特状态，还能实现电压和电流放大功能，表现出晶体管的特性。这种器件是由自选状态决定信息的传递与变化，称之性。这种器件是由自选状态决定信息的传递与变化，称之为自旋晶体管。为自旋晶体管。 自旋晶体管不但可用作存储元件，还可组成逻辑电路和处自旋晶体管不但可用作存

12、储元件，还可组成逻辑电路和处理器，同时具有存储和运算功能。较之硅材料半导体原件，理器，同时具有存储和运算功能。较之硅材料半导体原件，速度较慢，但具有功耗低、密度高、耐辐射、温度敏感性速度较慢，但具有功耗低、密度高、耐辐射、温度敏感性低和利用磁滞性质具有记忆功能等优点。低和利用磁滞性质具有记忆功能等优点。6-3 6-3 磁电阻效应磁电阻效应 材料磁化状态的变化会导致电阻值改变，称为磁电阻效应。材料磁化状态的变化会导致电阻值改变，称为磁电阻效应。 1856年，年，W. Thomson首先在铁磁材料中发现各向异性磁首先在铁磁材料中发现各向异性磁电阻电阻(AMR)效应；效应； 1979年，年，IBM利

13、用利用AMR效应制备薄膜磁头，取代感应式磁效应制备薄膜磁头，取代感应式磁头，提高磁盘记录密度数十倍；头，提高磁盘记录密度数十倍； 1988年法国物理学家费尔年法国物理学家费尔(A. Fert)和德国物理学家和德国物理学家格林贝格林贝格格(P. Grnberg)分别独立发现分别独立发现巨巨磁阻磁阻(GMR)效应效应（非常（非常弱弱的磁性的磁性变化就能导致磁性材料发生非常显著的电阻变化），变化就能导致磁性材料发生非常显著的电阻变化），并共同并共同获得获得2007年诺贝尔物理学年诺贝尔物理学奖；奖； 1997年，年，IBM制作出制作出GMR效应磁头，再次将硬盘记录密度效应磁头，再次将硬盘记录密度提高

14、上百倍；提高上百倍； 目前，利用隧穿磁电阻目前，利用隧穿磁电阻(TMR)效应制作的读出磁头已实现效应制作的读出磁头已实现了硬盘单张了硬盘单张3.5英寸磁碟英寸磁碟1TB容量的商业化应用。容量的商业化应用。6-4 6-4 超导超导电现象及理论电现象及理论零电阻现象零电阻现象完全完全抗磁性抗磁性超导体的临界参数超导体的临界参数BCS理论理论6-4 6-4 零零电阻现象电阻现象0.1500.1250.1000.0750.0500.02504.004.104.204.304.40T / KR / 6-4 6-4 超导转变温度超导转变温度典型超导合金典型超导合金高温超导氧化物高温超导氧化物NbTi9.5

15、YBa2Cu3O7-90NbZr11Bi2Sr2CaCu2O885PbIn3.47.3Tl2Ba2Ca2Cu3O10125PbBi8.5HgBa2Ca2Cu3O101366-4 6-4 完全完全抗磁性抗磁性 1933年迈斯纳年迈斯纳和奥森菲尔德发现和奥森菲尔德发现，无论是在磁场中降温使，无论是在磁场中降温使样品样品进入进入零电阻态，零电阻态，还是将已经还是将已经是零电阻态的样品移入磁是零电阻态的样品移入磁场中，样品中的场中，样品中的磁感应强度磁感应强度均为零均为零，称为，称为迈斯纳迈斯纳效应效应 迈迈斯纳斯纳效应说明超导体是效应说明超导体是完全抗磁体完全抗磁体6-4 6-4 与理想导体的区别与

16、理想导体的区别 若建立当温度若建立当温度低于某值时低于某值时仅仅仅仅是电阻为零、电导是电阻为零、电导趋于趋于无穷无穷大大的的“理想导体理想导体” 模型模型，则可发现，在外磁场作用下将理，则可发现，在外磁场作用下将理想导体想导体降温至电阻为降温至电阻为零的状态再撤去外磁场，则理想导体零的状态再撤去外磁场，则理想导体中仍中仍保留保留同样大小的磁通量，这和超导体实验现象不符。同样大小的磁通量，这和超导体实验现象不符。 完全抗磁性是超导体独立于电阻为零之外的完全抗磁性是超导体独立于电阻为零之外的基本特性基本特性！6-4 6-4 超导体超导体的临界的临界参数和类型参数和类型超导态超导态正常态正常态6-4

17、 BCS6-4 BCS理论理论 BCS理论由巴丁理论由巴丁(J. Bardeen)、库珀、库珀(L. Cooper)、施莱弗、施莱弗(J. Schrieffer)三人共同建立，三人因此共享三人共同建立，三人因此共享1972年诺贝尔物年诺贝尔物理学奖。理学奖。 不同不同于以往从实验现象出发作出假定或建立模型的唯象理于以往从实验现象出发作出假定或建立模型的唯象理论，论，BCS理论从电子理论从电子 声子相互作用出发，给出了描述超声子相互作用出发，给出了描述超导电性的完整理论，回答了超导电性的来源和起因。导电性的完整理论，回答了超导电性的来源和起因。 BCS理论认为，金属中自旋和动量相反的电子理论认为

18、，金属中自旋和动量相反的电子可以借声子可以借声子为媒介配对，形成为媒介配对，形成所谓所谓“库珀对库珀对” 。在很低的温度下，在很低的温度下，这这个个库珀库珀对的结合能对的结合能可能高于晶格原子振动的能量，这样，可能高于晶格原子振动的能量，这样，电子对将不会和晶格发生能量交换电子对将不会和晶格发生能量交换，库珀对在晶格当中可库珀对在晶格当中可以无损耗的运动，以无损耗的运动，也也就没有电阻，形成所谓就没有电阻，形成所谓“超导超导”。6-5 6-5 超导电材料超导电材料常规超导元素、合金和常规超导元素、合金和化合物化合物高温高温超导体超导体超导超导材料的应用材料的应用6-5 6-5 常规常规超导元素

19、、合金和化合物超导元素、合金和化合物 常规的元素、合金和常规的元素、合金和化合物超导体的临界温度较低，大多化合物超导体的临界温度较低，大多需要液氦冷却条件，这就限制了其应用需要液氦冷却条件，这就限制了其应用超导材料超导材料超导材料超导材料(Nb3Al)4Nb3Ge20.05NbN16.1Nb3Sn18V3Ga14.6NbN0.72C0.2817.9Mo0.92Hf0.05C0.7514.2Nb3Al17.5Nb9.2V3Si17.1Pb7.26-5 6-5 高温高温超导体超导体6-5 6-5 高温高温氧化物氧化物超导体的超导体的结构特点结构特点 具有层状钙钛矿型具有层状钙钛矿型结构结构 氧氧空

20、位化学计量数变化空位化学计量数变化范围很大，以至于导致范围很大，以至于导致晶格畸变晶格畸变 晶格结构晶格结构中中存在二维存在二维CuO4层面，作为高温层面，作为高温超超导体导体的导电平面而至关的导电平面而至关重要重要 氧含量氧含量和分布对性能和分布对性能有有重要重要影响影响6-5 6-5 高温高温氧化物超导体的反常特性氧化物超导体的反常特性 电阻率的温度特性：线性关系电阻率的温度特性：线性关系 霍霍尔系数的温度特性：随温度上升而单调下降尔系数的温度特性：随温度上升而单调下降 光电导光电导的反常特性的反常特性 超导超导能隙的各向异性能隙的各向异性 电子电子 电子电子关联性关联性 临界临界磁场高，

21、相干长度却很磁场高，相干长度却很短短 这些反常特性无法用低温超导理论（这些反常特性无法用低温超导理论（BCS理论）来解释理论）来解释，对对超导理论的研究提出了新课题和新的研究方向。超导理论的研究提出了新课题和新的研究方向。6-5 6-5 超导电性超导电性的应用举例的应用举例 超导磁体超导磁体l大大尺度、强磁场、低消耗尺度、强磁场、低消耗 超导超导电缆电缆l电能在零电阻输送，完全没有损耗电能在零电阻输送，完全没有损耗 超导超导储能储能l超导体圆环置于磁场中，降温至材料临界温度以下超导体圆环置于磁场中，降温至材料临界温度以下，撤，撤去磁场，由于电磁感应，圆环中有感生电流产生去磁场，由于电磁感应，圆

22、环中有感生电流产生。只要。只要温度保持在临界温度以下，电流便会持续。温度保持在临界温度以下，电流便会持续。6-5 6-5 磁悬浮磁悬浮列车列车 常导型磁悬浮常导型磁悬浮列车列车l利用普通直流电磁铁电磁利用普通直流电磁铁电磁吸力吸力的原理将列车悬起，悬浮的的原理将列车悬起，悬浮的气气隙隙小，一般为小，一般为10 mm左右。左右。时时速可速可达每小时达每小时400 500公里公里。l上海浦东机场上海浦东机场 龙阳路的磁悬龙阳路的磁悬浮运营示范线属浮运营示范线属常导型常导型 超导型磁悬浮列车超导型磁悬浮列车l利用利用超导磁体产生的强磁场，超导磁体产生的强磁场，列车运行时与布置在地面列车运行时与布置在地面上的上的线圈相互作用，产生电动斥力线圈相互作用，产生电动斥力的原理将列车悬起，的原理将列车悬起，悬浮的悬浮的气气隙较大，一般为隙较大，一般为100 mm左右。左右。时速可达每小时时速可达每小时500公里公里以上。以上。