超导临界温度的测量

超导临界温度的测量引言不同的低温液体提供的温度不同，利用低温液体的低温温度可以测量材料在低温下的特性。低温下固体的导电性和其导热性一样也是一种能量的输运现象。各种材料的电阻随温度的变化各不相同， 它反映了物质的内在属性，是研究材料性质最常见的基本方法之一。测量电阻的方法很多，最常见的也是最简单的方法就是用万用表测量，但是它的测量精度较低，对于精密的小电阻测量（如超导样品在正常态下一般都是m 量级，而在超导态下则为0 电阻）用二用线法就无法测量， 因为样品的引线电阻就大大超过了超导样品的电阻。为了能精确的测量出超导样品的实际电阻，试验中我们采用了四引线法， 这样不但可以消除引线电阻，而且还可以消除在测量过程中其他乱真电动势对样品测量的影响。由于计算机技术的飞速发展，现在科学研究中的测量工作一般都采用计算机自动测量的手段，这样大大减轻了科研工作者的工作强度。 同时用计算机测量也大大提高了测量的速度和测量的精度。本试验为了使同学们对计算机自动采集数据有一个感性认识，我们也采用计算机自动测量超导样品的电阻。试验目的本试验的主要目的有两个，一是使同学们能够掌握四引线精确测量电阻的方法，二是同学们通过高温超导材料从超导相向正常相的相变过程中电阻突然变化的过程，从而对相变有点了解。超导材料是在一定温度下没有电阻的导体。在物理学和材料科学的发展进程中，无数顶尖科学家倾力于超导材料研究，超导材料临界温度的不断提高凝聚了无数科学家的心血，高温超导材料研究仍是科学家一直关注的前沿领域。超导电性是昂尼斯（Onnes）早期研究水银（Hg）的电阻与温度的关系是发现的。因为水银可以得到很高的纯度，所以在液氦温度下的水银的电阻值很小。当温度大约为 4.4K 时，电阻突然下降至一个小的不能测量的数值，这种电阻突然消失的现象称为超导电性。出现这种特性时的温度称为转变温度或称为临界温度。一般用符号 Tc 表示 . 。昂尼斯和其他许多科学家后来又发现了28 种超导元素和 8000 多种超导化合物。 但出现超导现象时的温度大都接近绝对零度 (-273 ) 。这些超导材料没有太大的实用可能性和经济价值。然而，从那时起，科学家一直不断尝试提高超导材料的临界温度。直到1973 年，英美科学家发现了超导合金铌锗合金，其临界超导温度为23.2K ，才使超导材料研究走上了快速路，这个纪录保持了 13 年。几十年来， 已发现许多纯金属， 合金和化合物均能在某一温度下出现这种超导现象，最近几十年来全世界科学工作者都在探讨高Tc 材料，因为高 Tc 值的超导材料是判断该超导材料应用价值的重要依据。Tc 是超导体的基本参数之一，它的转变宽度和超导材料的物理，化学状态有关。 自 1986 年 4 月 Bednorz 和 Muller开创了超导新纪元， 他们发现了 La-Ba-Cu氧化物超导体，其中Tc 超过 30K，后来世界各国科学工作者都积极参与与高温超导材料的研究工作，研制除 T 高于 90K 的 Y-B-C 氧化物超导体。 使超导体在 LN2 温区的应用成为可能。我们学校在高超导研究中也作出了很多出色的研究工作。博得了国际国内同行的好评。超导是物理世界中最奇妙的现象之一。正常情况下， 电子在金属中运动时， 会因为金属晶格的不完整性 (如缺陷或杂质等 )而发生弹跳损耗能量，即有电阻。而超导状态下，电子能毫无羁绊地前行。 这是因为当低于某个特定温度时，电子即成对， 这时金属要想阻碍电子运动，就需要先拆散电子对，而低于某个温度时，能量就会不足以拆散电子对，因此电子对就能流畅运动。 通常的低温超导材料中，电子是通过晶格各节点上的正离子振动而结合在一起的。但大多数的物理学家都认为，这一电子对结合机制并不能解释临界温度最高可达开尔文 (零下 135.15 摄氏度 )的铜基材料超导现象。每一种铜基超导材料都是由层状的氧”面组成，其中的电子是如何成对的，仍是未解难题。138“铜图 1.(Hg-Pb)-1223 相样品电阻 - 温度转变曲线（零电阻转变温度Tc0 =135K）目前氧化物高温超导材料类型比较多，最常见的是Y 系， Bi 系， Hg 系和 La 系等系列。当然其超导临界温度 Tc 也不同， Y 系超导材料的超导临界温度Tc 一般在90K 附近， Bi 系最高可达 110K 以上， La 系一般 Tc 较低，约40K 附近，而 Hg 最高，约为140K 附近。超导材料在温度达到或低于其临界温度时，由于其存在的超导态到正常态度的相变过程，在这个相变过程中许多物理量都会出现一个比较大的改变，如电阻磁化率， 热电势，比热，热导等等，所以测量其临界温度的方法也比较多，但最常用也时最简单的方法时测量其电阻，也就是在超导转变的过程中电阻有一个很大的变化，即电阻有一个从无到有的变化。皮克特没有被这种障碍所吓倒。他在研究了二硼化镁在温度为40K 时候没有任何电阻后，设计了一类材料，这些材料有望在大大高于室温的条件下也具有超导性。这意味着， 未来的高温超导材料有望不需要借助于液氮的冷却， 在常温甚至在炎热的夏季温度下就可以有效地工作。虽然还没人弄清楚氧化物具有超导性的原因，但物理学家科学地解释了 “常规” 低温超导材料的工作原理。其奥秘就在于在接近绝对零度的低温条件下，超导材料内部电子的活动情况。当电子处于自由空间时它们之间相互排斥，而在超导材料内部的电子则成对地束缚在一起。这些电子对的活动具有趋于一致性的特点，它们在超导材料内部集体游动时(swim collectively)没有遇到障碍。因此，它们不会损失任何能量，即意味着这种材料的电阻为零。JunAkimitsu研究小组选用了一种由钛、 镁和硼组成的混合物作为研究材料。他们惊奇地发现， 这种材料在 40K 时具有超导性。 与其他高温超导材料相比， 这种临界温度本身并不令人吃惊。 但对常规超导材料来说， 该材料的临界温度之高令人难以想象， 可以说开辟了寻找高温超导材料的新途径。 进一步的深入研究表明，混合材料中的氧化镁发挥了关键作用。在上述研究成果发表的两个月之内，很多科学家都利用氧化镁进行超导研究，相继发表了50 篇研究论文。3 月 25 日，中国科技大学陈仙辉领导的科研小组报告，氟掺杂钐氧铁砷化合物在临界温度43 开尔文 (零下230.15 摄氏度 )时也变成超导体。该文章发表在国际顶尖学术刊物 上。这标志着我校在超导研究方面走在世界前列。摆在物理学家面前的一个新问题是，新老两类材料的高温超导机制是否一样？诺贝尔奖获得者、美国普林斯顿大学理论物理学家菲利普?安德森说，假如不一样，那就意味着新材料的发现比预想的要重要得多，也许能从中发现全新的超导机制。新的铁基超导材料有可能会为探究高温超导机制提供一个更清晰的体系，在此基础上， 铜基超导材料的高温超导机制“可能会一下子变清晰”。但是，也有科学家持有异议。美国斯坦福大学科学家史蒂夫?基沃尔森就认为， 两类材料都是成面结构，都是从导电性能很差的材料转化而来，而且都表现出一种名为“反铁磁性”的磁特性。他说：“两者具有足够的相似性，因此可以假设，它们是本质相同的高温超导材料。”不过，科学家们都认同一点，那就是新的铁基超导材料将激发物理学界新一轮的高温超导研究热。而下一步， 科学家们将着眼于合成由单晶体构成的高品质铁基高温超导材料。科学时报 2008-4-21 高温超导材料已经并将有望给人类的生活带来革命性的变化。时速高达 500 公里的超导磁悬浮列车、没有能耗的超导输电线这些令人振奋的应用前景，既是人类的美好希望，更是激励科学家不断探索的巨大动力本试验是利用侧量超导电阻的方法来确定超导材料YBaCu O的临界温度。23 7-实验内容对本实验方法和实验装置中有关的温度计，恒温器，控温方法等作一简单说明。装置图如图所示。本实验时用升温法测量的，所以整个装置需要浸泡在LN2（夜氮） 中。这样整个装置需要做到绝热， 考虑导漏热的三种途径即气体漏热，固体漏热和辐射漏热。首先整个测量装置在作实验前必需在室温下抽致大约10-4 mmHg的真空，这样将真空室泡入液氮后真空室的真空可以提高一个数量级，基本上可以消除气体漏热。为了减少固体漏热，恒温器内的热连接部分都采用热导较差的材料，所有电引线都要求尽可能的细以减少其固体漏热。由于辐射漏热与温度的四次方成正比，当测量温度与恒温器外液体温度相差比较大时，辐射漏热在总漏热中的比例就不容忽视，所以必需在恒温块外在加一层防辐射屏，只有这样才能减少辐射漏热在高温时对实验的影响。本实验用铜康铜热电偶作温度计，因为它的热点性能稳定，它在液氮温度以上的灵敏度( 用热电势率 S=dE/dT 表示 ) 较高。在 77-100K之间约16 V/K,120-180K 之间约 22-29 V/K, 所以在液氮温区， 使用铜康铜作温度计很方便。另外铜康铜热偶温度计可以直接用液氮作参考点，这样也减少了制作参考点的麻烦。1、铜康铜热电偶温度计的制作安装本装置的温度计是利用铜和康铜线制作的，将铜和康铜线两端部的绝缘漆除去并将裸露的铜线擦干净。 将铜和康铜线的两端摆齐再用热电偶焊接机进行焊接，直接将两种材料熔化形成一个焊接点， 焊点要求最好是圆球状。 用热电偶焊接机焊接的热电偶没有其他材料介入，不会有乱真电动势产生。铜康铜热电偶温度计制作好以后，将其在真空室法兰盖上的铜柱上绕几圈， 将参考点与法兰盖的温度保持一致。参考点贴在法兰盖上， 测量点贴在恒温块上。对实验来讲， 温度计是很重要的， 如何选择热电偶温度计测温的参考点是很关键的，参考点的温度准确与否直接影响测量精度。由于低温液体的温度比较稳定，所以在低温下直接用低温液体的温度作为参考点，这样还可以免除制作参考点带来的麻烦。本实验是用液氮温度作为参考温度。2、样品的安装做好一个实验，样品的安装是很重要的。对于我们所测的高Tc 氧化物陶瓷超导样品，安装更是有讲究， 由于是氧化物陶瓷材料，它无法直接焊接， 要想接触好常用的办法有铟压、用银胶、镀膜。我们是采用镀膜（银膜）办法。镀膜之前必需将样品在细沙纸上磨平，然后用镀膜机将样品镀上银膜作为电极，然后在焊接， 这样保证了样品与电极良好的电接触。将样品用低温胶贴在恒温块上，要注意样品与恒温块必须良好的热接触和电绝缘。要求有良好的热接触一是为了样品在测量过程中受热均匀，二是为了使样品和样品架的温度保持一致，只有这样才能真正测量到样品随温度变化的关系。用保险丝作密封圈将真空室封好并将其抽真空。然后将真空室泡在液氮中，冷到液氮温度测量才能进行。实验原理图测量装置的内部结构图控温方法控温方法通常分为手控和自动控制两种，手控是根据测量者所需的温度，人工地调节电加热功率使得样品温度达到所需测的温度。电热法是用直流稳压电源提供给样品架上的加热器上的电功率而使样品升温，控制范围可以从液氮温度直到室温。为了提高控制精度通常将样品室在室温下抽真空，当样品室冷到液氮温度时，真空度可以提高将近一个量级，这样以减小气体漏热。 当你用直流稳压电源加热时，铜康铜热电偶两端就产生温差电动势，测量热电偶的热电势，查表得出温度。本实验时采用升温的办法进行测量的，所以控温时要注意， 因为整个真空室泡在液氮中，测量时不要将电源电压调很大，如果真空室的真空度很好时，从77K 开始升温时，直流电源的电压一般在3 伏左右之间升温比较好。如果直流稳压电源的电压调的太大，温度上太快，会控制不到所需要测量的温度。一旦温度超过所需温度，使其降回来， 只有多花时间耐心等待，所以要特别注意。当我们加热时，不可能一加功率电压表上马上反映出来。因为升温有驰豫过程。实验接线方框图四引线接法的说明引言中提到过， 二引线法测量样品时， 测量结果中包含了引线电阻， 而且引线电阻远远超过样品的实际电阻。 本实验中不能使用二引线法测量， 因为我们要测量的超导样品的电阻值很小，一般在 m? 量级。所以本实验采用四引线法测量方法。超导样品的电极和接线图四引线法测量电阻的接线如图所示：在测量时，先在1 4 端通以恒定的电流I 1，测量2 3 之间的电压 V 1,然后在 1 4 通以反向恒定电流I 2，测量 2 3 之间的电压 V 2,由于测量电压的引线没有电流通过， 故没有电压产生。 所以这样就可以消除引线电阻的影响，通过改变电流方向， (前后两次使用的电流大小相等,方向相反 )我们可以用公式V1V2R2I就可以消除整个回路中乱真电动势给测量电阻带来的影响，因为式中V 2 和 V 1 都包含有乱真电动势， 且乱真电动势并不随改变电流方向而改变。动势。故两者相减以后就消除回路中的乱真电操作步骤1、熟悉实验仪器名称及使用。2、打开计算机 ,在桌面上找出测量程序.3、打开此程序 ,并熟悉程序的显示内容.注意事项和思考题1、开始升温时，温度不要升的太快，一旦调过所测温度，再降回原来的温度，需要等待很长的时间。2、低温测量装置为何要抽真空，如果真空度不好会出现什么情况？3、测量超导样品为何要采用四引线接法？是否还有其它的更好的接法？4、用你自己的语言来解释电阻计算公式V1V2R2I的物理内容5、实验报告要附上超导样品的电阻随温度关系的曲线，并求出超导样品的超导临界温度 Tc（要求在实验后额三周以内每人交一份实验报告）参考文献1. 张文兰等，低温物理学报， 1997（ 1）2.张裕恒。超导物理。第二版。合肥：中国科技大学出版社，19973.蔡明忠，金属低温热学和电学性质，北京：冶金出版社，19814. 阎守胜，低温物理实验方法