旋转超导体中的电流与电磁场

采用半经典理论方法,对旋转超导体内的电流和电磁场进行理论分析.在把非惯性力场等效为真实力场并假设其适用于量子力学的基础上,获得超导电子所满足的薛定谔方程和概率密度流表达式.发现超导电子的正则动量和空间相位的梯度有正比例的关系;发现在没有外电场和外磁场情况下,匀速转动的超导体内出现净电荷电场、磁场,表面出现净电荷及超导电流 关键词： 旋转超导体 超导电流 磁场 半经典理论     

在交变外磁场作用下处于迈斯纳态的超导体内的电磁场和能量变化（英文）

本文以一个无限大的超导平板为例,分析它在正弦外磁场作用下处于Meissner态时的电磁场以及能量变化的特征,计算结果表明在准静态外磁场作用下超导体内的磁场、电场以及感应电流都随着透入表面的深度迅速衰减而没有滞后现象.根据超导电流和穿透深度的定义以及London方程,分析了超导体内超导电流与感应电场乘积的物理意义.我们计算并分析了流入超导体的电磁能与内部的磁场能、电场能、超导电子动能之间的转化关系,结果表明这四种能量之间的转化是完全可逆的,超导体内不存在任何损耗.     

均匀磁场中超导球的准静态磁化

在普通物理知识范围内,根据超导体的迈纳斯效应和磁场边值条件的唯一性,计算出了均匀外磁场中超导球表面的超导电流和磁场分布.     

低维超导材料中的量子振荡现象

低维超导材料由于具有尺度接近量子临界尺寸的优势,能够观测到显著的超导量子振荡效应,因此成为研究超导量子振荡效应的优异平台.由于这些量子振荡效应的周期、振幅、相位与磁通涡旋的量子化及运动方式、超导电子的配对机制、特定外部条件下超导体中的涨落和激发现象密切相关,并且它们还能直观地反映超导材料的几何结构对其超导物性的影响,因此对低维超导体中振荡效应的研究直接反映了超导体的本质规律,成为研究材料超导机制的一种重要手段,有着深邃的物理内涵和丰富的研究价值.本文将探讨三类能够在低维超导材料中观测到的典型超导量子振荡效应:利特尔-帕克斯效应、磁通涡旋运动导致的振荡效应和韦伯阻塞效应,从研究手段、理论预期、实验现象以及实验结果诸方面综述其中所揭示的深刻物理规律,并展望低维超导体的量子振荡效应在量子计算、器件物理和低温物理等领域的应用价值.     

Bean临界态模型动力学基础讨论

C. P. Bean基于K. Mendelssohn海绵模型建立了非理想Ⅱ类超导体临界态理论, 从而形成了硬超导体电磁理论的重要基础之一.然而近年来基于涡旋动力学理论的发展,逐步形成了临界态动力学研究课题.涡旋运动导致宏观波函数的相滑移,和局域的Joule热等强烈非线性效应是形成自组织临界态物理基础.根据实验观测,磁通进入样品的前锋为线性分布,但其解析理论还在发展中.本文根据London超导理论,并结合Anderson磁通热激话理论讨论了该课题,给出了Slab样品中的电场、电流和磁通密度分布,定量解释了实验观察到的现象.     

超导线的表面区域处理提高其磁场下的输运能力

对超导体在外磁场中的特性进行了归纳,外磁场在超导体中有磁场穿透深度限制,超导体表面有超导壁垒效应和表面钉扎作用,造成了外磁场在超导线表层密度最大而芯部没有磁通穿过.表面钉扎和壁垒效应存在的竞争主要集中在表面刺入超导体的柱形空穴.为了提高超导线在外电场中的输运能力,在制备上常用提高钉扎性能,而这也有阻碍电流的作用,对超导线芯部区域没有提高钉扎作用的必要,反而因为它有害于电流传输.根据这些理论尝试设计出多层结构的超导线,内芯是致密的净超导体晶体结构,外面是与磁场穿透深度厚度相同的一层掺杂、取代等作用提高钉扎性能的外场渗透层,在超导材料表面与包套材料之间是纳米修饰或者其他手段提高表面钉扎能力的连接层,减少连接层的垂直超导线的柱形纳米空穴可提高壁垒效应.这种结构因为减少了常规制备中不考虑内部没有磁通而仍然有钉扎处理材料对载流子的散射作用,这种结构使超导线的输运能力得到了一定提高.     

电流环支承的超导球表面磁场计算

本文基于磁荷模型采用解析方法推证出电流环在超导球表面产生的磁场分布.首先不考虑超导球的抗磁性,由Biot-Savart定律计算出电流环在球面产生的磁场.再根据Meissner态超导体的边界条件,并基于磁荷模型计算出超导球的感应磁场.将电流环产生磁场与超导球的感应磁场叠加得到超导球表面的合磁场.     

London 两个方程等价性与临界态形成动力学

C. P. Bean基于K. Mendelssohn海绵模型建立了非理想Ⅱ类超导体临界态理论, 从而形成了硬超导体电磁理论的重要基础之一.然而近年来基于涡旋动力学理论的发展,逐步形成了临界态动力学研究课题.涡旋运动导致宏观波函数的相滑移,和局域的Joule热等强烈非线性效应是形成自组织临界态物理基础.根据实验观测,磁通进入样品的前锋为线性分布,但其解析理论还在发展中.本文论述了在超导体的零电阻和完全抗磁性的实验基础上建立起来的London第一和第二方程本质上的等价性,并结合London理论与Anderson磁通热激活理论讨论了临界态形成动力学,给出了Slab样品中的电场、电流和磁通密度分布,定量解释了实验观察到的现象.     

无序二维约瑟夫森结阵列中磁场引起的涡旋玻璃态相变

采用电阻阻错结的无序二维约瑟夫森结阵列模型,数值研究超导薄膜中垂直磁场引起的涡旋运动.通过分析磁场激发产生的涡旋度Ne及低频电压噪声S₀的变化特性,得到如下结论：在无序超导体中固定温度不变,随着磁场的减弱涡旋液态经过准有序的布拉格相,涡旋玻璃相重新进入到低磁场下的钉扎稀磁液相. 由于在涡旋玻璃相中,电流驱动下的噪声值表现出一个峰,表明系统处于无序与有序相互竞争的亚稳态,并且临界电流应有峰值效应. 计算得到噪声值的变化与Okuma等得到的无序超导Mo_xSi_1-x膜实验现象一致,并能解释磁场降低引起的重新进入钉扎的稀磁液相行为. 关键词： 约瑟夫森结阵列 磁通玻璃 重新进入 峰值效应     

超导各向异性的研究现状简述

自从观察到临界电流随磁场偏角发生变化的现象以来（临界电流的各向异性）,如何在提升临界电流的同时降低各向异性成为了获得高性能超导体的主要考量。本文将以临界电流各向异性的起源——超导各向异性为核心,简述超导各向异性的实验现象、理论描述,及其与超导电动力学本构、磁弹耦合效应之间的关系。以此简述来突出超导各向异性在超导体物理和应用方面的重要性。     

超导纳米线单光子探测器光子响应机制研究进展

超导纳米线单光子探测器(SNSPD)已在量子信息、深空激光通信、激光雷达等众多领域发挥了重要的作用.虽然SNSPD经过二十年的研究,但其光子响应本征机制还有待完善.深入理解与厘清其光子响应过程是研发高性能探测器的前提与关键.现在较为成熟的超导纳米线单光子探测器响应理论有热点模型和涡旋模型.但是这两种理论都存在一定的缺陷,前者存在截止波长,后者存在尺寸效应,都需要进一步完善.超导相位滑移是超导体的内禀性耗散,有望用于解释超导纳米线单光子探测器的光子响应过程,形成统一完备的理论.这三种模型是对SNSPD光子检测理解的不断深入:热点模型是一种唯象模型,研究电子-声子等准粒子体系的相互作用;涡旋模型由Ginzburg-Landau方程和电磁学方程出发,研究涡旋在超导体中的运动及其带来的超导态耗散;相位滑移模型是基于量子力学的解释,研究热扰动和宏观量子隧穿引发的超导态耗散.本文综述了热点模型、涡旋模型和超导相位滑移的基本概念、发展历史和研究进展,讨论和对比了这三种理论的特点和发展前景,为超导纳米线单光子探测器光子检测理论研究提供参考和借鉴.     

相位与约瑟夫森效应及其在超导中的应用

 许多物理效应(如多普勒效应,约瑟夫森效应、ＡＢ效应、干涉效应、量子霍尔效应)都与相位紧密相关,且相位的物理效应已在很多领域中得到了验证和应用。本文就相位与约瑟夫森效应及其在超导现象中的应用进行分析和讨论。一、约瑟夫森效应当两块超导体之间所夹绝缘层的厚度很薄(10-7ｃｍ左右)时,两超导体中的电子对会因隧道效应而耦合,电子对将从一块超导体进入另一超导体,形成超导(隧导)电流,而两超导区的电子对波函数具有确定的相位关系,这种现象称为约瑟夫森效应。1962年约瑟夫森研究了两块超导体被一层薄绝缘层分开的Ｓ-Ｉ-Ｓ结,即超导的隧道结,从理论上预言将会有以下的物理效应。     

神奇的超导

 电阻起源于载流子(电子或空穴)在材料中运动过程中受到的各种各样的阻尼.按照材料的常温电阻率从大到小可以分为绝缘体、半导体和导体.绝大部分金属都是良导体,他们在室温下的电阻率非常小但不为零,在10^-12 mΩ·cm量级附近.自然界是否存在电阻为零的材料呢？答案是肯定的,这就是超导体.当把超导材料降到某个特定温度以下的时候,将进入超导态,这时电阻将突降为零(图1),同时所有外磁场磁力线将被排出超导体外,导致体内磁感应强度为零,即同时出现零电阻态和完全抗磁性.超导态开始出现的温度一般称为超导临界温度,表示为T_c.微观上来说,当超导材料处于超导临界温度之下时,材料中费米面附近的电子将通过相互作用媒介而两两配对,这些电子对将同时处于稳定的低能组态,叫“凝聚体”.在外加电场驱动下,所有电子对整体能够步调一致地运动,因此超导又属于宏观量子凝聚现象.对于零电阻态,实验上已经证实超导材料的电阻率小于10^-23 mΩ·cm,在实验精度允许范围内已经可以认为是零.如果将超导体做成环状并感应产生电流,电流将在环中流动不止且几乎不衰减.超导体的完全抗磁性并不依赖于超导体降温和加场的次序,也称为迈斯纳(Meissner)效应.一个材料是否为超导体,零电阻态和完全抗磁性是必须同时具有的两个独立特征.     

Tl_4Ba_3Ca_3Cu_4O_y系统的超导电性和磁化反常

Tl_4Ba_3Ca_3Cu_4O_y 氧化物超导体中存在100K 和120K 两个超导相.测量电流为10mA 时,零电阻超导 T_c 为119K.DC 磁化结果表明:在77K 时不可逆场约为2200O_e,冻结磁通密度11.6G,样品是弱钉扎Ⅱ类超导体.Meissner 效应测量结果表明:Meissner 信号的61%是120K 相的贡献,39%是100K 相的贡献.超导体积的上限和下限的比较,不同磁场和测量电流的 R(T)超导转变以及磁化反常表明:我们的样品中存在着大量的弱连接超导电性,并构成邻近效应超导体,研究了它的日 H_(c2)(T).并由邻近效应超导体的磁化曲线演算出它的超导参量.     

库珀对粒子密度的最可几有效约束分布与表面超导电性

库珀对粒子在稳恒磁场中运动时有最可几的密度分布.有界超导体与真空或绝缘介质接触时的边界效应对这种分布起有约束影响,并改变有效势的分布,使边界附近的有效势能自然地降低,以致出现表面超导壳层,其厚度随磁场的减小有非线性地增大的趋势.利用这种约束分布,方便地获得了在平行场中超导平板的第三临界场.     

M3C60（M=K,Rb）超导机理研究

综述了近几年来Ｃ６０超导体，特别是Ｋ３Ｃ６０和Ｒｂ３Ｃ６０单昌超导体的实验研究结果，主要包括超导转变温度以上的电阻－温度关系、高温下电阻的饱和现象及超导转变温度、上临界磁场和相干长度等超导性质。上述实验结果可以用传统的电子－声子相互作用理论来解释。     

外场中超导结的直流约瑟夫逊电流的计算

外加磁场对超导体/半导体/超导体结的临界电流有一定影响。超导结的临界电流与磁场的曲线非常类似于单色光在单狭缝衍射的夫琅和费图样。该文在未考虑外加磁场的超导体/半导体/超导体结的临界电流的基础上,进一步对外加磁场的情形进行了研究,并对其结果借助M athem atica软件做了进一步的讨论。     

Pb-Sb合金脱溶过程对超导临界特性的影响

1961年Kunzler等人发现:Nb_3Sn,Nb-Zr等超导体在强磁场中临界电流密度jc仍然很大,可供制备获得强场的超导体磁体使用。 Mendelssohn曾将硬超导体临界磁场的增大,归源于样品内部存在尺寸很小的超导“系”。Kunzler将超导“系”和位错线联系起来,并且认为,他所观察到的高jc值是由于样品内部位错线密度很大。另一方面,却又把硬超导体当作均匀介质处理,他从理论出发,用负界面能效应来解释超导合金的反常磁行为。     

高温超导体磁通跳跃数值模拟

文中基于超导磁通动力学理论,考虑电磁力与热激活对磁通运动的影响,基本物理模型由等效电阻率随超导体温度和磁场变化的磁通扩散方程,以及比热随超导体温度变化的热传导方程组成。在此基础上,用差分法数值求解了这一复杂非线性系统的磁热耦合控制方程,得到了与实验观测结果基本一致的数值模拟结果。结果还表明：外加磁场变化速度、超导体初始温度以及超导尺寸对于磁通跳跃均产生明显的影响。     

交变磁场下超导薄圆筒的交流损耗研究

通过数值模拟方法研究了超导薄圆筒在交变磁场下的交流损耗特性.这种超导体的几何模型为一个通有与外加磁场同相位的交流电且厚度可忽略的圆筒.基于Bean临界态模型,通过数值方法得到了交流损耗Q,与实验结果符合得很好.此值模拟方法仅适用于超导薄圆筒,对涂层超导体具有一定的应用价值.