1、浙江大学硅材料国家重点实验室 黄靖云第六章磁性Magnesium of Solid超导电性Superconductivity浙江大学硅材料国家重点实验室 黄靖云指南针 司马迁史记描述黄帝作战用1086年 宋朝沈括梦溪笔谈指南针的制造方法等1119年 宋朝朱或萍洲可谈磁石罗盘用于航海 记载最早著作De Magnete W.Gibert18世纪 奥斯特电流产生磁场19世纪 法拉弟效应在磁场中运动导体产生电流 安培定律 电磁学基础 电动机、发电机等开创现代电气工业磁性材料及磁性的研究历史浙江大学硅材料国家重点实验室 黄靖云1907年 P.Weiss的磁畴和分子场假说1919年 巴克豪森效应1928年
2、 海森堡模型，用量子力学解释分子场起源1931年 Bitter在显微镜下直接观察到磁畴1933年 加藤与武井发现含Co的永磁铁氧体1935年 荷兰Snoek发明软磁铁氧体1935年 Landau和Lifshitz考虑退磁场,理论上预言了磁畴结构1946年 Bioembergen发现NMR效应1948年 Neel建立亚铁磁理论1957年 RKKY相互作用的建立1958年 Mssbauer效应的发现1965年 Mader和Nowick制备了CoP铁磁非晶态合金1970年 SmCo5稀土永磁材料的发现1984年 NdFeB稀土永磁材料的发现Sagawa(佐川)1986年 高温超导体，Bednortz
3、-muller1988年 巨磁电阻GMR的发现,M.N.Baibich1994年 CMR庞磁电阻的发现，Jin等LaCaMnO31995年 隧道磁电阻TMR的发现,T.Miyazaki浙江大学硅材料国家重点实验室 黄靖云原子的磁性角动量：P磁化强度矢量：M为磁旋比PM在外加磁场H下HMMdtd浙江大学硅材料国家重点实验室 黄靖云磁场强度 磁场强度H的单位在国际单位制中为安培/米(A/m)；在CGS制中为奥斯特(Oe)。1安/米相当于410(-3)奥 浙江大学硅材料国家重点实验室 黄靖云垂直于磁场方向的1米长的导线，通过1安培的电流，受到磁场的作用力为1牛顿时，通电导线所在处的磁感应强度就是1特
4、斯拉。一般永磁铁附近的磁感应强度大约是0.4-0.7特，在电机和变压器的铁心中，磁感应强度可达0.8-1.4特，通过超导材料的强电流的磁感应强度可达1000特，而地面附近地磁场的磁感应强度大约只有0.5*10的-4次方特 1 T=1Wb/m2=1N/(As2)=1Kg/(As2)磁通量密度或磁感应强度 浙江大学硅材料国家重点实验室 黄靖云爱迪生和特斯拉为什么做了死对头？1912年共同拒绝分享诺贝尔物理奖 爱迪生说过：天才是有1%的灵感，99%的勤奋组成，（只是前半句）后半句：然而那1%的灵感远比勤奋重要，！其实特斯拉就是一个灵感的天才，而爱迪生是一个努力的天才 爱迪生大发明家，例如发明电灯 特
5、斯拉，发明了交流电，解决了长途运输电大量消耗的问题（磁感应强度单位）如果交流电成功了，爱迪生直流电灯的市场前景就不好了，所以他用了很多办法让人们对交流电产生恐惧感。直到芝加哥世博会，特斯拉的交流电发挥了巨大的作用，从而战胜了直流电！（局限性，交流电一样用电灯）浙江大学硅材料国家重点实验室 黄靖云浙江大学硅材料国家重点实验室 黄靖云浙江大学硅材料国家重点实验室 黄靖云浙江大学硅材料国家重点实验室 黄靖云浙江大学硅材料国家重点实验室 黄靖云 自旋电子学研究背景自旋电子学研究背景 巨磁阻效应巨磁阻效应(GMR)标志自旋电子标志自旋电子学的出现；第一代自旋器件：巨学的出现；第一代自旋器件：巨磁阻读头磁
6、阻读头 第二代自旋器件（半导体自旋器第二代自旋器件（半导体自旋器件）：件）：使自旋极化的自旋源；将使自旋极化的自旋源；将自旋注入到传统半导体中自旋注入到传统半导体中 稀磁半导体稀磁半导体：磁极子的局域磁矩：磁极子的局域磁矩与电子（空穴）的自旋相互作用；与电子（空穴）的自旋相互作用；与传统半导体兼容，是良好的自与传统半导体兼容，是良好的自旋源旋源 处理信息处理信息 信息存储、处理同时进行信息存储、处理同时进行 稀磁半导体稀磁半导体 存储信息存储信息 磁性材料磁性材料 半导体半导体 电子的电荷电子的电荷现代信息技术现代信息技术 电子的自旋电子的自旋第二代自旋器件第二代自旋器件 浙江大学硅材料国家重
7、点实验室 黄靖云 上世纪的60 年代,光学和电学特性,居里温度(TC)在约为2 K InMnAs(PRL,1992)和GaMnAs(APL,1996)TC75 K GaMnAs 的TC已经达到170 K(Nat.Mater.,2005)Zener模型理论预测2000 Science;随后,首次实现室温磁性室温磁性(Co:TiO2,Science,2001;Co:ZnO,APL,2001)对过渡金属对过渡金属Mn,Co,Fe,Ni,Cr,V等等掺杂掺杂 ZnO,TiO2,SnO2,GaN,GaP等体系等体系展开研究展开研究,实现室温磁性实现室温磁性 发现许多奇特低温磁光性质和磁传输,如巨Zeem
8、an 效应,巨Faraday 旋转,反常Hall效应,负GMR 等sp-d 交换相互作交换相互作用模型解释用模型解释DMS的磁性的磁性DMS的研究概况的研究概况 浙江大学硅材料国家重点实验室 黄靖云2007年诺贝尔物理学奖 法国科学家阿尔贝费尔 德国科学家彼得格林贝格尔 1988年，费尔和格林贝格尔各自独立发现：非常弱小磁性变化就能导致磁性材料发生非常显著的电阻变化费尔在铁、铬相间的多层膜中发现，他把这种效应命名为巨磁阻效应（Giant Magneto-Resistive，GMR）格林贝格尔在具有层间反平行磁化的铁/铬/铁三层膜结构中发现了同样的现象浙江大学硅材料国家重点实验室 黄靖云磁性材料
9、应用举例之一磁记录浙江大学硅材料国家重点实验室 黄靖云磁性材料应用举例之一磁记录浙江大学硅材料国家重点实验室 黄靖云磁性材料应用举例之一磁记录浙江大学硅材料国家重点实验室 黄靖云超导电性的发现及超导体的基本性质浙江大学硅材料国家重点实验室 黄靖云 H.K.昂尼斯昂尼斯 在低温下研在低温下研究物质的性究物质的性质并制成液质并制成液态氦态氦 浙江大学硅材料国家重点实验室 黄靖云B=M+HB=0M=H浙江大学硅材料国家重点实验室 黄靖云0tB浙江大学硅材料国家重点实验室 黄靖云浙江大学硅材料国家重点实验室 黄靖云J.巴丁巴丁提出所谓提出所谓BCS理论的超导性理论理论的超导性理论L.N.库珀库珀J.R
10、.斯莱弗斯莱弗浙江大学硅材料国家重点实验室 黄靖云 B.D.约瑟夫森约瑟夫森 发现固体中隧道现象，理论上预发现固体中隧道现象，理论上预言超导电流能够通过隧道阻挡层言超导电流能够通过隧道阻挡层(即约瑟夫森效应即约瑟夫森效应)I.迦埃弗迦埃弗 从实验上发现超导从实验上发现超导体中的隧道效应体中的隧道效应浙江大学硅材料国家重点实验室 黄靖云超导电性研究历史浙江大学硅材料国家重点实验室 黄靖云超导体的实验研究一、超导体晶体结构研究 19101950：Bragg方程和Laue方程已经广泛应用，XRD晶体结构研究极为普遍，XRD衍射结果表明超导态与正常态的晶体结构完全相同 超导态是热力学上的稳定状态NS转
11、变不是由晶体结构（原子排列）变化而引起的相变转变浙江大学硅材料国家重点实验室 黄靖云高温超导体简介高温氧化物超导体(Tc77K)临界温度Tc 达到液氮温度（77K）以上的超导材料称为高温超导材料1986年IBM苏黎世实验室La-Ba-Cu-O 30K美、中、日科学家La-Ba-Cu-OSr-Ba-Cu-O 57K1987年休斯敦大学，朱经武中科院，赵忠贤Y-Ba-Cu-O 98K至今已发现至今已发现70余种高温超导材料浙江大学硅材料国家重点实验室 黄靖云 J.G.柏诺兹柏诺兹发现新的超导材料发现新的超导材料K.A.穆勒穆勒浙江大学硅材料国家重点实验室 黄靖云高温氧化物超导体的结构特点：具有层状
12、钙钛矿型结构 晶格结构中存在Cu-O 层面高温超导体的导电平面 氧含量和分布对性能有重要影响浙江大学硅材料国家重点实验室 黄靖云高温氧化物超导体的反常特性（1）电阻率的温度特性：线性关系（2）霍尔系数的温度特性：随温度上升而单调下降（3）光电导的反常特性（4）超导能隙的各向异性（5）电子电子关联性（6）临界磁场高，相干长度却很短反常特性无法用低温超导理论(BCS 理论)来解释，对超导理论的研究提出了新课题和新研究方向浙江大学硅材料国家重点实验室 黄靖云设备：研钵+电炉工艺：混匀原材料 烧结研磨成形烧结再研磨成形烧结优点：简单、实用、易于控制或改变合成条件产品,如优质大块样品，高质量粉料高温超导
13、材料的制备高温超导薄膜在基片上镀膜膜厚100 nm涂布法 机械热加工法溅射法 分子外延法照射法 蒸汽淀积法混合法 脉冲准分子激光法蒸发法 化学汽相沉积法浙江大学硅材料国家重点实验室 黄靖云超导电性的应用举例浙江大学硅材料国家重点实验室 黄靖云浙江大学硅材料国家重点实验室 黄靖云浙江大学硅材料国家重点实验室 黄靖云浙江大学硅材料国家重点实验室 黄靖云浙江大学硅材料国家重点实验室 黄靖云高温超导实用化诱人前景电力能源方面：输电电缆、发电机、电动机、变压器 超导化超导储能系统 大型电机设备形状与性能的革命能源工业：超导贮能调节电网负荷 超导磁体约束的等离子体和可能产生的核聚变电子学方面：超导计算机研究：计算速度高，体积小，功耗低，使用方便 信息储存量大医学和生物方面：核磁共振计算机断层诊断装置(NMR-CT)超导量子干涉仪(SQUID)浙江大学硅材料国家重点实验室 黄靖云阿列黑阿列黑.A.阿布日科索夫阿布日科索夫对超导体和超导流体理论的解释对超导体和超导流体理论的解释维塔利维塔利.L.金士伯格金士伯格安东尼安东尼.J.莱格特莱格特浙江大学硅材料国家重点实验室 黄靖云就对社会冲击而言，高温（最终将达到室温）超导可能是，除了受控核聚变外，物理学中最重要的问题！2003Nobel奖获得者Ginzburg
