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固体電子物性特論

固体電子物性特論. 第 7 回 石橋隆幸. 今日の内容. 超伝導. 抵抗の消失. 様々な超伝導体の Tc. Nb 9.3K Pb 7.2K V 5.4K Nb 3 Sn 18K MgB 2 40K La 2-x Sr x CuO 4 38K YBa 2 Cu 3 O 7-y 90K Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8+x 80K HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O y 135K . 臨界温度 Tc. 超伝導体の転移温度の変遷. 高温超伝導体（上）応用物理学会. 温度ー磁界ー電流密度臨界面. 温度、磁界、電流が

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固体電子物性特論

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Presentation Transcript

  1. 固体電子物性特論 第7回 石橋隆幸

  2. 今日の内容 • 超伝導

  3. 抵抗の消失 様々な超伝導体のTc Nb 9.3K Pb 7.2K V 5.4K Nb3Sn 18K MgB2 40K La2-xSrxCuO4 38K YBa2Cu3O7-y 90K Bi2Sr2CaCu2O8+x 80K HgBa2Ca2Cu3Oy 135K 臨界温度 Tc

  4. 超伝導体の転移温度の変遷 高温超伝導体（上）応用物理学会

  5. 温度ー磁界ー電流密度臨界面 温度、磁界、電流が この曲面を超えると 超伝導は消失する。 応用物性　p.279

  6. 超伝導の重要性（電流について） 超伝導はなぜ重要？ 導線でコイルを作ることを考えてみよう。 断面積１ミリの導線に流せる電流はどのぐらい？

  7. 超伝導の重要性（電流について） 1000回巻いたコイルに10Ａの電流を流したときに 発生する磁界(磁束密度)は？ H=ni より、H=10000A/m=125Oe、B=0.0125T 一方、超伝導体の臨界電流密度は、 105 - 107A/cm2 (Ｙ系高温超伝導体など） 103 - 105A/mm2 すると発生できる磁界(磁束密度)は103A/mm2の時 H=125000Oe、B=12.5T

  8. 超伝導の重要性（電流について） 超伝導の応用例 　超伝導電磁石 　　リニアモーターカー 　　ＮＭＲ 　　ＭＲＩ 　など http://linear.jr-central.co.jp/

  9. マイスナー効果 高温超伝導の科学（裳華房）p.11 磁化曲線

  10. Nbのマイスナー状態の磁束分布 排除された磁束 印加 磁界 10G 0.5mm 磁束が完全に排除されている

  11. ロンドンの理論 常伝導電流 + 超伝導電流 （２流体モデル） 超伝導電流がベクトルポテンシャルに比例すると考える ロンドン方程式 ただし

  12. ロンドンの理論 Maxwellの方程式 に代入して整理すると ロンドンの磁場侵入長

  13. ギンツブルグ-ランダウ(GL)理論 GL方程式 確率振幅 コヒーレンス長 超伝導現象、ティンカム著

  14. 第一種超伝導体と第二種超伝導体 GLパラメータ 超伝導現象、ティンカム著 第一種超伝導体 第二種超伝導体　高温超伝導体はこちら

  15. 磁束量子 超伝導体と磁束 • 第一種超伝導体と第二種超伝導体 マイスナー効果 渦糸状態 第一種 第二種 磁化　-M 磁化　-M Hc Hc1 Hc2 磁界　H 磁界　H

  16. 超伝導の重要性（電子デバイス） ISTEC, Web21, 10月号

  17. 超伝導ギャップ 電子はクーパー対を作ること によって、ボーズ凝縮を おこす。 フェルミレベルの上下に ギャップが開く 超伝導エレクトロニクスの物理（丸善）

  18. 超伝導を使ったトンネル接合 トンネル効果、栗原 進 編、（丸善）

  19. トンネル電流 金属1から金属2の間に流れるトンネル電流は、 Eにおける 金属１中の 電子数 E+eVにおける 金属2中の 電子の 空き数 トンネル確率

  20. と表される。 金属2から金属1の間に流れるトンネル電流　　を求めよ。 また、それら二つのトンネル電流の差から 正味のトンネル電流を求めよ。 トンネル電流 演習 金属1から金属2の間に流れるトンネル電流は、 Eにおける 金属１中の 電子数 E+eVにおける 金属2中の 空席

  21. トンネル電流 金属1と金属2の間に流れるトンネル電流 金属1から超伝導2へのトンネル電流

  22. 常伝導 超伝導 常伝導-超伝導接合 トンネル効果、栗原 進 編、（丸善）

  23. NS接合の微分コンダクタンス NSトンネル接合の微分コンダクタンスは 超伝導体の状態密度を表す。

  24. ジョセフソン接合

  25. 超伝導体と磁束量子 • 磁束の量子化 磁束量子 超伝導電子（クーパー対）はコヒーレントなので 一周したときに位相があう必要がある。 リング状の超伝導体 第２種超伝導体

  26. 超伝導体と磁束 MO image of NbSe2 Oslo Univ. T.H.Johansen, www.fys.uio.no/faststoff/ltl/index.htm Tonomura et al, Nature397,308, 1999.

  27. 第２種超伝導体の磁束分布ビーンモデル 高温超伝導の科学（裳華房）p.281

  28. 第２種超伝導体中の磁束と電流ビーンモデル C. P. Bean,Rev. Mod. Phys. 36, 31 - 39 (1964)

  29. 円形MgB2ラインプロファイル 123 Oe 0.25 0 -0.25 0.1 Oe 0.25 0 -0.25 単位[mm]

  30. 超伝導試料の定量測定（磁束&電流像） 500m 100m 磁束像 電流像 ビオーサバールの式から求めた電流像からは、 電流の方向と大きさがわかる。 この例では、 電流密度は~ 6×107A/cm2。

  31. Nb超伝導体の磁束分布 測定温度3.8 K 露光時間 70ms x 100 印加磁界 ±400 Oe 試料の厚さ 0.5 m 500 m

  32. Bean model (a) (b) Bz 超伝導体 Ｘ 0 d (c) (d) 超伝導体内の磁束量子の分布 マクスウェルの方程式より導かれる電流密度が 常に一定・・・Bean model[1] [1] C. P. Bean, Phys. Rev Lett. 8, 250 (1962)

  33. 単一磁束量子素子（SFQ） ISTEC, Web21, 10月号

  34. 超伝導臨界電流と磁束のピンニング • 高温超伝導体は第二種超伝導体 Hc1以上では、超伝導体中に 磁束が進入（磁束量子） 磁束が動くとエネルギーを 損するので、超伝導状態が 破れる（抵抗の発生） 磁束を動かなくすることが 臨界電流を向上するカギ 抵抗： 粘性係数 量子化磁束

  35. 超伝導線材 • ニューヨークの大停電（2003年）以降、 　送電線への応用が急速に現実化 臨界電流値　100A以上 数年以内に200Aクラスも 実現できる見込み 住友電工 http://www.sei.co.jp/super/hts_e/

  36. 高温超伝導体

  37. イットリウム系超伝導体 高温超伝導の物性（培風館） 最もポピュラーな123系高温超伝導体

  38. ビスマス系超伝導体 高温超伝導の物性（培風館） 金属材料研究所、前田氏によって発見された

  39. ランタン系超伝導体 高温超伝導の物性（培風館） ベドノルツとミュラーがノーベル賞 高温超伝導ブームのきっかけ

  40. Fe系超伝導体 東工大、細野教授らが発見 応用物理学会誌2009年1月号

  41. 試験について 日時　６月22日（月）　4限 場所　院講義室 出題範囲　授業の内容 ノート（手書きのもの）、電卓持ち込み可 教科書、コピー不可

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