超导物理
课程编码：180081070205P3012H
英文名称：Superconductivity
课时：50
学分：2.50
课程属性：专业课
主讲教师：郑东宁等
教学目的要求
本课程是凝聚态物理方向专业课。通过学习本课程，使学生对超导现象、超导产生的物理机制有较全面和系统的了解；对超导体的热力学和电磁特性以及描述这些特性的微观和唯像理论有较好的了解；对超导应用的物理基础有所了解。
要求学生掌握了解超导基本现象，熟悉超导体的两个基本特征以及有关超导体的临界温度、临界磁场和临界电流等临界参数；了解和掌握磁场穿透深度、相干长度、超导凝聚能等重要概念，系统学习了解描述超导现象的微观理论（BCS理论）以及描述超导体电磁特性的伦敦理论和Ginzburg-Landau理论；熟悉库柏对、超导能隙、超导序参量等概念；了解什么是第一类超导体和第二类超导体，了解磁通线、磁通格子、磁通流动和钉扎等与第二类超导体密切相关的概念及其与超导强电应用的关系；了解约瑟夫森效应和约瑟夫森结的基本特性以及利用约瑟夫森结构成的超导量子干涉器件等超导电子学器件的特性，了解超导量子电路的基本特性。
预修课程
量子力学、固体物理
大纲内容
第一章 超导基本现象 2学时 郑东宁
第1节 零电阻现象
第2节 临界磁场和临界电流
第3节 迈斯纳效应
第4节 超导元素、合金和化合物
第5节 超导电性的应用
第二章 超导相变热力学 3学时 郑东宁
第1节 磁场中超导态的自由能
第2节 超导-正常转变时的熵及比热的变化
第3节 力学效应
第4节 描述超导体的唯象模型-二流体模型
第三章 超导电动力学 6学时 刘国东
第1节 London方程
第2节 Pippard非局域理论
第3节 穿透深度、电流分布
第4节 中间态、界面能
第5节 直流特性、高频响应、动态电感
第6节 尺寸效应
第四章 Ginzburg-Landau理论 5学时 郑东宁
第1节 二级相变理论简介
第2节 Ginzburg-Landau方程
第3节 特征长度λ(T)和ξ(T)
第4节 界面能和两类超导体
第5节 全磁通守恒和磁通量子化
第五章 第二类超导体 7学时 郑东宁
第1节 理想第二类超导体：
5.1.1 混合态
5.1.2 伦敦磁通线模型
5.1.3 磁通线的相互作用
5.1.4 磁通点阵
第2节 非理想第二类超导：
5.2.1 洛仑兹力
5.2.2 磁通钉扎
5.2.3 临界态模型
5.2.4 磁通的流动、蠕动和跳跃
5.2.5 实用化超导导体的结构
5.2.6 高温超导体中磁通钉扎的特点
第六章 约瑟夫森效应及其应用 6学时 郑东宁
第1节 约瑟夫森方程
第2节 伏安特性曲线及等效电路理论
第3节 超导量子干涉现象及其应用
第七章 宏观量子现象 3学时 郑东宁
第1节 如何理解超导是一种宏观量子现象
第2节 如何利用超导器件构建量子比特
第八章 超导电性的微观理论 18学时 刘国东
第1节 超导电性微观理论发展简史及BCS理论建立基础（常规超导体）
8.1.1 量子力学公式化之前的微观理论介绍
8.1.2 “量子力学公式化之后”至 ”同位素效应”发现之前的微观理论
8.1.3 “同位素效应” 发现之后的微观理论
第2节 BCS理论模型及推导
8.2.1 电声子相互作用及二阶过程，库珀对形成及公式推导
8.2.2 BCS基态波函数及波函数对称性，基态能隙方程推导，超导能隙及超导准粒子态密度讨论，超导凝聚能推导
8.2.3 有限温度超导准粒子分布及能隙方程推导，超导临界参数的微观起源及推导
第3节 BCS理论知识点总结
第4节 BCS理论的实验检验、预言与普适性介绍
8.4.1 磁通量子化实验
8.4.2 BCS相干因子
8.4.3 强耦合公式及声子谱反演
8.4.4 超导能隙测量
8.4.5 超导电子能谱学(单电子隧道谱、光电子能谱)
第5节 BCS理论的局限性及非BCS机制与模型简述
参考书
1、
Superconductivity Superfluids and Condensates@ Introduction to Superconductivity@ 超导物理学@ 超导物理
J. F. Annett@ Michael Tinkham @ 章立源；张金龙；崔广霁@
张裕恒
2004年6月@ 2004年6月@ 1995年5月@ 2009年1月
Oxford University Press@ Dover Publications@ 电子工业出版社@中国科学技术大学出版社
课程教师信息
郑东宁，1984年毕业于中国科学技术大学，获理学学士学位。1987年在该校获理学硕士学位。1994年在英国剑桥大学获博士学位。先后在中国科学院物理研究所、英国剑桥大学、DURHAM大学从事超导研究和教学。现任中国科学院物理研究所研究员、博士生导师、课题组长。担任中国电子学会超导电子学分会副主任委员、国家超导标准技术委员会副主任。曾任超导国家重点实验室副主任、超导研究领域主要期刊《Superconductor Science and Technology》编委。
刘国东，2009年7月起任中科院物理所研究员，博士生导师。1998年中科院物理所获理学博士学位，2000年 - 2001年: 德国Karlsruhe 研究中心固体物理研究所博士后。1998.8---至今:中科院物理所超导国家重点实验室工作。2016年获得国家自然科学二等奖 (排名第二)。长期从事高温超导材料和新型拓扑量子材料的角分辨光电子能谱和能带电子结构及准粒子激发性质方面的研究工作。