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        Origin軟件在高溫超導(dǎo)體基本特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用

        2018-05-18 08:26:09吳盼盼張軍朋
        物理通報(bào) 2018年5期
        關(guān)鍵詞:高溫區(qū)臨界溫度超導(dǎo)體

        吳盼盼 張軍朋

        (華南師范大學(xué)物理與信息工程學(xué)院 廣東 廣州 510006)

        1986年貝德諾等人發(fā)現(xiàn)金屬氧化物也具有超導(dǎo)性,如Y-Ba-Cu-O臨界溫度在90 K以上.這些氧化物起始轉(zhuǎn)變溫度穩(wěn)定高于液氮區(qū),稱為高溫導(dǎo)體.通過高溫超導(dǎo)體基本特性測(cè)量實(shí)驗(yàn),可觀察超導(dǎo)體的零電阻現(xiàn)象,測(cè)量超導(dǎo)體的臨界溫度.求臨界溫度時(shí),可以采用畫圖擬合直線求交點(diǎn)的方法或者求導(dǎo)法.但是,前者是由交點(diǎn)坐標(biāo)在直線上確定臨界溫度點(diǎn),圖像的精確程度對(duì)結(jié)果的準(zhǔn)確性影響很大;后者計(jì)算繁瑣費(fèi)時(shí),而且誤差大.而利用Origin軟件的讀取坐標(biāo)和微分等功能對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,操作簡(jiǎn)便.

        1 實(shí)驗(yàn)原理

        超導(dǎo)體是具有完全導(dǎo)電性和完全抗磁性的物質(zhì).當(dāng)物質(zhì)溫度下降到某個(gè)確定值時(shí),該物質(zhì)的電阻率會(huì)突然下降為零,這種現(xiàn)象稱為零電阻現(xiàn)象,也就是物質(zhì)的完全導(dǎo)電性.臨界溫度是物質(zhì)的內(nèi)稟參量,由本身內(nèi)部性質(zhì)決定.實(shí)際上,當(dāng)樣品不純或者不均勻時(shí),超導(dǎo)體由正常態(tài)電阻過渡到零電阻是一段有一定間隔的變化溫區(qū).理論上,當(dāng)電流磁場(chǎng)以及其他的外部條件(如輻射,應(yīng)力等)保持為零下,或者不影響轉(zhuǎn)變溫度測(cè)量的足夠低時(shí),超導(dǎo)體呈現(xiàn)超導(dǎo)狀態(tài)的最高溫度為臨界溫度TC.一般,臨界溫度的求法有兩種.

        2 實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)處理

        本實(shí)驗(yàn)樣本為高溫氧化物超導(dǎo)體YBa2Cu3O7,采用直流測(cè)量法利用低溫恒溫器,在電阻電流恒為1 mA的狀態(tài)下測(cè)量.記錄樣品70~300 K溫度下各個(gè)電壓值,再換算電阻值.利用電阻隨溫度變化的關(guān)系,確定臨界溫度值.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示.

        表1 高溫超導(dǎo)體基本特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

        T/K243.7238.64232.33228.56219.77216.01208.51203.52198.54R×10-2Ω8.608.408.208.017.807.617.437.427.20

        續(xù)表1

        T/K143.20135.95131.13126.32122.73119.14114.38113.19110.81R/×10-2Ω5.425.205.205.005.015.004.834.604.64

        T/K108.40106.08103.71101.3699.0097.8295.4794.3093.789R/×10-2Ω4.404.224.204.024.003.833.603.403.21

        T/K93.7993.3492.9692.8292.7292.7092.6592.6392.58R/×10-2Ω3.212.802.632.402.202.001.801.621.41

        T/K92.5692.5392.5192.4892.4692.4492.3992.1191.95R/×10-2Ω1.230.820.600.410.200.200.000.000.00

        T/K91.8391.6391.40291.3591.2391.1291.0791.0290.8379.55R/×10-2Ω0.000.000.000.000.000.000.000.000.000.00

        2.1 輸入原始數(shù)據(jù),繪制R-T曲線

        打開Origin軟件,出現(xiàn)一個(gè)book1文件,雙擊數(shù)據(jù)框中列頭A和B,將其改名為如圖1的R(Y)及T(X),并從下方數(shù)據(jù)從第一行開始輸入對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù).調(diào)用繪圖窗口繪制R-T曲線:選中plot中的symbol,點(diǎn)擊Scatter,X軸選擇T(X),Y軸選擇R(Y),即可繪出R-T曲線,再對(duì)得到的圖設(shè)置圖名和坐標(biāo)說明,得到圖2.

        圖1 book數(shù)據(jù)表圖

        圖2 R-T曲線圖

        由圖2可以看出電阻隨溫度下降而減小.在高溫區(qū),R-T呈現(xiàn)較好線性關(guān)系;在100 K左右開始,電阻下降增快;在90 K左右急劇下降;最后電阻為零,呈現(xiàn)完全導(dǎo)電性.

        2.2 圖像擬合直線求交點(diǎn)法

        2.2.1 擬合直線

        對(duì)高溫區(qū)的數(shù)據(jù)擬合直線.先從R-T圖中選取高溫區(qū)R與T線性關(guān)系較好的點(diǎn),對(duì)應(yīng)在book1中為第一列到第35列的數(shù)據(jù).

        圖3 R-T曲線擬合高溫區(qū)數(shù)據(jù)

        點(diǎn)擊Analysis中的Fitting,選擇Linear Fit,出現(xiàn)對(duì)話框.點(diǎn)擊對(duì)話框中的Rows,選擇By Row ,輸入1和35,點(diǎn)擊確定,就可以得到如圖3的遠(yuǎn)離電阻急劇變化的高溫區(qū)的數(shù)據(jù)擬合直線.Origin軟件還給出其擬合直線的表達(dá)式以及相關(guān)性.從圖3中可以看出,在該區(qū)電阻對(duì)溫度呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系.

        再將溫度較小時(shí)電阻急劇變化區(qū)域的數(shù)據(jù)也擬合成直線.由于該部分步驟和上面類似,這里不做詳細(xì)說明.

        2.2.2 確定臨界溫度點(diǎn)的坐標(biāo)

        點(diǎn)擊Origin工具欄中的Screen Reader工具,將鼠標(biāo)點(diǎn)擊相交點(diǎn),即可得到交點(diǎn)的坐標(biāo).

        圖4 R-T曲線擬合直線

        圖5 R-T曲線中臨界溫度數(shù)據(jù)點(diǎn)

        可以看出,采用圖像擬合直線求交點(diǎn)法求臨界溫度時(shí),利用Origin比較方便,而且在確定交點(diǎn)坐標(biāo)和臨界溫度坐標(biāo)時(shí),可直接利用軟件確定,快捷準(zhǔn)確.得到的臨界溫度為91.68 K.

        2.3 求導(dǎo)法

        選擇軟件的Analysis,點(diǎn)擊Mathematic中的Differentiate,對(duì)數(shù)據(jù)微分處理,在book1 數(shù)據(jù)表中會(huì)出現(xiàn)各個(gè)點(diǎn)的導(dǎo)數(shù)值,如圖6所示.可雙擊數(shù)據(jù)框中列頭,將其改名Derivative(R/T).

        圖6 bool1微分?jǐn)?shù)據(jù)

        圖7 Derivative(R/T)-T曲線

        由圖7可以看出,在高溫區(qū),斜率基本不變,說明電阻隨溫度變化較為均勻.在靠近臨界溫度區(qū),電阻變化率急劇變化,出現(xiàn)極大值.最大值就是臨界溫度時(shí)刻.利用Screen Reader工具可以得到最大值的橫坐標(biāo).

        得到的臨界溫度為91.82 K,結(jié)果和前面直線擬合求交點(diǎn)法的91.68 K相近.利用Origin微分功能的求導(dǎo)法,避免了人工求斜率的繁瑣,方便快捷.

        3 結(jié)論

        利用Origin軟件處理高溫超導(dǎo)體特征測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),對(duì)兩種求臨界溫度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法如何結(jié)合軟件處理做了詳細(xì)闡述. 其中圖像擬合直線求交點(diǎn)法,結(jié)合Origin軟件的讀取坐標(biāo)功能,臨界溫度點(diǎn)坐標(biāo)的確定方便而且較為準(zhǔn)確,可以減少人為主觀因素帶來的誤差;而求導(dǎo)法通過Origin的微分功能操作簡(jiǎn)單.兩種方法在Origin軟件下,更快捷,且大大減少誤差.

        參 考 文 獻(xiàn)

        1 吳先球,熊予瑩,等.近代物理實(shí)驗(yàn)教程:北京:科學(xué)出版社,2009

        2 何元金,馬興坤.近代物理實(shí)驗(yàn).北京:清華大學(xué)出版社,2009

        3 鄧廷璋,尹渤,等.YBCO超導(dǎo)薄膜臨界溫度Tc的直流測(cè)量方法的研究.低溫物理學(xué)報(bào),1997(06):4~10

        4 吳思誠,王祖銓.近代物理實(shí)驗(yàn)(第二版).北京:北京大學(xué)出版社,1995

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