在临界温度Tc，临界磁场为零。
Hc（T）随温度的变化一般可以近似地表示为抛物线关系:
其中Hc0是绝对零度时的临界磁场。
）临界电流:
在不加磁场的情况下，超导体中通过足够强的电流也会破坏超导电性,导致破坏超导电性所需要的电流称作临界电流Ic（T）。
在临界温度Tc，临界电流为0。
临界电流随温度变化的关系有：
其中Ic0是绝对零度时的临界电流。
三个唯象理论：
二流体模型;早期为了解释超导体的热力学性质，1934年戈特和卡西米尔提出超导电性的二流体模型，它包含以下三个假设：
（1）金属处于超导态时，自由电子分为两部分：
一部分叫正常电子，另一部分叫超流电子,正常电子在晶格中有阻地流动，超流电子在晶格中无阻地流动，两部分电子占据同一体积，在空间上相互渗透，彼此独立地运动，两种电子相对的数目是温度的函数。
（2）正常电子的性质与正常金属自由电子气体相同，受到振动晶格的散射而产生电阻，对熵有贡献。
（3）超流电子处在一种凝聚状态，即某一低能态，所以超导态是比正常态更加有序的状态。
超导态的电子不受晶格散射，所以超流电子对熵没有贡献。
从这个模型出发可以解释许多超导实验现象，如超导转变时电子比热的“λ”型跃变等。
伦敦正是在这个模型的基础上建立了超导体的电磁理论。
ØGinzberg-Landau理论考虑到超导电子密度（ns）不仅是T的函数，而且是空间位置r和磁场B的函数，从而可以解释更多的实验现象。
ØGinzberg-Landau理论给出了决定ns（r）的方程，这使得Ginzberg-Landau理论比伦敦理论更进一步。
Ø唯象的Ginzberg-Landau方程和微观的薛定谔方程形式上一样，预示了超导体具有类似微观现象中的量子化现象，即，宏观量子现象。
磁通量量子化就是宏观量子现象中的一个重要例子。
ØGinzberg-Landau理论建立在相变点附近，它的结论定性上适用于更低的温度，但定量上是不能用于比Tc低很多的温度。
ØGinzberg-Landau理论是不含时间的，只能处理有序度参量不随时间改变的现象。
BCS理论的建立基础：
同位素效应、超导能隙和库帕电子对
转变温度Tc依赖于同位素质量M的现象就是同位素效应,同位素效应指出：
电子-声子的相互作用与超导电性有密切关系。
材料处于超导态时，在费米能附近出现了一个半宽度为的能量间隔，在这个能量内没有电子态，叫做超导能隙（~10-3-10-4eV）。
超导能隙的出现反映了电子结构在从正常态向超导态转变过程中发生了深刻变化。
这种变化就是伦敦指出的“电子平均动量分布的固化或凝聚”。
电子形成费米球的分布。
在超导态时，在费米球内部的电子仍与正常态中的一样。
但在费米面附近的电子，在交换虚声子所引起的吸引力作用下，按相反的动量和自旋两两地结合成电子对，这种电子对被称为库帕对。
BCS理论预测临界温度：
U是电子-声子相互作用能
第II类超导体根据是否存在磁通钉扎中心而分为：
理想第II类超导体
非理想第II类超导体
理想第II类超导体的晶体结构比较完整，不存在磁通钉扎中心，并且当磁通线均匀排列时，在磁通线周围的涡旋电流将彼此抵消，其体内无电流通过，从而不具有高临界电流密度。
非理想第II类超导体的晶体结构存在缺陷，并且存在磁通钉扎中心，其体内的磁通线排列不均匀，体内各处的涡旋电流不能完全抵消，出现体内电流，从而具有高临界电流密度，适合于实际应用。
单粒子隧道效应
金属-绝缘体-金属（MIM）结：
考虑被绝缘体隔开的两个金属，绝缘体通常对于从一种金属流向另一种金属的传导电子起阻挡层的作用。
如果阻挡层足够薄，则由于隧道效应，电子具有相当大的几率穿越绝缘层。
当两个金属都处于正常态，隧道结的电流正比于电压。
正常金属-绝缘体-超导体（NIS）结：
Giaever发现如果金属中的一个变为超导体时，电流-电压的特性曲线发生变化，可以用超导能隙来解释正常金属-绝缘体-超导体（NIS）结。
约瑟夫森（Josephson）效应
电子对能够以隧道效应穿过绝缘层，在势垒两边电压为零的情况下，将产生直流超导电流。
而在势垒两边有一定电压时，还会产生特定频率的交流超导电流。
磁性材料
抗磁性（diamagnetism）当物质受到外加磁场的作用时，如果产生与外磁场方向相反的磁化，即磁化率为负值，则称此种性质为抗磁性。
顺磁性（paramagnetism）顺磁性是指材料在外磁场的作用下表现出与外磁场方向相同但数值很小的磁化率。
铁磁、亚铁磁材料的单畴微粒呈现出的顺磁性。
当这些微粒的体积减少到一定程度时，微粒的热运动能将超过难磁化和易磁化之间的磁晶各向异性能的位垒，于是微粒的磁矩就不再固定在易磁化方向，而是随时间作无规则的变化，而微粒的表观磁化强度就变为零。
在外磁场作用下，这些微粒倾向于沿外磁场方向排列，从而呈现出顺磁性，这种顺磁性叫做超顺磁性。
铁磁性（ferromagnetism）
低于居里温度时，这些材料在磁场中显示出强磁性，磁化强度可达105A/m,其磁化曲线呈复杂的形式。
原因：
这些物质的内部存在着一种强的相互作用，使邻近原子的磁矩近似地排在同一方向，形成了自发磁化。
由物质内部的交换作用引起的磁矩有序排列，称为自发磁化。
由外加磁场引起的磁矩有序排列，称为技术磁化。
铁磁性的基本特点是在外磁场中的磁化过程的不可逆性。
铁磁性成因
最早对铁磁性的成因进行解释的是Weiss,他在1907年提出了两个假设,都得到了实验证明：
1、分子场假设在铁磁体的内部存在着强大的分子场（约103T），即使不加外磁场，其内部也产生自发磁化。
（1928年，Heisenberg用量子理论证明了：
所谓的分子场，实际是电子自旋之间的交换作用，是电子遵循Pauli原理的必然结果。
）
2.磁畴假说铁磁内部的自发磁化被分为若干称为磁畴的区域，在每一区域内自发磁化到饱和，但各个区域的磁化强度方向是混乱的，因而当不加磁场时，不表现出宏观磁性
对于Eex=-2Aijcos的讨论
当A＞0时，为使交换能最小，相邻原子3d电子的自旋磁矩夹角为零，即彼此同向平行排列，称为铁磁性耦合，即自发磁化，出现铁磁性磁有序。
当A＜0时，为使交换能最小，相邻原子3d电子自旋磁矩夹角为180度，即相邻原子3d电子自旋磁矩反向平行排列，称为反铁磁性磁有序。
当A=0时，相邻原子3d电子自旋磁矩彼此不存在交换作用或者说交换作用十分微弱。
在这种情况，由于热运动的影响，原子自旋磁矩混乱取向，变成磁无序，这是顺磁性。
3d金属中的自发磁化
3d金属（如铁、钴、镍），当3d电子云重叠时，相邻原子的3d电子存在交换作用，它们每秒钟以108的频率交换位置。
其交换作用能Eex与两个电子自旋磁矩的取向有关，表示为：
Eex=-2Aijcos,
其中为电子自旋角动量，是相邻原子3d电子自旋磁矩的夹角，A为交换积分常数。
在平衡态，相邻原子3d电子自旋磁矩的夹角应遵循能量最小原理。
4f金属（稀土金属）中的自发磁化
部分稀土元素在低温下呈现出铁磁性。
原因：
（非直接交换作用）
稀土金属中对磁性有贡献的是4f电子，其半径仅约0.06-0.08nm。
相邻的电子云不可能重叠，外层还有5s和5p电子层对4f电子起屏蔽作用，它们不可能象3d金属那样存在直接交换作用。
Ruderman、Kittel、Kasuya、Yosida等人先后提出,并逐渐完善了间接交换作用理论，称为RKKY理论。
这一理论可以很好地解释稀土金属和稀土与金属间化合物的自发磁化。
RKKY理论的中心思想是，在稀土金属中f电子是局域化的，6s电子是巡游电子，f电子和s电子先发生交换作用，使6s电子极化。
而极化了的6s电子自旋使4f电子自旋与相邻原子的4f电子自旋间接地耦合起来，从而产生自发磁化，并使稀土金属原子磁矩排列出现多种螺磁性。
永磁材料——硬磁材料，是指施加外磁场磁化以后能长期保留其磁性的材料。
“硬”：
长期保留磁性的能力高
软磁材料：
矫顽力低、磁导率高的磁性材料
磁致电阻效应是指在一定磁场下电阻改变的现象。
磁性金属和合金一般都有磁电阻现象。
巨磁阻就是指在一定的磁场下电阻急剧减小，一般减小的幅度比通常磁性金属与合金材料的磁电阻数值约高10余倍。
磁致冷：
1）是给材料加磁场，使磁矩按磁场方向整齐排列（能量低）
2）撤去磁场，使磁矩的方向变得杂乱（能量高）
3）过程2）材料从周围吸收热量，通过热交换使周围环境的温度降低，达到致冷的目的。
单自旋金属材料的特性在于自旋向上与自旋向下的电子具有不同的导电特性。
只有自旋向上的电子能带是部分填满的，而自旋向下的电子能带则完全填满，并且与更高的能带间存在一个能隙（bandgap）.
自旋阀结构于1991年由计算机业巨擘IBM提出后，引起广范的研究与讨论。
典型的自旋阀结构主要是由二铁磁层中间夹入非铁磁层之三明治结构所构成，
光纤原理和基本结构：
光纤中光的传送就是利用光的全反射原理。
这时，光将在光纤的芯子中沿锯齿状路径曲折前进，不会穿出包层，完全避免了光在传输过程中的折射损耗。
基本结构:
光纤由纤芯、包层和护层组成。
光纤的材料：
高二氧化硅玻璃光纤、多组分玻璃光纤、塑料光纤。
纤芯材料的主体是二氧化硅或塑料，掺入极微量的其他材料如二氧化锗或五氧化二磷等，以便提高的折射率。
包层可以是单层或多层结构，总直径控制在100～200μm范围内。
包层材料一般为SiO2，有的掺入极微量的三氧化二硼或四氧化硅目的是为了降低其对光的折射率。
光纤的应用：
光纤图像传感器：
靠光纤束来实现图像传输的。
光纤束由光纤按阵列排列而成，一束一般由数万到几十万条直径为l0～20μm的光纤组成，每条光纤传送一个像素信息。
用传像束可以对图像进行传递、分解、合成和修正。
光纤通信：
能同时传送100亿路电话和1千万套电视节目。
它比普通金属导线传输线路的容量高出10亿倍。
同轴电缆通信，每1.5km就要设一个中继站，而目前光纤通信的中继站距离已超过10km，而且光缆具有抗电磁波干扰的本领，所以通信质量高，保密性好。
工业用内窥镜：
需要检查某些大型机器的内部结构，但这些系统不能打开或靠近观察，可将探头事先放入系统内部，通过光纤传像束的传输可以在系统外部观察。
该传感器主要由物镜、传像束、传光束、目镜或图像显示器组成。
光源发出的光通过传光束照射到待观测物体上，再由物镜对待观测物体成像，经传像束把待观测物体的各个像素传送到目镜或图像显示设备上，观察者便可对该图像进行分析处理。
医用内窥镜：
由末端的物镜、传像束、顶端的目镜和控制手柄组成。
照明光通过传像束外层光纤照射到被观察物体上，反射光通过传像束输出。
由于光纤柔软，自由度大、末端通过手柄控制能偏转，传输图像失真小，因此，它是检查和诊断人体内各部位疾病的重要仪器。
光子晶体：
光子晶体是一种人工晶体，它是由介电材料的周期排列而构成的，适合用于小体积的集成块在光子晶体中，介电常数在空间上的周期性将会形成光子带隙结构，出现“光子禁带”。
“光子禁带”是指一定的频率范围，该范围内的电磁波不能在结构中任何方向的传播。
光子禁带是光子晶体最重要的特征。
激光材料中的基质和激活剂
工作物质的各种物理化学性质主要由基质材料所决定；工作物质的光谱性质主要由激活离子所决定。
激活离子：
又称激活剂，决定工作物质的光谱特性。
固体激光工作物质中使用的激活剂有过渡金属离子、稀土金属离子和锕系离子三类。
基质材料：
简单氟化物晶体、复合氟化物晶体、简单氧化物晶体、复合氧化物晶体和其他晶体五类。
（简单氧化物晶体：
使用最早、数量最多、应用最广，其中具有实用价值的有红宝石、掺钕钇铝榴石、掺钕铝酸钇、掺铬铝酸铍等。
它们具有很好的物理化学性能，都能在室温下实现激光振荡）
红外材料：
红外透镜、红外窗口、红外棱镜、红外滤光片、红外头罩，等等，真正具有实用价值的红外光学材料并不多。
1）红外光学晶体：
碱卤化合物晶体、碱土-卤族化合物晶体、氧化物晶体、无机盐晶体以及半导体晶体，其中经常使用的约有二三十种。
2）红外光学玻璃：
各向同性、价格低、且易制成较大尺寸的均匀的红外透射元件，是目前最常用的一种红外光学材料。
红外光学玻璃按其基本组成，可分为氧化物玻璃、硫系玻璃、重金属氟化物玻璃等。
3）红外塑料：
价格低廉、不溶于水、耐酸碱腐蚀
有机玻璃：
透可见光与近红外，用作保护膜、窗口
聚乙烯：
在远红外有很高的透过率，是一种很有希望的远红外光学材料
高密度聚丙烯塑料：
在中红外波段有一定的透过率且质里比较坚硬，可用作窗口，既能保持系统真空，也能在系统充气时承受较大压力而不变形
聚四氟乙烯：
在远红外波段有很高的透过率，在材料很薄时，在近红外和中红外也有相当好的透过率，广泛地用作保护膜材料和远红外光学材料
聚烯烃塑料：
机械强度、硬度、耐腐蚀性、抗热冲击性都比较好，是一种有前途的远红外光学材料，用作窗口和透镜
（红外线按波长可分为三个光谱区：
近红外：
0.7-15m
中红外:
15-50m
远红外：
50-1000m）
功能转化材料
压电效应：
某些物质沿其一定的方向施加压力或拉力时，随着形变的产生，会在其某两个相对的表面产生符号相反的电荷（表面电荷的极性与拉、压有关），当外力去掉形变消失后，又重新回到不带电的状态，这种现象称为“正压电效应”：
机械能转变为电能；反之，在极化方向上（产生电荷的两个表面）施加电场，它又会产生机械形变，这种现象称为“逆压电效应”：
电能转变为机械能。
具有压电效应的物质称为压电材料。
根据几何结晶学，在32种点群中，只有20种不具有对称中心的晶族，有可能具有压电性。
压电材料：
压电晶体（-石英）绝大多数人工水晶是右旋晶体。
应用最广泛的压电陶瓷是钛酸钡系和锆钛酸铅系（PZT）陶瓷。
热释电效应：
热释电晶体是压电晶体中的一种，具有非中心对称的晶体结构。
自然状态下，在某个轴向方向上正负电荷中心不重合，从而晶体表面存在着一定量的极化电荷，称为自发极化，该轴称为极化轴。
温度恒定时，因晶体表面吸附有来自于周围空气中的异性电荷，而观察不到它的自发极化现象。
温度变化时，引起晶体的正负电荷中心发生位移，晶体表面的极化电荷则随之变化，而吸附电荷却跟不上它的变化，即显现出晶体的自发极化现象。
这一过程的平均作用时间为τ＝ε/σ，ε为介电系数，σ为电导率。
晶体中存在热释电效应的前题是具有自发极化，即在晶体结构的某些方向存在固有电矩。
热释电材料：
电气石、钛酸铅（PbTiO3
声光效应：
1）超声波（弹性波）使介质的折射率周期性地变化，形成折射率光栅，光栅常数即为超声波的波长，
2）光通过形成超声光栅的介质时将会产生折射和衍射，产生声光交互作用。
（由应力造成折射率变化是弹光效应。
）
声光材料：
大多数声光器件为可见光波段的器件，所用晶体主要是氧化物晶体，其中最重要的是钼酸铅（PbMoO4）和二氧化碲（TeO2）等晶体。
热电效应：
赛贝克（Seebeck）效应
两种不同金属的连线，若将连线的一结点置于高温状态T2（热端），而另一端处于开路且处于低温状态T1冷端，则在冷端存在开路电压ΔV，此种现象被称为塞贝尔效应，Seebeck电压ΔV与热冷两端的温度差ΔT成正比，即
由两种不同的金属构成的能产生温差热电势的装置称为热电偶。
合金热电材料：
碲化铋（Bi2Te3）、硒化铋（Bi2Se3）和碲化锑（Sb2Te3）
固体材料中的缺陷和扩散
二维缺陷的类型和特点：
固体材料的二维缺陷有：
表面、晶界、亚晶界、相界等。
外表面：
晶体表面结构与晶体内部不同，由于表面是原子排列的终止面，另一侧无固体中原子的键合，其配位数少于晶体内部，导致表面原子偏离正常位置，并影响了邻近的几层原子，造成点阵畸变，使其能量高于体内。
由于表面能来源于形成表面时，破坏的结合键，不同的晶面为外表面时，所破坏的结合键数目不等，故表面能具有各向异性。
一般外表面通常是表面能低的密排面。
外表面会吸附外来杂质:
晶界：
晶粒之间的交界面称为晶粒间界，可以看作是一种晶体缺陷，晶粒间
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