chap2_part2-superconducting+materials-2014

1、第二章第二章 超導材料超導材料超導體按其磁化特性可分成兩類：超導體按其磁化特性可分成兩類：1）第第I類超導體只有一個臨界磁場類超導體只有一個臨界磁場Hc。在超導態(tài)在超導態(tài), 磁化行為滿足磁化行為滿足MH-1，具有邁斯納效應。，具有邁斯納效應。2）第第類超導體有兩個臨界磁場類超導體有兩個臨界磁場，即下臨界磁場，即下臨界磁場Hc1和上臨界和上臨界磁場磁場Hc2（ Hc1 0 , 屬于第屬于第1類超導體。類超導體。表明界面出現會導致體系能量上升，因此將不會出現超導態(tài)與表明界面出現會導致體系能量上升，因此將不會出現超導態(tài)與正常態(tài)共存的混合態(tài)。正常態(tài)共存的混合態(tài)。這類超導體從超導態(tài)向正常態(tài)過渡時不經過混

2、合態(tài)，被稱作第這類超導體從超導態(tài)向正常態(tài)過渡時不經過混合態(tài)，被稱作第1類超導體。類超導體。2） 界面能界面能 0, 屬于第屬于第2類超導體。類超導體。表明超導態(tài)表明超導態(tài)-正常態(tài)界面的出現對降低體系的能量有利，體系中正常態(tài)界面的出現對降低體系的能量有利，體系中將出現混合態(tài)，這類超導體被稱作第將出現混合態(tài)，這類超導體被稱作第2類超導體。類超導體。第第I I類超導體主要包括類超導體主要包括一些在常溫下具有良好一些在常溫下具有良好導電性的純金屬導電性的純金屬，如鋁、，如鋁、鋅、鎵、鎘、錫、銦等，鋅、鎵、鎘、錫、銦等，該類超導體的溶點較低、該類超導體的溶點較低、質地較軟，亦被稱作質地較軟，亦被稱作“軟

3、超導體軟超導體”。第第I I類超導體類超導體其特征是：由正常態(tài)過渡到超導態(tài)時沒有中間態(tài)，其特征是：由正常態(tài)過渡到超導態(tài)時沒有中間態(tài)，并且具有完全抗磁性。并且具有完全抗磁性。第第I I類超導體由于其臨界電流密度和臨界磁場較低，類超導體由于其臨界電流密度和臨界磁場較低，因而沒有很好的實用價值。因而沒有很好的實用價值。第第IIII類超導體主要包括類超導體主要包括金屬金屬元素釩、锝和鈮，元素釩、锝和鈮，金屬化合金屬化合物、合金和高溫超導體。物、合金和高溫超導體。 第第IIII類超導體類超導體 1) 第第IIII類超導體由正常態(tài)轉變?yōu)槌瑢B(tài)時有一個中間態(tài)類超導體由正常態(tài)轉變?yōu)槌瑢B(tài)時有一個中間態(tài)（混合態(tài)

4、）；（混合態(tài)）； 2) 第第IIII類超導體的混合態(tài)中有磁通線存在，而第類超導體的混合態(tài)中有磁通線存在，而第I I類超導類超導體沒有；體沒有； 3) 第第IIII類超導體比第類超導體比第I I類超導體有更高的臨界磁場、更大類超導體有更高的臨界磁場、更大的的 臨界電流密度和更高的臨界溫度。臨界電流密度和更高的臨界溫度。 第第II類超導體和第類超導體和第I類超導體類超導體的區(qū)別主要在于：的區(qū)別主要在于： 第第IIII類超導體根據是否存類超導體根據是否存在磁通釘扎中心而分為：在磁通釘扎中心而分為：理想第理想第IIII類超導體類超導體非理想第非理想第IIII類超導體類超導體 理想第理想第IIII類超導

5、體的晶體結構比較完整，不存在磁通釘扎中心，類超導體的晶體結構比較完整，不存在磁通釘扎中心，并且當磁通線均勻排列時，在磁通線周圍的渦旋電流將彼此抵并且當磁通線均勻排列時，在磁通線周圍的渦旋電流將彼此抵消，其體內無電流通過，從而不具有高臨界電流密度。消，其體內無電流通過，從而不具有高臨界電流密度。非理想第非理想第IIII類超導體的晶體結構存在缺陷，并且存在磁通釘扎類超導體的晶體結構存在缺陷，并且存在磁通釘扎中心，其體內的磁通線排列不均勻，體內各處的渦旋電流不能中心，其體內的磁通線排列不均勻，體內各處的渦旋電流不能完全抵消，出現體內電流，從而具有高臨界電流密度，適合于完全抵消，出現體內電流，從而具有

6、高臨界電流密度，適合于實際應用。實際應用。 第第IIII類超導體的分類類超導體的分類 第第2類超導體內磁通線的實驗觀察類超導體內磁通線的實驗觀察用用Pb+6.3In合金柱，在溫度合金柱，在溫度1.2K，外加平行于樣品軸向的磁，外加平行于樣品軸向的磁場，將細鐵磁粒子散在樣品端部場，將細鐵磁粒子散在樣品端部的平面上，顯然鐵磁粒子只能集的平面上，顯然鐵磁粒子只能集中于磁場穿透的地方，超導體的中于磁場穿透的地方，超導體的完全抗磁效應排出磁鐵粒子，因完全抗磁效應排出磁鐵粒子，因此照片上的黑區(qū)是鐵磁的集聚處，此照片上的黑區(qū)是鐵磁的集聚處，也就是穿透到超導體內磁場的出也就是穿透到超導體內磁場的出口。照片給出

7、了十分清晰的三角口。照片給出了十分清晰的三角形點陣。形點陣。Essmann采用采用Bitter圖案技術得到材料中的渦旋線結構圖案技術得到材料中的渦旋線結構每個磁通線只有一個正常的芯，芯的半徑為相干長度每個磁通線只有一個正常的芯，芯的半徑為相干長度，磁通，磁通量子由環(huán)流的超導電流所維持，這個超導電流在距芯為量子由環(huán)流的超導電流所維持，這個超導電流在距芯為的半的半徑上衰減。徑上衰減。如果在單位面積中有如果在單位面積中有N個量子磁通線，則超導體的個量子磁通線，則超導體的磁感應強度為磁感應強度為BN0，相鄰兩個磁通線之間的距離為，相鄰兩個磁通線之間的距離為: 磁通線的間距磁通線的間距d與與H1/2成反

8、比。成反比。隨著隨著外磁場外磁場H的增加，磁通線間距的增加，磁通線間距d縮短?？s短。當當外磁場增加時，每個圓柱形的正外磁場增加時，每個圓柱形的正常區(qū)并不擴大，而是增加正常區(qū)的常區(qū)并不擴大，而是增加正常區(qū)的數目。數目。當外磁場達到上臨界磁場當外磁場達到上臨界磁場Hc2時，相鄰的正常區(qū)圓柱體彼此接觸，時，相鄰的正常區(qū)圓柱體彼此接觸，超導區(qū)消失，整個材料變成正常態(tài)。超導區(qū)消失，整個材料變成正常態(tài)。單根磁通線結構單根磁通線結構每根磁通線都是一樣的，磁通量子。每根磁通線都是一樣的，磁通量子。超超 導導 材材 料料元素超導體元素超導體合金超導體合金超導體非常規(guī)超導體：非常規(guī)超導體：高溫氧化物超導體高溫氧化

9、物超導體不含銅氧面的超導體、不含銅氧面的超導體、 MgB2、新型超導體新型超導體元素超導體元素超導體元素超導體元素超導體在常壓下具有超導電性的元素金屬有在常壓下具有超導電性的元素金屬有3232種。種。在高壓下具有超導電性的元素金屬有在高壓下具有超導電性的元素金屬有1414種。種。有些元素在經過特殊工藝處理有些元素在經過特殊工藝處理( (如制備成薄膜，電如制備成薄膜，電磁波輻照、離子注入等磁波輻照、離子注入等) )后顯示出超導電性。后顯示出超導電性。NbNb的的TcTc最高最高(9.2K)(9.2K)，與一些合金超導體相接近，而，與一些合金超導體相接近，而制備工藝要簡單得多。制備工藝要簡單得多。

10、NbNb膜的膜的TcTc對氧雜質十分敏感，對氧雜質十分敏感，因而在超高真空因而在超高真空( (氧分壓氧分壓1010-6-6Pa)Pa)條件下，才能制條件下，才能制備優(yōu)良的備優(yōu)良的NbNb薄膜。薄膜。 u具有超導電性的合金及化合物多達幾千種，但能用的不多。具有超導電性的合金及化合物多達幾千種，但能用的不多。uA-15超導體，是超導體，是20世紀世紀50年代年代Matthias首次發(fā)現的。在首次發(fā)現的。在1986年以前發(fā)現的超導體中，這類化合物中的年以前發(fā)現的超導體中，這類化合物中的Tc居于領先地位。它居于領先地位。它們之中臨界溫度最高的是們之中臨界溫度最高的是Nb3Ge薄膜，為薄膜，為23.2K

11、。uc-15超導體的臨界溫度超導體的臨界溫度10K, 但上臨界場較高，在力學性質但上臨界場較高，在力學性質上優(yōu)于上優(yōu)于Nb3Sn，易于加工成型，中子輻照對它的超導電性影響，易于加工成型，中子輻照對它的超導電性影響較小，因而是較小，因而是目前受控熱核反應用高場超導磁體的理想材料目前受控熱核反應用高場超導磁體的理想材料。超導合金超導合金 其它新型超導體其它新型超導體 C C6060：有較大的發(fā)展?jié)摿?，由于它彈性較大，比質地脆硬的氧化物：有較大的發(fā)展?jié)摿?，由于它彈性較大，比質地脆硬的氧化物陶瓷易于加工成型，而且它的陶瓷易于加工成型，而且它的臨界電流、臨界磁場和相干長度均較臨界電流、臨界磁場和相干長度

12、均較大大，這些特點使，這些特點使C60C60超導體更有望實用化。超導體更有望實用化。 C60C60被譽為被譽為2121世紀新材料世紀新材料的的”明星明星”，這種材料已展現了機械、光、電、磁、化學等多方面這種材料已展現了機械、光、電、磁、化學等多方面的新奇特性和應用前景。的新奇特性和應用前景。有人預言巨型有人預言巨型C240C240、C540C540合成如能實現，合成如能實現，還可能成為室溫超導體。還可能成為室溫超導體。 MgBMgB2 2：二硼化鎂（二硼化鎂（MgBMgB2 2），其超導轉變溫度達），其超導轉變溫度達39K39K。二硼化。二硼化鎂的發(fā)現為研究新一類鎂的發(fā)現為研究新一類具有簡單組

13、成和結構具有簡單組成和結構的高溫超導體找的高溫超導體找到新途徑。到新途徑。易合成和加工易合成和加工，容易制成薄膜或線材。可應用于，容易制成薄膜或線材?？蓱糜陔娏鬏敗⒊夒娮佑嬎銠C器件以及電力傳輸、超級電子計算機器件以及CTCT掃描成像儀等方面。掃描成像儀等方面。二硼化鎂的發(fā)現使世界凝聚態(tài)物理學界為之興奮。二硼化鎂的發(fā)現使世界凝聚態(tài)物理學界為之興奮。非常規(guī)超導體非常規(guī)超導體豐富多彩的超導材料豐富多彩的超導材料變幻莫測的物理性質變幻莫測的物理性質謎般的吸引力謎般的吸引力非常規(guī)超導體的特征非常規(guī)超導體的特征u可能存在非可能存在非s波超導電子配對波超導電子配對u能隙各向異性能隙各向異性u在低溫下一

14、些物理性質遵從在低溫下一些物理性質遵從power lawu超導和磁性共存超導和磁性共存 氧化物超導體（氧化物超導體（3d, 4d3d, 4d電子）電子） 重費米子超導體（重費米子超導體（4f, 5f電子）電子）磁性超導體磁性超導體有機超導體有機超導體 La系系Y系系Bi系系Hg系系氧化物高溫超導體氧化物高溫超導體小資料：鈣鈦礦型結構小資料：鈣鈦礦型結構(CaTiO3) 大量高大量高Tc氧化物超導體具有鈣鈦礦或由鈣鈦礦型結構畸變氧化物超導體具有鈣鈦礦或由鈣鈦礦型結構畸變衍生而成的結構。衍生而成的結構。 鈣鈦礦型結構的分子式為鈣鈦礦型結構的分子式為ABX3，其中，其中A與與B分別為離子半分別為離子

15、半徑大與小的陽離子，徑大與小的陽離子，X為陰離子，一般為元素周期表中第六族為陰離子，一般為元素周期表中第六族或第七族元素?；虻谄咦逶亍?在鈣鈦礦結構中，在鈣鈦礦結構中，可以看成是可以看成是BX6八面八面體共頂聯結，沿三維空體共頂聯結，沿三維空間延伸，離子半徑大的間延伸，離子半徑大的陽離子陽離子A填隙在由陰離填隙在由陰離子子X所組成的立方八面所組成的立方八面體間隙中。體間隙中。CaOTiY 系Hg 系La 系高溫超導體結構特征高溫超導體結構特征YBaOCuCuOLaCu在中心，旁邊是氧Cu-O鏈明顯的層狀結構、較短的超導相干長度、較強的各向異性以明顯的層狀結構、較短的超導相干長度、較強的各向異

16、性以及及Tc對載流子濃度強依賴關系。對載流子濃度強依賴關系。具有層狀的類具有層狀的類鈣鈦礦型鈣鈦礦型結構組元。結構組元。整體結構分別由整體結構分別由導電層和載流子庫層導電層和載流子庫層組成。組成。導電層是指分別由導電層是指分別由Cu-O6八面體、八面體、Cu-O5四方錐和四方錐和Cu-O4平面平面四邊形構成的銅氧層。這種結構組元是高溫氧化物超導體所共四邊形構成的銅氧層。這種結構組元是高溫氧化物超導體所共有的，也是對超導電性至關重要的結構特征，它決定了氧化物有的，也是對超導電性至關重要的結構特征，它決定了氧化物超導體在結構上和物理特性上的二維特點。超導主要發(fā)生在導超導體在結構上和物理特性上的二維

17、特點。超導主要發(fā)生在導電層電層(銅氧層銅氧層)上。上。其他層狀結構組元構成了高溫超導體的載流子庫層其他層狀結構組元構成了高溫超導體的載流子庫層，其作用其作用是調節(jié)銅氧層的載流子濃度或提供超導電性所必需的耦合機制。是調節(jié)銅氧層的載流子濃度或提供超導電性所必需的耦合機制。氧化物超導體的特點氧化物超導體的特點 相干長度很短是所有高溫超導體的本征特性，相干長度很短是所有高溫超導體的本征特性，所以不均勻所以不均勻性也是高溫超導體的本征特性。性也是高溫超導體的本征特性。高溫超導體的性質由載流子濃度決定。高溫超導體的性質由載流子濃度決定。例：例：La2CuO4，其母體是反鐵磁絕緣體。摻入很少量的，其母體是反

18、鐵磁絕緣體。摻入很少量的Sr后后變?yōu)樽孕ＡB(tài)。進一步的摻雜將變?yōu)槌瑢w。變?yōu)樽孕ＡB(tài)。進一步的摻雜將變?yōu)槌瑢w。存在一個最存在一個最佳的載流子濃度，使臨界溫度達到極大值佳的載流子濃度，使臨界溫度達到極大值。過量摻雜將使該。過量摻雜將使該體系變?yōu)檎＝饘?。體系變?yōu)檎＝饘佟Ｑ趸锍瑢w的特點氧化物超導體的特點TxAFSC自旋玻璃自旋玻璃正常金屬正常金屬導電層導電層載流子庫層載流子庫層層狀結構層狀結構 準二維的特點準二維的特點高溫超導體：層狀結構高溫超導體：層狀結構導電層和載流子庫層導電層和載流子庫層銅氧面的特點銅氧面的特點OxygenCopper反鐵磁反鐵磁強關聯強關聯Cu原子的外層電子原子

19、的外層電子為為3d104s1，銅氧化物，銅氧化物中的中的Cu2 +離子具有離子具有3d9的電子構型，即，的電子構型，即，3d殼層有一個殼層有一個dx2-y2軌軌道的空穴，帶有道的空穴，帶有1/2的自旋。的自旋。氧化物超導體中的磁有序氧化物超導體中的磁有序 在在Cu-O面內，最近鄰的面內，最近鄰的Cu2+格點之間存在強的反格點之間存在強的反鐵磁超交換作用，交換能鐵磁超交換作用，交換能J為為10-130meV，因而，因而Cu2+離離子組成二維平方格子的自旋為子組成二維平方格子的自旋為1/2的海森堡系統(tǒng)。的海森堡系統(tǒng)。 CuO2平面之間有很弱的層間耦合，雖然其交換能平面之間有很弱的層間耦合，雖然其交

20、換能J比比J要小要小5個量級，但導致了三維長程反鐵磁序。個量級，但導致了三維長程反鐵磁序。在高溫超導材料中，在高溫超導材料中，表現強關聯特性的磁有序及表現強關聯特性的磁有序及自旋漲落自旋漲落是高溫超導體區(qū)別于常規(guī)超導體的最重是高溫超導體區(qū)別于常規(guī)超導體的最重要的特點之一。要的特點之一。La(Sr)-Cu-OLa-OCu-OLa-O La-OCu-OLa-OLa(Sr)-Cu-O (2-1-4相相)超導體超導體具有具有K2NiF4結構的結構的La2-xMxCuO4 (MSr，Ba)是由是由La2CuO4摻雜得摻雜得到的。晶體結構屬四方晶系，晶格到的。晶體結構屬四方晶系，晶格常數常數a = 0.3

21、8nm 和和c1.32 nm。純的純的La2CuO4是不超導是不超導的，當氧過量或部分的，當氧過量或部分La3+離子被二價的離子被二價的Sr2+和和Ba2+所替代時才顯示所替代時才顯示出超導性質，超導轉變出超導性質，超導轉變溫度在溫度在20-40K之間，取之間，取決于摻雜元素決于摻雜元素M和摻雜和摻雜濃度濃度x。La1.85 Sr0.15Cu1-xNix O4的電阻的電阻Hall系數系數Y-Ba-Cu-OY-Ba-Cu-O的結構示意圖的結構示意圖Y-Ba-Cu-O 超導體超導體* 畸變的銅氧面畸變的銅氧面*不等價的氧占位不等價的氧占位* 存在一維的銅氧鏈存在一維的銅氧鏈在在Y-Ba-Cu-O中

22、，中，Y一般用稀土元素來替換后，仍保持一般用稀土元素來替換后，仍保持Y-123結結構，而且對構，而且對Tc影響不大。但用影響不大。但用Ce和和Pr置換后，由于導致了載流置換后，由于導致了載流子的局域化，使其喪失了超導電性。在子的局域化，使其喪失了超導電性。在Y-123化合物中用過渡族化合物中用過渡族元素元素Fe、Ni、Co和和Zn以及以及Ga、Al、Mg等置換部分等置換部分Cu后，導致后，導致Tc不同程度的下降。不同程度的下降。YBa2Cu3O7- = 0正交正交 = 1四方四方Cu-OBa-OCu-O YCu-OBa-OCu-O線性電阻線性電阻電阻率各向異性電阻率各向異性隨成分而改變隨成分而

23、改變PrPr摻雜導致超導摻雜導致超導電性的喪失電性的喪失Bi-Sr-Ca-Cu-OBi-Sr-Ca-Cu-O 超導體超導體uBi系超導相平均晶體結構為四方晶系，體心點陣系超導相平均晶體結構為四方晶系，體心點陣uBi系四個超導相的晶胞參數系四個超導相的晶胞參數a, b相近，相近，c分別為分別為2.46 nm、3.08 nm、3.70 nm和和4.40 nmu隨著隨著c的增加，的增加，Tc也增加也增加u結構特點：結構特點：Cu-O層被層被Bi2O2雙層隔開。不同相的結構差異在雙層隔開。不同相的結構差異在于相互靠近的于相互靠近的Cu-O層的數目和層的數目和Cu-O層之間層之間Ca層的數目層的數目*

24、結構上的相似性，使得不可避免地有多相共生的現象結構上的相似性，使得不可避免地有多相共生的現象通式：通式：Bi2Sr2Can-1CunO2n+4, n 1, 2, 3, 42201相相 (7-22K）2212相（相（85K）2223相（相（110K）2234相（不穩(wěn)定相）相（不穩(wěn)定相）Bi-Sr-Ca-Cu-O 超導體超導體220122122223Bi-OSr-OCu-OSr-OBi-O一層銅氧面一層銅氧面Bi-OSr-OCu-O CaCu-OSr-OBi-O兩層銅氧面兩層銅氧面Bi-OSr-OCu-O CaCu-O CaCu-OSr-OBi-O三層銅氧面三層銅氧面BSCCO的的電子顯微鏡電子顯

25、微鏡高分辨圖高分辨圖BSCCO界里面的界里面的STM圖圖Bi-Sr-Ca-Cu-O 超導體超導體220122122223Bi-Sr-Ca-Cu-O 超導體超導體220122122223Bi-OSr-OCu-OSr-OBi-O一層銅氧面一層銅氧面Bi-OSr-OCu-O CaCu-OSr-OBi-O兩層銅氧面兩層銅氧面Bi-OSr-OCu-O CaCu-O CaCu-OSr-OBi-O三層銅氧面三層銅氧面7-22 K85 K110 K無限層銅氧無限層銅氧面會如何？面會如何？Bi (Tl)系通式：系通式： A2B2Can-1CunO2n+y A (Bi或或Tl） B(Sr或或 Ba) 若無限增加銅

26、氧層的數目，即令若無限增加銅氧層的數目，即令 n ，這時在通式中的，這時在通式中的A和和B將被忽略，得到的將被忽略，得到的Ca:Cu:O = 1:1:2。根據這樣的思路，通過探索合成工藝有可能得到具有無限多銅根據這樣的思路，通過探索合成工藝有可能得到具有無限多銅氧層的超導體，如氧層的超導體，如CaCuO2、SrCuO2、BaCuO2等等 即即“全銅氧全銅氧層層”或或“無限銅氧層無限銅氧層”結構。結構。其特征：由很多其特征：由很多Cu-O層和層和Ca層堆垛而成的。層堆垛而成的。Ca層是最簡單的層是最簡單的載流子庫層，超導所需的載流子是通過載流子庫層，超導所需的載流子是通過Ca層的調整來實現的。層

27、的調整來實現的。這種材料的制備是在非?？量痰母邷睾透哐鯄旱臈l件下完成。這種材料的制備是在非常苛刻的高溫和高氧壓的條件下完成。利用陽離子占位不完全來調整載流子濃度，是一種提高無限層利用陽離子占位不完全來調整載流子濃度，是一種提高無限層超導體超導體Tc的有效方法。利用這種方法得到的的有效方法。利用這種方法得到的Ca1-xSrCuO2的超的超導轉變溫度已達導轉變溫度已達110K。無限層超導體無限層超導體不含銅氧面的氧化物超導體不含銅氧面的氧化物超導體Top-down view of a single CoO2 layer found in the new cobalt oxide supercond

28、uctor Water Activates Compounds Superconductivity vhexagonal lattice of cobalt (blue) and oxygen (red) atoms Provide insight into the relationship between dimensionality and superconductivity. vClosed packed layers of edge-sharing CoO2 octahedra perpendicular to the c-axis. cobalt oxide to become a

29、superconductorNa0.35CoO2.1+3H2O* is a superconductor with a Tc5k*Nature 422,53-55 (2003)This compound consists of two-dimensional CoO2 layers separated by a thick insulating layer of Na+ ions and H2O molecules.Superconductivity turns on between CoO2 layers spacing of 9.8 . 5 . 6 2 Co O2Co O2Co O2Na+

30、Na+6 . 9 9 . 8 NaCo2O4水的作用？水的作用？改變改變Co-O層間距？層間距？提供耦合？其它？提供耦合？其它？不超導不超導9.8埃Inserting atoms between Octahedra Bi2CanCo1.7O5.4+n n = 1, 2, 3 Number of CaO layers. Result: n=2 only formed. Bi，CaNa 以增加以增加Co-O層層間間距。間間距。The quest for the new superconductor摻摻Pb 以調節(jié)以調節(jié)Co-O層間間距層間間距Result:Result:An insulator (

31、600 )NO superconductorPerception of using Lead OxideConclusionThis work showed a study of the influence of Lead oxide and Calcium oxide between CoO2 layers.Our results show that Lead oxide goes inside the CoO2 octahedra layers and doesnt make a superconductor.Silver have been tried. But they didnt g

32、o inside the layers and theres no superconductor.There are no known NiO compounds with the same crystal structures as Bi 2(Sr,Ca)2 Co2 O8 . Nickel would have much different electron count.鐵基超導材料鐵基超導材料（是否和銅氧化物超導體具有相同或相似（是否和銅氧化物超導體具有相同或相似的超導機制？）的超導機制？）繼銅基超導材料之后，日本和中國科學家最近相繼繼銅基超導材料之后，日本和中國科學家最近相繼報告發(fā)現了一

33、類新的高溫超導材料報告發(fā)現了一類新的高溫超導材料鐵基超導材鐵基超導材料。料。2008年年2月，日本首先報導了氟摻雜鑭氧鐵砷化合月，日本首先報導了氟摻雜鑭氧鐵砷化合物，其物，其Tc為為26K。(LaFeAsO1-xFx)2008年年3月月25日，中國科大報導了氟摻雜釤氧鐵砷日，中國科大報導了氟摻雜釤氧鐵砷化合物的化合物的Tc為為43K。3月月28日，物理所報導了氟摻雜日，物理所報導了氟摻雜鐠氧鐵砷化合物的鐠氧鐵砷化合物的Tc為為52K。4月月13日物理所該科研日物理所該科研小組又有新發(fā)現：氟摻雜釤氧鐵砷化合物在壓力下小組又有新發(fā)現：氟摻雜釤氧鐵砷化合物在壓力下其其Tc進一步提升至進一步提升至55

34、K。(SmFeAsO1-xFx)物理學界認為這是高溫超導研究領域的一個物理學界認為這是高溫超導研究領域的一個“重大重大進展進展”。Tokyo Institute of Technology的的Hideo Hosono發(fā)現了第一個鐵基高溫超導材料。發(fā)現了第一個鐵基高溫超導材料。在溫度為在溫度為26K時，材料的電阻消失了。（時，材料的電阻消失了。（J.Am.Chem.Soc.130 3296） 這種晶體材這種晶體材料叫做鑭鐵砷氧（料叫做鑭鐵砷氧（LaOFeAs），由鐵層和砷層中夾有鑭層和氧層組成，同時還摻有），由鐵層和砷層中夾有鑭層和氧層組成，同時還摻有氟離子。氟離子。 對于銅基超導材料的高溫超導

35、機制，物理學界仍未對于銅基超導材料的高溫超導機制，物理學界仍未形成一致看法，這也使得高溫超導成為當今凝聚態(tài)形成一致看法，這也使得高溫超導成為當今凝聚態(tài)物理學中最大的謎團之一。因此很多科學家都希望物理學中最大的謎團之一。因此很多科學家都希望在銅基超導材料以外再找到新的高溫超導材料，從在銅基超導材料以外再找到新的高溫超導材料，從而能夠使高溫超導機制更加明朗。而能夠使高溫超導機制更加明朗。中日科學家新發(fā)現的這一系列鐵基超導材料都具有中日科學家新發(fā)現的這一系列鐵基超導材料都具有相同的晶體結構，它們在有些方面與銅基超導材料相同的晶體結構，它們在有些方面與銅基超導材料驚人地相似。但是計算表明，這些鐵基超導

36、材料的驚人地相似。但是計算表明，這些鐵基超導材料的晶格振動提供的電子對結合力量，不足以使材料超晶格振動提供的電子對結合力量，不足以使材料超導臨界溫度達到如此高的水平。導臨界溫度達到如此高的水平。 擺在物理學家面前的一個新問題是，擺在物理學家面前的一個新問題是，新老兩類材料新老兩類材料的高溫超導機制是否一樣？的高溫超導機制是否一樣？諾貝爾獎獲得者、美國普林斯頓大學理論物理學家諾貝爾獎獲得者、美國普林斯頓大學理論物理學家菲利普菲利普安德森說，假如不一樣，那就意味著新材安德森說，假如不一樣，那就意味著新材料的發(fā)現比預想的要重要得多，也許能從中發(fā)現全料的發(fā)現比預想的要重要得多，也許能從中發(fā)現全新的超導

37、機制。新的超導機制。聞海虎研究員認為，新的鐵基超導材料有可能會為聞?；⒀芯繂T認為，新的鐵基超導材料有可能會為探究高溫超導機制提供一個更清晰的體系，在此基探究高溫超導機制提供一個更清晰的體系，在此基礎上，銅基超導材料的高溫超導機制礎上，銅基超導材料的高溫超導機制“可能會一下可能會一下子變清晰子變清晰”。也有科學家持有異議。美國斯坦福大學科學家史蒂也有科學家持有異議。美國斯坦福大學科學家史蒂夫夫基沃爾森就認為，兩類材料都是成面結構，都基沃爾森就認為，兩類材料都是成面結構，都是從導電性能很差的材料轉化而來，而且都表現出是從導電性能很差的材料轉化而來，而且都表現出一種名為一種名為“反鐵磁性反鐵磁性”的

38、磁特性。他說：的磁特性。他說：“兩者具兩者具有足夠的相似性，因此可以假設，它們是本質相同有足夠的相似性，因此可以假設，它們是本質相同的高溫超導材料。的高溫超導材料?！?” 不過，科學家們都認同一點，那就是新的鐵基超導不過，科學家們都認同一點，那就是新的鐵基超導材料將激發(fā)物理學界新一輪的高溫超導研究熱。材料將激發(fā)物理學界新一輪的高溫超導研究熱。鐵基超導體的一個主要特征是鐵基超導體的一個主要特征是存在磁性與超導電性存在磁性與超導電性的競爭，當長程磁有序被一定程度抑制之后，出現的競爭，當長程磁有序被一定程度抑制之后，出現超導電性超導電性。普遍認為，超導電性與磁性漲落密切相。普遍認為，超導電性與磁性漲

39、落密切相關，但對于磁有序的起源卻有不同認識。鐵基超導關，但對于磁有序的起源卻有不同認識。鐵基超導體母體的磁性最先被認為是由費米面疊套體母體的磁性最先被認為是由費米面疊套(nesting)(nesting)驅動的自旋密度波有序態(tài)，但很快出現另外一種觀驅動的自旋密度波有序態(tài)，但很快出現另外一種觀點，即認為磁有序可能來自于局域自旋的反鐵磁超點，即認為磁有序可能來自于局域自旋的反鐵磁超交換相互作用。兩種圖像到底哪一個更合適，成為交換相互作用。兩種圖像到底哪一個更合適，成為鐵基超導研究領域有爭議的一個主要議題，也涉及鐵基超導研究領域有爭議的一個主要議題，也涉及到認識鐵基超導電性的出發(fā)點。到認識鐵基超導電

40、性的出發(fā)點。 2022-3-4o Superconducting Gap in FeAs Zlatko Tesanovic, Johns Hopkins University E-mail: Web: /zbtV. Cvetkovic and ZT, arXiv/0804.4678 T. Y. Chen et al., Nature 453, 1224 (2008) Coastline of the Fermi SeaFermi sea+- Fermi sea+- - Fermi seaNew REOFeAs SCTc 5

41、5K?What can tell us about superconducting state ? Standard BCS theory works well in materials like Nb, Sn or Hg. In Pb and more complex systems (Va3Sn)one needs “strong coupling” theory (2/Tc 4-6 )Cooper pair size= coherence length electronsvirtualphonons61Gap value from Andreev peaks2 13.4 meV2 /kB

42、TC = 3.68 (BCS) Experimental setupGold tip in contact with FeAs SCMIS結結I-V曲線的解釋曲線的解釋* MIS結中的隧道效應結中的隧道效應(3)外加電壓外加電壓V = FF)(N超導體超導體金屬金屬e電子不僅可以從左邊隧穿到右邊，而且由于右邊的電子不僅可以從左邊隧穿到右邊，而且由于右邊的態(tài)密度很大，所以電流急劇上升。態(tài)密度很大，所以電流急劇上升。What can tell us about superconducting state ? Our results for FeAs are inconsistentwith eit

43、her of these features常規(guī)超導體和銅氧化物超導體超導能隙隨溫度的變化。 in FeAs superconductors IT. Y. Chen et al., Nature 453, 1224 (2008) Conclusions: Nodeless superconducting gap and no pseudogap behavior. Very different from high temperature cuprate superconductors !At 4.52 KBCS-like gap2 /kBTC = 3.68 closer to 3.53 (BCS

44、 s-wave)than 4.28 (BCS d-wave)2 = 13.34 0.3 meVTC = 42 K磁性超導體磁性超導體超導和磁有序共存和相互競爭超導和磁有序共存和相互競爭超導再入現象（超導再入現象（1977年發(fā)現）年發(fā)現）超導和磁有序超導和磁有序共存共存Chevrel相超導體相超導體兩類：兩類：HoMo6S8 ErRh4B4超導超導磁有序磁有序大多數情況大多數情況TNTC 個別例外個別例外正常態(tài)超導態(tài)正常態(tài)超導態(tài)正常態(tài)超導態(tài)正常態(tài)超導態(tài)磁化率測量結果磁化率測量結果正常態(tài)超導態(tài)正常態(tài)超導態(tài)正常態(tài)超導態(tài)正常態(tài)超導態(tài)電阻測量結果電阻測量結果磁場抑制超導磁場抑制超導再入現象再入現象不摻不

45、摻Co的樣品的樣品零場下零場下無超導再入現象無超導再入現象摻雜與加場摻雜與加場有同樣效果有同樣效果YNi2B2C比熱隨著磁場的方向而振蕩比熱隨著磁場的方向而振蕩 （磁場方向在（磁場方向在ab面內）面內）重費米子超導體重費米子超導體德拜溫度高，但超導轉變溫度卻很低德拜溫度高，但超導轉變溫度卻很低u樣品的電子有效質量非常高，高達自由電子質量的樣品的電子有效質量非常高，高達自由電子質量的10001000倍。這種具有極高有效質量的電子稱為重費米子倍。這種具有極高有效質量的電子稱為重費米子u材料的電子比熱非常高，相當于普通過渡金屬比熱材料的電子比熱非常高，相當于普通過渡金屬比熱數值的數值的100100倍

46、倍u電子來源于極窄的導帶，而極窄的導帶意味著在動電子來源于極窄的導帶，而極窄的導帶意味著在動量空間中極大的電子態(tài)密度和很高的有效質量量空間中極大的電子態(tài)密度和很高的有效質量u有極高的上臨界場有極高的上臨界場重費米子超導體重費米子超導體幾類常見的重電子超導體幾類常見的重電子超導體uCeMIn5 (M = Co, Ir銥銥, Rh銠銠)uCeM2X2 (M = Cu, Ni, Ru釕釕, Rh, Pd鈀鈀, Au X = Si, Ge)uUPt3, UBe13，UGe2, UPd2Al3CenMmIn3n+2m的結構的結構由由CeIn3層和層和MIn2層組成層組成 準二維準二維CeCoIn5的比熱

47、和上臨界磁場的比熱和上臨界磁場20012001年年發(fā)現超導發(fā)現超導 Tc = 2.3K 非常規(guī)超導體非常規(guī)超導體CeCoIn5的比熱隨磁場變化行為的比熱隨磁場變化行為超導態(tài)超導態(tài)CeCoIn5的各向異性熱導的各向異性熱導超導能隙是四重對稱超導能隙是四重對稱CeRhIn5在在17kBar以上的壓力下超導以上的壓力下超導超導和反鐵磁超導和反鐵磁沒有共存區(qū)沒有共存區(qū)CeRhIn5相圖相圖超導電性出現超導電性出現超導和反鐵磁競超導和反鐵磁競爭：壓力抑制反爭：壓力抑制反鐵磁有序，誘導鐵磁有序，誘導超導電性超導電性過渡還是共存？過渡還是共存？CeMIn5小結小結：1，結構由，結構由CeIn3和和 MIn2

48、組成，準二維組成，準二維2， C(Tc)/ T = 5, 而而BCS值為值為1.43，非常規(guī)超導，非常規(guī)超導3，能隙各向異性，四重對稱，能隙各向異性，四重對稱4，磁場抑制超導，壓力誘導超導，磁場和壓力均，磁場抑制超導，壓力誘導超導，磁場和壓力均 可改變基態(tài)性質可改變基態(tài)性質UPt3的結構和的結構和反鐵磁有序反鐵磁有序TN=5.8KUPt3單晶的電阻單晶的電阻各向異性各向異性UPt3比熱曲線的雙峰結構比熱曲線的雙峰結構雙能隙和雙超導轉變溫度雙能隙和雙超導轉變溫度UPt3的的B-T相圖相圖三個超導相三個超導相UPt3在超導態(tài)的熱導各向異性在超導態(tài)的熱導各向異性反映超導能隙反映超導能隙各向異性各向異

49、性UPt3小結小結：1，兩個超導轉變，兩個超導轉變2，超導序參量是多分量的，有，超導序參量是多分量的，有p波對稱波對稱3，在磁場溫度相圖上有，在磁場溫度相圖上有3個超導相個超導相新型超導體新型超導體 MgB2u 20012001年年1 1月月1010日，日本青山學院大學秋光純的研究小日，日本青山學院大學秋光純的研究小組發(fā)現金屬間化合物組發(fā)現金屬間化合物MgB2具有超導電性，超導轉變溫具有超導電性，超導轉變溫度高達度高達39K39K。uMgB2結構簡單，易于制作和加工結構簡單，易于制作和加工，有著廣闊的應用，有著廣闊的應用前景。前景。簡單化合物中，超導轉變溫度最高的簡單化合物中，超導轉變溫度最高的典型的典型的BCSBCS超導體超導體MgB2的超導電性的超導電性二硼化鎂超導體的主要物理性質二硼化鎂超導體的主要物理性質uMgB2的結構屬六方晶系，在兩個硼原子層之間有一個鎂的結構屬六方晶系，在兩個硼原子層之間有一個鎂原子層。研究表明，原子層。研究表明，二硼化鎂的超導電性源于硼原子層。二硼化鎂的超導電性源于硼原子層。u科學家們采用科學家們采用“摻雜摻雜”的方法的方法, 在在MgB2的基礎上尋找具有的基礎上尋找具有更高臨界溫度的超導體。通常有兩種摻雜的方法：更高臨界溫度的超導體。通常有兩種摻雜的方法：(1)