超导体简介


        目前我们小组的研究重点集中在高温超导领域,包括铜氧化合物超导体和最近发现的铁(镍)基超导体。我们利用角分辨光电子谱的方法,测定这些新型超导体的电子结构。

        当温度低于某一临界温度Tc时,一些材料的直流电阻会突变为零,这种现象称为超导现象,Tc称为超导转变温度。材料处于超导状态时,超导电流可在无外加电压的情况下维持几个月而无明显衰减。超导体的另一个重要特性为迈斯纳效应:将超导体置于磁场中并冷却至超导态,超导体表面会出现超导电流。超导电流产生的磁场于外加磁场抵消,超导体内部磁感应强度B0,即完全抗磁性。

        超导体通常可分为低温超导体和高温超导体两类。

常规低温超导体

        第一个被人类发现的常规低温超导体是1911年荷兰物理学家Onnes在莱顿实验室测量低温下汞的电阻率随温度的变化时发现的。大多数常规低温超导体都是金属元素或者金属二元合金。常规超导体的Tc较低,通常都位于液氦温度区,4K。一些金属二元合金的Tc可达到23K。

        1957年,美国物理学家Bardeen,Cooper和Schrieffer提出了BCS理论,成功的对常规低温超导体进行了理论解释。因此人们通常将常规超导体称为BCS超导体。理论认为,费米面附近动量大小相同,动量方向及自旋方向相反的电子通过交换虚声子形成束缚的电子对,称为库柏对。库柏对是波色子,在低温时全部凝聚在最低能态,此组态为超导基态。由此出发可以解释常规超导体的零电阻效应,迈斯纳效应等一系列超导现象。

        库柏对组态为自旋单态(S=0),电荷数为2e。常规超导体的能隙(序参量)为各向同性的(S波超导体)。

高温超导体

        1986年,德国物理学家柏诺兹和瑞士物理学家缪勒发现La2-xBaxCuO4超导体,其Tc高达30K。这一突破性进展导致一系列转变温度更高的铜氧超导体的发现。此类超导体的转变温度较高,因此称之为高温超导体。高温超导体的晶体结构非常复杂。大多数高温超导体具有层状铜氧面结构。下图为Bi2Sr2CaCu2O8(Bi2212)单胞图。

         

 

        电子传导主要发生在准二维的CuO2层上。在Bi2212中,两个CuO2层被Ca原子层分开。BiO2层在中间提供电荷。BiO2层间的化合键是很弱的范德瓦耳斯键。解理样品后,层间相互脱离,留下一个平整清洁的表面供ARPES研究。


        高温超导体于常规超导体有一些相似之处:仍然存在库柏对,并且库柏对处于自旋单态等。同时,两者也存在一些差别:常规超导体的序参量为各向同性的,而高温超导体的序参量却是各向异性的;高温超导体电子配对并不是以声子为媒介。由于这些差别,高温超导体不能用BCS理论进行解释。下表为几种高温超导体及其超导转变温度。

compound

Tc(K)

La2-xSrxCuO4

38

Nd2-xCexCuO4-y

30

R1Ba2Cu2+mO6+m
R: Y, La, Nd, sm, Eu, Ho Er, Tm, Lu

92 (m=1)
95 (m=1.5)
82 (m=2)

Bi2Sr2Can-1CunO2n+4

~10 (n=1)
85 (n=2)
110 (n=3)

Tl2Ba2Can-1CunO2n+4

80 (n=1)
100 (n=2)
125 (n=3)

HgBa2Ca3Cu4O10

133


        高温超导体的正常态也存在许多反常性质。其电子输运性质是各向异性的,CuO2面垂直方向上的电阻率比平行方向电阻率大两个数量级。平面内输运性质呈现出非费米液体性质;电阻率与温度(T)为正比关系(BCS理论中为T2关系)。

        上图为高温超导体的相图。母相为莫特绝缘体,其基态是反铁磁态。随着空穴搀杂量的增加,材料转变为超导体。这说明高温超导体的关联效应和磁性在超导机制中非常重要。不同的竞争相在超导区相互作用,所有这些都增加了高温超导机制的复杂性。
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