（凝聚态物理专业论文）电子型超导体nd185ce015cuo4单晶的物性研究.pdf

中国科学技术大学论文 摘要 本文用原子力显微镜、电阻率、热电势等测量手段系统地研究了电子型超导 体n d l 8 5 c e ol5 c u 0 4 单晶样品的制备和退火过程，在电子型超导体的热性质、磁 性质、输运性质等方面获得了一些重要信息，对于认识电子型超导体的超导机制 具有重要意义，对高温超导电性与反铁磁关联的关系进行了探索。全文共分四章。 第一章：概括了电子型超导体的一些理论和实验结果，并综述与此相关的余 属一绝缘体相变理论。电子型超导体除：1 属于强电子关联体系，2 反铁磁关联 作为与超导念竞争的基态这两点外：其它诸如品格结构、序参量对称性、赝能隙 现象及非公度自旋涨落等均明显区别于空穴型超导体，这表明单带h u b b a r d 模 型及t - 3 模型等均不适用于电子型超导体。 第二章：通过改变m ，。l ，c “瓯。单品样品制备过程中冷却速率的方法， 得到两种不同的最佳掺杂单晶样品( 随炉冷却样品和非随炉冷却样品) ，经原子 力显微镜分析，首次发现单晶在制备和热处理过程中已有分解过程存在。a b 面 与c 方向电阻率比较显示，随炉冷却样品与非随炉冷却样品表现出较大差别，这 一差别无法通过改变问歇氧0 ( 3 ) 而消除，可能与分解过程有关：制备过程中体 系发生局部分解，一方面其中的分解物( m ，c e ) ，q + n d c e q ，可能影响到有效载 流子浓度和单晶的均匀性，对超导产生负面影响，同时另一分解物c u ，0 中产生 的非磁性c u l + 对c u 一0 面内c u 2 + 一c u 2 + 反铁磁关联具有一定破坏作用，使体系向 金属行为过渡。 第三章：研究了不同退火条件对电子型超导体n d m ，c 。，c “q ：。单晶样品电 阻率及热电势的影向，实验结果表明，加氧退火过程经导致问隙氧的增加，引起 载流子浓度的降低；而去氧环境下的退火过程包含；体系有序分解和去除i 、白j 隙氧 两个过程，这两个过程的竞争决定载流子浓度的变化，而有序分解过程对反铁磁 关联的破坏起更主要的作用。 第四章：研究了过渡金属层状化合物的热电势，详细地讨论了母体材料t i s 2 和经b i 原子注入而得到的化合物b i 。t i s 2 的热电势，可知，b i 原子注入的主要作 中国科学技术大学论文 用在于将电子从b i 原子输送给体系的t i s 层，这一过程不影响有效散射机制。 低温区热电势的声子曳引峰主要由该体系所特有的薄透镜状f e r m i 袋所引起，且 随着原子注入的继续，有更多的载流子被引入该体系中，这将导致f e r m i 袋的扩 大，并引起特定声子能量亢，、的增加，和导致声子曳引峰所对应的温度的升高。 从该声子曳引峰得出的有效载流子浓度n o 的大小符合其它文献的报道，表明该 体系满足自由电子气模型，并且注入过程中每一个b i 原子可向母体材料的t i s 2 层提供5 个电子。 中国科学技术大学 a b s t r a c t t h ed i s s e r t a t i o nc o n c e n t r a t e so nt h es t u d i e so ft h et r a n s p o r t p r o p e r t i e s o f e l e c t r o n d o p e dh i g ht e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t o r sb yu s i n gm e t h o d so fa f m 、 r e s i s t i v i t ya n dt h e r m o p o w e rm e a s u r e s s o m ei m p o r t a n tr e s u l t sa r eo b t a i n e da n da r e 1 s t e da sf o l l o w s c h a p t e r1 ：s o m ei m p o r t a n tt h e o r i e sa n de x p e r i m e n t sa b o u te l e c t r o n - d o p e d s u p e r c o n d u c t o r sa n dm e t a l i n s u l a t o rt r a n s i t i o n ( m i t ) h a v eb e e ni n t r o d u c e d i ta p p e a r s t h a to n l yt w oc o m m o n a l i t i e sc a nb ei d e n t i f i e da m o n ga l lf a m i l i e so f c u p r a t e s o n ei s t h es t r o n ge l e c t r o n i cc o r r e l a t i o na n dt h eo t h e ri st h ea f m s p i nc o r r e l a t i o ni nt h e c u 0 2p l a n e s 9 ，1o an u m b e ro fi m p o r t a n tp h e n o m e n ap r e v i o u s l yd e e m e da s e s s e n t i a lt oc u p r a t es u p e r c o n d u c t i v i t ya r ei nf a c tn o tu n i v e r s a l ，i n c l u d i n gt h e d x 2 - y 2 p a i r i n g s y m m e t r y ，t h ep s e u d o g a pp h e n o m e n aa n di n c o m m e n s u r a t es p i n f l u c t u a t i o n s t h e s el a t e s te x p e r i m e n t a ld e v e l o p m e n t sh a v et h u si m p o s e ds t r i n g e n t c o n s t r a i n t so ne x i s t i n gt h e o r i e s c h a p t e r2 ：b yt h eu s eo f a f ma n dm i c r o t h e m l o g r a v i m e t r i cm e a s u r e m e n t s ，w e g a i n e ds a m p l e sw i t h1 ) t h es a m ed e c o m p o s i t i o np r o d u c t i o nb u td i f f e r e n to x y g e n c o n t e n t ；2 ) t h es a m eo x y g e nc o n t e n tb u td i f f e r e n td e c o m p o s i t i o np r o d u c t i o n r e s i s t i v i t ym e a s u r e m e n t ss h o wt h a tb o t ht h ei n p l a n ea n dc a x i sw e a k l yl o c a l i z e d b e h a v i o ra r ee f f e c t e dm u c hl e s sb yt h ec h a n g eo ft h ei n t e r s t i t i a lo x y g e nt h a nb yt h e c h a n g eo ft h ed e c o m p o s i t i o nc o n t e n t s ，t h a tr e v e a l st h a ti ti sm a y b en o tt h er e m o v eo f t h eo x y g e ni n t e r s t i t i a l sb u tt h eo r d e rp h a s ed e c o m p o s i t i o np l a y st h ek e yr o l eo nt h e i n s u l a t o r m e t a lt r a n s i t i o n c h a p t e r3 ：t h er e s i s t i v i t ya n dt h e r m o p o w e ru n d e rd i f f e r e n ta n n e a l e dc o n d i t i o n s o fn d 旧5 c e o l5 c u q j s i n g l ec r y s t a lw e r es t u d i e d ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e o w - o x y g e n f u g a c i t ye n v i r o n m e n ta n n e a l i n gp r o c e d u r eh a st w op u r p o s e s ：i n d u c i n gt h eo r d e r p h a s ed e c o m p o s i t i o na n dr e m o v i n gt h eo x y g e ni n t e r s t i t i a l s t h ec o m p e t i t i o nb e t w e e nt h e m d e c i d e dt h ec h a n g eo fo x y g e ni n t e r s t i t i a l s a n dt h eo r d e rp h a s ed e c o m p o s i t i o np l a y st h ek e y r o l eo nt h ed e s t r o y i n go ft h el o n g r a n g ea n t i f e r r o m a g n e t i co r d e r 中国科学技术大学 c h a p t e r4 ：t h e r m o p o w e ro fh o s tt i s 2a n dt h ei n t e r c a l a t i o nc o m p o u n d sb i x t i s 2 w a si n v e s t i g a t e di nd e t a i l t h em a i ne f f e c to fb ii n t e r c a l a t i o ni st ot r a n s f e re l e c t r o n st o t h eh o s tl a y e r s ，b u tn o tt oa f f e c tt h es c a t t e r i n gm e c h a n i s me f f i c i e n t l y t h ep h o n o n p e a ka tl o wt e m p e r a t u r e si sr e l a t e dt ot h es p e c i a ll e n s s h a p e df e r m ip o c k e to ft i s 2 s y s t e m w i t hm o r e c a r r i e r sa r e d o p e d ，t h e f e r m i p o c k e te x p a n d s ，a n dt h e c h a r a c t e r i s t i ce n e r g yj f i 以a n d c o r r e s p o n d i n g l yt e m p e r a t u r eo ft h ep h o n o np e a k i n c r e a s e t h ec a r r i e rc o n c e n t r a t i o nn 0d e r i v e df r o mt h ep h o n o np e a ki sc o n s i s t e n tw i t h p r e v i o u ss t u d y ，i n d i c a t i n gt h a tt h ef r e ee l e c t r o ng a sm o d e li s s u i t a b l ei nt h i ss y s t e m e a c hb ia t o mi se s t i m a t e dt od e n o t ef i v ee l e c t r o n st ot h eh o s tl a y e r s v 致谢 本论文是在导师杨宏顺副教授和曹烈兆教授的悉心指导和帮助下完成的， 在我的硕士学习期问，他们从学习和生活等各个方面都对我精，d 丁日- i d , 导，关怀备至。 他们海人不倦、勤奋治学的态度使我受益终生，在此，也向杨宏顺老师和曹烈兆 老师表达我诚挚的谢意。 感谢吴柏玫教授、阮可青副教授、汪成友老师、王克勤高工在我的学习期 问给予的指导和帮助。同时，柴一晟博士、五u 业2 , l j 博：l = 在我完成学业的过程中，不 仅在样品测量中提供很多指导和帮助，而且在论文的写作过程中也给予了帮助， 在此向他们表示感谢。 在样品制备和测量工作中，得到了孙成海硕士、高慧贤硕士和薛骡等同学 的帮助和良好的合作，在此也向他们表示感谢。 感谢低温车i 白j 的全体工作人员在提供液氮、液氦中付出的辛勤劳动。 感谢一切给予作者热情关心和帮助的老师和同学。 最后感谢我的亲人和朋友，爪是他们的关心和支持使得本论文得以顺利地 完成。 陈旭东 二零零六年五月 第一章：电子型超导体与金属绝缘体相变概述 1 1 电子型超导体 1 1 1 引言 与大多数通过空穴掺杂而呈现超导电性的铜氧化物不同，具有t 相结构的 化合物类l n 2 。c e 。c u 0 4 ( l n = n d ，s m ，p r ，e u ) 是通过在铜氧丽上引入电子而获得超 导电性的。从结构上而言，它们与l a 系2 1 4 相似，如图11 所示：稀二 二元素、 c u 和而内的o ( 1 ) 、o ( 2 ) 的原子位置完全相似，只是c u 0 6 八面体顶点的o ( 3 ) 的 排布不同。相对于l a h 而言，电子型超导体的l n ”的离子半径更小，晶格容忍因 子过小，使得系统不能维持钙钛矿结构，o ( 3 ) 移至( 0 ，) 特殊位置以舒缓 晶格张力，c u 0 6 八面体变成c u 0 4 f 方形，相应的，稀土原子由九配位十三面体 转变为八配位立方体，a 轴拉伸而c 轴缩短，体系变成四方结构。当用c e ”掺杂 时，体系变成具有金属行为的导体，在低温下发生超导转变。由于是高价替代， 载流子为电子，同时a 轴增加c 轴减小，恰好与l a 2 1 4 体系的掺杂情况相反。 光限层n 型中层d 型甲层n 型 幽i 尽管在结构上有些许差异，但是，二者之问存在着明显的相似性。图1 2 为 l a 2 、s r 。c u 0 4 和n d 2 。c e 。c u 0 4 的电子相图，由图中可以看到，对于母体材判，二 中国科学技术人学论文 者都是反铁磁的绝缘体，其n e 6 1 温度比较接近：随着掺杂的进行，反铁磁长程 序都被破坏，体系逐渐进入超导态：二者的最佳掺杂量都为0 15 ，并且有报道在 p r 2 、c e 、c u 0 4 最佳掺杂附近低温下存在绝缘体至金属转变，完全与l a 2 、s r 。c u 0 4 超导体类似0 0 0 当过量掺杂系统失去超导电性以后，霍尔系数测量表明二者c u 0 2 上都发生载流子符号的转变o ，分别发生在x = o 3 和o 2 附近。另外，二者的光 学性质也基本相同o 。当然，相比之下，差异也是很明显的，对于n d 2 。c e 。c u 0 4 而言，其反铁磁区削较宽，而超导发生的区问很窄，中间没有l a 2 、s r 、c u 0 4 出现 的自旋玻璃( s p i ng l a s s ) 区域。现在已知，无限层电子型铜氧化物序参量的对称 性属于s 型超导0 0 ，而空穴型铜氧化物属于d 波超导0 0 ( 对于单层电子型铜氧化 物因层| 白j 距较大，其序参量对称性也属于d 波超导，可参见文献0 ) 。电阻率测 量也表明，在最佳掺杂附近，空穴型铜氧化物c u 0 2 面内的电阻率p 。b 满足t 线性 关系，而电子型铜氧化物o i j 满足t ”( 1 5 n 2 ) 关系，这是过掺杂体系的特征， 表明相对于空穴型铜氧化物，电子型更为“过掺杂化”。 m e t a i 一i n s u l a t o r - m e t a n d 2 。c e 。cj 。4 一2 一x s r x 0 4 p a n t i f e r r o m a g n e t i c 占 萼 翟 s u p e r c o n d u c t o r ： o u 墓 一： 磊、：，、 - o 3o 2o 1o 0010 2o 3 幽i 2 l a 2 。s r 、c u 0 4 和n d 2 、c e 。c u 0 4 的iut * n 幽 电子型超导体与空穴型超导体种种差异的成因可以由图1 3 定性说明：对于 空穴型超导体，掺杂后进入c u - o 面上氧位p 轨道的空穴使氧离子从0 变为o 一，通 中国科! 学技术人：学论文 过0 的自旋与c u p 自旋的反铁磁交换作用，使0 一两边的c u ”离子自旋取向从原来的 反平行变为平行的排列，导致氧空穴周围的c u 廿离子的反铁磁排列失配，从而破 坏反铁磁长程序( 图1 3 ( a ) ) 。而电子型超导体则不同，掺杂后电子进入c u 的d 轨道，产生无白旋的c u + 离子来稀释c u 一0 面自旋s = 1 2 的c 甜+ 2 离子，逐步破坏 了c “一c “门之削的反铁磁强关联( 图1 3 ( b ) ) 。显然，通过这种方式对反铁磁关 联的破坏作用远远小于空穴型超导体，表现为电子型超导体和空穴型超导体在相 图上的非对称性- 2 钔。这一非对称性也意味着一带h u b b a r d 模型及t j 模型将无 法完全描述高温超导体特性。 ( a ) c u 0 2p l a n e ( f o r6 1 8h o l ed o p i n g ) 乙量7 lo z 7 i乙z 7 l乙二 7 ，：二 77 ) ：量 夕、1 7 c，一c，c，c 矿 ： z7 ，r 、蔓 7 j：謦 7 )o 7 j7 】：。z ，c 少i，穸1l产t，矿飞i ： 蓐，l ： 正 7 ，正 7 -f 7 ii 、二7 j：、謦 ，l - ，c，c，c，c ，7 乙z7 ，：置 7 )：量 7 j0 尽 7 】o 謦7 】：石 c 7 1l穸、l矿、t7 、l - ， 弋一。j e sf f ， 。x y g e np 。| r b 站a 秒 b ) c u o zp l a n ei f q r6 0 。1e l e c t r o nd o p i n g ) i 一 7 l l一 1 7 一 ， 爿，爿，| | i， 7 j ： | 一 j j 1一 |，。一 一 ： l 一 一 17 一 i 一 i ，l，一|， 7 ! j ： 1 7 ， ： jl 一 ，一， ： 一 ，：， ，： ，7，j 1 ：， ，一 c u 2 + c h h f s = 9 f ，s = 冽e l e c t r o n so nc o p p e r d o r b i t a l ) 图1 3 守穴和l u 了掺杂效果爪意幽 中国科! 学技术人学论文 1 1 2 电子型超导体相关超导理论 铜氧化合物高温超导体的基态密切相关于：掺杂量、载流子类型、相邻c u o 面问的电子配对机制及体系的混乱无序度等_ i 们，这些因素的交叠作用异常复 杂，特别是电子型超导体与空穴型超导体超导特性不具备明显的对称性，试验中 往往表现出相互矛盾的结果，这一困难使得对超导机理的研究至今没有产生能够 普遍实用的理论。本节中，我们首先将对一些具有代表性的理论推断及与之相对 应的实验结果进行简单回顾。 1 共振价带理论( r v b ) 及其自然延伸的层间隧穿对超导机n ( i l p t ) 作为最早出现的超导理论之一，主要用于解释空穴型超导体的超导机理眩4 。 1 2 5 1 , 1 2 6 1 ，它的理论基础为自旋一电荷分离。按照a n d e r s o n 的观点，高温氧化物 超导体的f 常态是一种新型金属态( 非n e e l 态) ，其中的载流子量子液体是非 f e r m i 液体，称之为l u t t i n g e r 液体：其基本特点是电子的电荷自由度和自旋自由 度明确地分离：此非f e r m i 液体中的元激发是自旋子和空穴子，电子不是本征元 激发，而被视为一复合体。在此基础上，a n d e r s o n 对高温氧化物超导体提出了 “层问隧穿对”的超导机$ 1 ( i l p t ) ，即尽管由于强电子关联效应，在高温氧化物 超导体的相邻铜氧层问不存在相干的单电子隧穿，但电子可在相邻铜氧面问经由 j o s e p h s o n 机制相干隧穿，这种从二维到三维的跨越是一种退局域化，从而决定 了高温氧化物超导电性的高t 。这一推断有与实验不符之处在于：一来大量实 验已证明高温超导体的未掺杂母体材料无疑为n e e l 态，这点与该理论假设不 符；二来作为本理论理论基础的自旋一电荷分离至今未被实验所直接证划2 7 。眨引。 2 近反铁磁f e r m i 液体理论( t h es p i nf l u c t u a t i o ns c e n a r i o ) 以p i n e s 为首的学派基于对y b c o f 常态n m r 的实验分析，认为在二维准 粒子自旋之问有强的反铁磁关联，正是这一近局域化的c u 2 + d 轨道之i h j 的反铁磁 强关联是导致其正常态“反常”性质的根源；在二维方格子，由于交换自旋涨落 元激发诱发了准粒子之i h j 的推迟相互作用，从而导致其具有d 。2 。2 对称性序参量 的超导态。称这种由准粒子和反铁磁振子耦合的情况为近反铁磁f e r m i 液体旺明 t 3 0 1 。尽管这一理论与大量空穴型超导体实验结果相符，然而明显无法实用于具 有s 波配对对称性及缺乏赝能隙的电子型超导体9 。眨o 。2 7 。1 3 0 1 。 中国科i f ：技术人! 学论文 3 条纹相( t h es t r i p ep h a s e ) 所谓条纹相，是指在超导铜氧化物的二维铜氧面内存在有自旋一电荷密度调 肯1 ( s p i n c h a r g ed e n s i t ym o d u l a t i o n s ) 4 1 ：而内在的条纹涨落则称为动态条纹相 ( d y n a m i cs t r i p ep h a s e ) 。e m e r y 3 。4 等认为动力条纹涨落是导致高温超导的起源： 条纹把空穴电荷约束在窄区，空穴的能量必然由于周围的磁势垒而增加，为了使 能量减少，空穴则趋于散丌，而单空穴不易完成这一过程，若空穴配对而行，则 诸空穴一起发挥作用时可以改变垒势中诸自旋的排列，空穴隧穿而过，这样就降 低了空穴的总能量，这样的过程一旦实现，空穴的运动就形如超流。通过对 l a 2 x y n d 。s r 。c u 0 4 及l a 2 。s r 、c u 0 4 的x 0 1 2 5 系统进行中予散射实验表明3 5 3 6 1 1 3 7 1 ，这两种材料中有周期性的自旋一电荷有序，其周期分别为品格元胞周期的 8 倍和4 倍，对x 取其它值也观察到类似行为。同样，z a a n e n 等采用m e v 离子 沟道谱技术6 。1 3 7 1 ，测量到y b c o 中存在大的晶格电荷涨落，且比热涨落所预 期的大，其所涉及的相变的反常与动力条纹相一致。但这一理论至今并无共识： 一方面需要进一步建立条纹相存在的证据；二要从理沦上进一步研究在物质会属 态的f 常态下自旋一电荷密度调制的模型。 4 量子相变点理论( q c p ) q c p 理论认为铜氧化物高温超导体在最佳掺杂处发生量子相变，用以解释欠 掺杂和过掺杂区表现出的不同超导特性“铂h 拍1 。该理论来自于这一实验事实：即 对空穴型高温铜氧化物超导体，以接近最佳掺杂的q c p ( q u a n t u mc r i t i c a lp o i n t ) 点作为分界点，其相图左边的欠掺杂区f 常态表现为非f e r m i 液体行为，而右边 的过掺杂区f 常态则表现出f e r m i 液体举止。盯1 一。1 。显然，将这一理论运用于 所用高温铜氧化物超导体，还有很多关键问题需要得到解决：1 ) 在该量子相变 点确定普遍的对称性破缺并可将此破缺运用于整个体系；2 ) 该量子相变点基态 的量子涨落如何在相当大温度范围( t 。 t t + ) 内能够保持体系正常态的非f e r m i 液体行为：3 ) 该量子相变点如何关联于超导电性的发生等。 5s o ( 5 ) 非线性0 一模型( t h es o ( 5 ) n o n l i n e a r0 一m o d e l ) s o ( 5 ) 理论认为明剐，存在一个高能机制，它使高温超导体中的电子结合 成单重态配对，导致这种电子配对的起源源于t j 模型，因为反铁磁交换耦合j 中国科学技术人! 学论文 有利于在最近邻格位上的电子以相反的自旋配对形成超导。当然，j 也可导致反 铁磁态的形成，为了解释这一矛盾，其观点是，先是电子结合成对，它对应于超 自旋形成了有限大小单却未固定其方向，这与b c s 理论不同，在b c s 模型中，电子 对的形成即超导念的丌始；s 0 ( 5 ) 模型与相涨落模型也不同，后者只是序参量相 位在涨落。除上述高能机制外，尚有某种低能机制，由它控制选择超自旋的取向， 从而把反铁磁念与超导态区分丌来，认为是一种超自旋跳动机制( s u p e r s pjn f l o p ) 导致超导态。”卜”卜l ”卜1 - 。内在的，该理论不相容于s 波配对对称性， 因而无法解释具有s 波配对对称性的电子型超导体。 6 其它相关理论 有关高温铜氧化物超导的理论很多，观点各异，其它相对重要的理论包括： 1 ) e r e m i n 等人在单重念关联带模型下，求出了d 波对称性超导电性与电荷密 度波的自洽解。指出在二维情况下超导与电荷密度波之问可能的关联，认为是电 荷密度波( c d w ) 是铜氧化物超导体f 常态产生赝能隙。 2 ) n a r i k i y o 等人的巡游一局域化载流子二象性描写 3 ) b r a n d o w 高温铜氧化物超导体的价涨落机制。在价涨落和重f e r m i 子化合 物超导研究中提出具有强关联的f 贝, l j f e r m i 液体，从此角度对高温铜氧化物超导 体进行研究。 4 ) 双极化子( b i p o l a r o n ) 高温超导理论等。 1 1 3 电子型超导体序参量对称性( p airin gs y m m e t r y ) 高温铜氧化物超导体的发现者m u l l e r 曾指出，要判断高温超导电性的微观机 制，首先应确定超导序参量的对称性。因为序参量对称性的确立是整个超导配对 机制的基础。如建立在反铁磁自旋涨落基础上的配对机制必然要求超导序参量具 有d 。2 。2 配对对称性。 大量实验证据表明，空穴型超导体的序参量具有d 。2 ，2 的对称性，或者是以d 波为主的d s 波对称性( 见图1 4 下两图) 。其意义在于降低在位库仑排斥作用( t h e o n - s i t ec o u l o m br e p u l s i o n ) 及轨道势能，同时维持体系的准二维特性。而电 子型超导体则不同，因为晶体结构中i b j 隙氧0 ( 3 ) 的缺乏，轨道d 。2 一y 2 与“2 ，2 的杂 中国科学技术人学论文 化维持在一个较低的程度，体系更倾向于三维配对机制。列单层电子型超导体而 言，因相邻c u o 面阳_ 距较大，体系仍能维持准二维特性，并使超导序参量具有d 。2 ，2 波配刘对称性，但不同于空穴型超导体，其配对对称性与电子的掺杂量和问隙氧 0 ( 3 ) 的混乱无序度紧密关联；对于无限层电子型超导体如s r l - x l n ，c u o ：( l n = l a g d s m ) 体系，情况则完全不同，其表现为强关联体系下的纯s 波配对对称性( 如图1 4 一i - 两图图所示) ：1 ) 准粒子隧穿光谱及超导能隙显示出各项j 司性的独立动量 关系；2 ) 咒= 4 3k 时的比值( 2 办口乃) 7 远大于b c s 理论关于弱耦合s 波超导 体的3 5 ，表明尽管浚无限层电子型超导体序参量为s 波对称性，但不同于b c s 理论下的弱耦合s 波对称，表现为强关联体系下的s 波配对对称性；3 ) 准粒子光 潜中没有卫星峰存在，按t j 模型及h u b b a r d 模型，d 波对称性必然要求伴随着卫 星峰的产生。4 ) t 。以上隧穿能隙特征完全消失，表明浚体系区别于空穴型超导 体，整个温度区问没有赝能隙出现。5 ) 具有d 。2 ，2 波配对对称性的高温铜氧化物 超导体，如空穴型超导体及单层电子型超导体，它们的超导电性对磁性掺杂和非 磁性掺杂的依赖均非常敏感，而具有s 波配对对称性的无限层电子型超导体则明 显不同，它的超导电性对非磁性掺莉 i z n 等不敏感，而剥磁性掺杂f z h nl 等极其敏 感， 3 的n j 掺杂将完全压制超导念。 m o m e n b 1 f f lf k l - i n d e p e n d e n t q u a s i p ar i c l et u n l l e l i n gs p e c h a 1 5 一w a v ep a i r i n gp o t e n t i a l m o t l _ i e n l u m ( k ) 一d e p e n d e a t q u a s i p a r t i c l et u n n e l i n gs p e c t r a a n i n x l e n o d a l ( z b c p l 幽i4 序参量s 波酣对对称。h ( 1 u 了型趟导体) j d x 2 y 2 波蚍对对称性( 卒穴型超导体) 比较 中国科学技术人学论文 1 1 4 反铁磁序作为电子型超导体竞争的基态 高温铜氧化物超导体的超导电性源于超导念与其它可能的箍态竞争的结果， 对其超导机理的研究首要的是确定可能的最紧密的竞争基态，并使这一基念可适 用于所有铜氧化物超导体。反铁磁序作为高温超导体的竞争基念首先在理沦上被 预测：通过运用外磁场压制超导的方法，空穴型超导体的反铁磁竞争序已明确地 被实验观察到；最近，hj k a n g 等通过剥电子型超导体n d 。c e 。i c u o 输运性质的 研究及中子散射等实验，也观察到电子型超导体中存在静态的各项异性的长程反 铁磁序，并且其强度与外加磁场成近似线性关系直n ：t , i - d d 磁场饱和于上临界场b 。： ( 见图1 5 f i ：示) 。结合空穴型超导体的实验结果，可以认为：无论是空穴型超 导体还是电子型超导体，其竞争基态都是长程反铁磁关联态。 幽l5 ：( a ) ，( b ) ( c ) ，( d ) 娃叫i 当外碰场b c 轴时b i a g g 敞爿j 峰扎小i 州位置的温度依赖关系，( e ) ( g ( f ) 址i j c 祟积强度，外力磁场的依赖关系 中国科! 学技术人学论文 1 1 5 电子型超导体与空穴型超导体的异同 综上所述，由于电子型超导体与空穴型超导体超导特性不具备明显的对称 性，这使我们无法用相对简单的一带h u b b a r d 模型来解决实验中所遇到的各种问 题。为了得到一种能被两种类型超导体同时满足的理论模型，有必要首先得出二 者本质上的异同点并加以分析。 迄今为止的实验结果表明，两类不同掺杂超导体中仅有以下两点本质上的共 同点：1 ) 二者都是强电子关联体系；2 ) 无论对于电子型超导体还是空穴型超导 体，c u o 面上都存在反铁磁关联，二者均以反铁磁长程序作为竞争基念。其它在 空穴型超导体中得到被作为高温超导材料本质特性的如：超导序参量的d 。l y 2 波对 称性，赝能隙现象及非公度自旋涨落等均不再具备普遍性。这一结果对我们 2 1 2 节所述各种超导理论的成立增加了各种严格限制。 注意到p 型超导体和n 型超导体的一个及其重要的区别在于它们具有不同的 元自旋激发，尽管两种超导体在各自的超导态都存在短程反铁磁c u 小一c u 卦自旋关 联。但对于空穴型超导体，掺杂后沿c u 一0 耦合方向产生非公度自旋涨落，这些 白旋涨落之问存在能隙( g a p ) ，这一各项异性的自旋激发能隙， p 型超导体所 具有的准二维特性以及使在位c o u l o m b 排斥作用达到最小这一趋势，三者共同作 用导致空穴型超导体配对波函数具有d x 2 _ y 2 对称性，以保证体系具有最低的基念 能量；同时，对于具有特定掺杂量，其i n c o m m e n s u r a t e 自旋涨落能隙接近于超 导能隙，这意味着在自旋激发能隙以下的温度，c u o 面上存在载流子的预配对现 象( s i n g l e tp a i r i n g ) ，且其相关的“平均场”能量大小为n 彤，而非反铁磁交换 n m j 。由此导致空穴型超导体赝能隙现象的产生和赝能隙区域( 兀 丁 丁木) 载流 子预配对的存在的根本。另一方面，电子型超导体的元自旋激发产生的是没有能 隙的自旋密度波( s d w ) ，在超导态s d w 的出现将阻止预配对的形成，这一结 果导致总体上单层电子型超导体的超导转变温度t 。远小于单层空穴型超导体：电 子型超导体元激发过程非公度自旋涨落的缺乏也f 是电子型超导体中没有赝能 隙现象的原因；同时，对于无限层电子型超导体，其强三维电子一电子耦合，各 项同性s d w 激发及d x 2y 2 蝴 i d 3 2 2 - r 2 杂化轨道退化三者共同作用导致其波函数 的s 波配对对称性；单层电子型超导体虽然仍具有准二维特性，但其准二维能量 与反铁磁能量竞争的结果导致其总体较空穴型超导体能量降低且配对对称性依 中国科学技术人! 学沦文 赖于掺杂量和i b j 隙氧的混乱无序度。 i ：l - i 此我们看到，高温铜氧化物超导体超导机理研究面临的最大的挑战在于能 否以多带近似或者引入其它变换来取代目前不完善的单带h u b b a r d 模型，以统一 所有超导体的各种实验现象，如图1 6 所示。 t e m p e r a t u r e c o 夸p e rd - or b i t 3 i a i i l e | “v a r i a b i e s ) ? 。 d o p i n gl e v e 占 幽i 6 ：p 型超导体和n 型超导体超导相幽的统一口j 能需要- i 入额外的自由度 中国科学技术人! 学论文 参考文献 1 】 p _ f o u r n i e r , p - m o h a n t y , e m a i s e r ，s d a r z e n s ，t v e n k a t e s a n ，c j l o b b ，g c z j z e k ，r a w e b b ，a n dr l g r e e n e ，p h y s r e v l e t t ，81 ( 19 9 8 ) 4 7 2 0 2 y a n d o ，gs b o e b i n g e r , a p a s s n e r ，t k i m u r a ，a n dk k i s h i o ，p h y s r e v l e t t ， 7 5 ( 19 9 5 ) 4 6 6 2 ；p h y s r e v l e t t ，7 7 ( i9 9 6 ) 2 0 6 5 ；p h y s r e v b ，5 6 ( i9 9 7 ) r 8 5 3 0 ；j l o w t e m p p h y s ，10 5 ( 19 9 6 ) 8 6 7 3 g s b o e b i n g e r , y o i c h ia n d o ，a p a s s n e r , t k i m u r a ，m o k u y a ，j s h i m o y a m a ，k k i s h i o ， k t a m a s a k u ，n i c h i k a w a ，a n ds u c h i d a ，p h y s r e v l e t t ，7 7 ( 19 9 6 ) 5 417 4 】w e p i c k e t t ，r e v m o d p h y s ，6i ( 19 8 9 ) 4 3 3 5 s l u p i ，p m a s e l l i ，m c a p i z z i ，p c a l v a n i ，p g i u r a ，a n dp r o y ，p h y s r e v l e t t ， 8 3 ( 19 9 9 ) 4 8 5 2 6 s u c h i d a ，t i d o ，h t a k a g i ，t a r i m a ，y t o k u r a ，a n ds t a j i m a ，p h y s r e v b ， 4 3 ( 1 9 9 1 ) 7 9 4 2 7 s l c o o p e lga t h o m a s ，a j m i l l i s ，j o r e n s t e i n ，d h r a p k i n e ，a j m i l l i s ，s - w c h e o n g ，a s c o o p e la n dz f i s k ，p h y s r e v b ，4 1 ( 1 9 9 0 ) t1 6 0 5 8 d h w u ，j m a o ，s n m a o ，j l p e n g ，x x x i ，t v e n k a t e s a n ，r l g r e e n e ，a n ds m a n l a g e ，p h y s r e v l e t t ，7 0 ( 1 9 9 3 ) 8 5 ；a a n d r e o n e ，a c s a a i n e s e ，a d i c h i a r a ，r v a g l i o ， a g u p t a ，a n de s a r n e l l i ，p h y s r e v b ，4 9 ( i9 9 4 ) 6 3 9 2 9 】b s t a d l o b e r , g k r u g ，r n e m e s c h e k ，r h a c k l ，j l c o b b ，a n dj t m a r k e r t ，p h y s r e v l e t t ，7 4 ( 1 9 9 5 ) 4 9 11 10 c c t s u e i ，a n dj r k i r t l e y ，p h y s r e v l e t t ，8 5 ( 2 0 0 0 ) l8 2 1 i c - t c h e ne ta 1 ：p h y s r e v l e t t 8 8 ，( 2 0 0 2 ) 12 】 g v m w i l l i a m se ta 1 ：p h y s r e v b6 5 ，2 2 4 5 2 0 ( 2 0 0 2 ) 13 】l a l f f e ta 1 ：p r i v a t ec o m m u n i c a t i o n s ( 2 0 0 2 ) 1 4 d j v a nh a r l i n g e n ：r e v m o d p h y s 6 7 ，5 15 ( 1 9 9 5 ) 中国科：学技术人：学论文 i5 c c t s u e ia n dj r k i r t l e y ，r e v m o d p h y s 7 2 ，9 6 9 ( 2 0 0 0 ) i6 】 n c y e he ta 1 ：p h y s r e v l e t t 8 7 ，0 8 7 0 0 3 ( 2 0 01 ) ；p h y s