chap2_part2-superconducting+materials-2014

1、第二章第二章 超导材料超导材料超导体按其磁化特性可分成两类：超导体按其磁化特性可分成两类：1）第第I类超导体只有一个临界磁场类超导体只有一个临界磁场Hc。在超导态在超导态, 磁化行为满足磁化行为满足MH-1，具有迈斯纳效应。，具有迈斯纳效应。2）第第类超导体有两个临界磁场类超导体有两个临界磁场，即下临界磁场，即下临界磁场Hc1和上临界和上临界磁场磁场Hc2（ Hc1 0 , 属于第属于第1类超导体。类超导体。表明界面出现会导致体系能量上升，因此将不会出现超导态与表明界面出现会导致体系能量上升，因此将不会出现超导态与正常态共存的混合态。正常态共存的混合态。这类超导体从超导态向正常态过渡时不经过混

2、合态，被称作第这类超导体从超导态向正常态过渡时不经过混合态，被称作第1类超导体。类超导体。2） 界面能界面能 0, 属于第属于第2类超导体。类超导体。表明超导态表明超导态-正常态界面的出现对降低体系的能量有利，体系中正常态界面的出现对降低体系的能量有利，体系中将出现混合态，这类超导体被称作第将出现混合态，这类超导体被称作第2类超导体。类超导体。第第I I类超导体主要包括类超导体主要包括一些在常温下具有良好一些在常温下具有良好导电性的纯金属导电性的纯金属，如铝、，如铝、锌、镓、镉、锡、铟等，锌、镓、镉、锡、铟等，该类超导体的溶点较低、该类超导体的溶点较低、质地较软，亦被称作质地较软，亦被称作“软

3、超导体软超导体”。第第I I类超导体类超导体其特征是：由正常态过渡到超导态时没有中间态，其特征是：由正常态过渡到超导态时没有中间态，并且具有完全抗磁性。并且具有完全抗磁性。第第I I类超导体由于其临界电流密度和临界磁场较低，类超导体由于其临界电流密度和临界磁场较低，因而没有很好的实用价值。因而没有很好的实用价值。第第IIII类超导体主要包括类超导体主要包括金属金属元素钒、锝和铌，元素钒、锝和铌，金属化合金属化合物、合金和高温超导体。物、合金和高温超导体。 第第IIII类超导体类超导体 1) 第第IIII类超导体由正常态转变为超导态时有一个中间态类超导体由正常态转变为超导态时有一个中间态（混合态

4、）；（混合态）； 2) 第第IIII类超导体的混合态中有磁通线存在，而第类超导体的混合态中有磁通线存在，而第I I类超导类超导体没有；体没有； 3) 第第IIII类超导体比第类超导体比第I I类超导体有更高的临界磁场、更大类超导体有更高的临界磁场、更大的的 临界电流密度和更高的临界温度。临界电流密度和更高的临界温度。 第第II类超导体和第类超导体和第I类超导体类超导体的区别主要在于：的区别主要在于： 第第IIII类超导体根据是否存类超导体根据是否存在磁通钉扎中心而分为：在磁通钉扎中心而分为：理想第理想第IIII类超导体类超导体非理想第非理想第IIII类超导体类超导体 理想第理想第IIII类超导

5、体的晶体结构比较完整，不存在磁通钉扎中心，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。消，其体内无电流通过，从而不具有高临界电流密度。非理想第非理想第IIII类超导体的晶体结构存在缺陷，并且存在磁通钉扎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，适合于完全抵消，出现体内电流，从而具有

6、高临界电流密度，适合于实际应用。实际应用。 第第IIII类超导体的分类类超导体的分类 第第2类超导体内磁通线的实验观察类超导体内磁通线的实验观察用用Pb+6.3In合金柱，在温度合金柱，在温度1.2K，外加平行于样品轴向的磁，外加平行于样品轴向的磁场，将细铁磁粒子散在样品端部场，将细铁磁粒子散在样品端部的平面上，显然铁磁粒子只能集的平面上，显然铁磁粒子只能集中于磁场穿透的地方，超导体的中于磁场穿透的地方，超导体的完全抗磁效应排出磁铁粒子，因完全抗磁效应排出磁铁粒子，因此照片上的黑区是铁磁的集聚处，此照片上的黑区是铁磁的集聚处，也就是穿透到超导体内磁场的出也就是穿透到超导体内磁场的出口。照片给出

7、了十分清晰的三角口。照片给出了十分清晰的三角形点阵。形点阵。Essmann采用采用Bitter图案技术得到材料中的涡旋线结构图案技术得到材料中的涡旋线结构每个磁通线只有一个正常的芯，芯的半径为相干长度每个磁通线只有一个正常的芯，芯的半径为相干长度，磁通，磁通量子由环流的超导电流所维持，这个超导电流在距芯为量子由环流的超导电流所维持，这个超导电流在距芯为的半的半径上衰减。径上衰减。如果在单位面积中有如果在单位面积中有N个量子磁通线，则超导体的个量子磁通线，则超导体的磁感应强度为磁感应强度为BN0，相邻两个磁通线之间的距离为，相邻两个磁通线之间的距离为: 磁通线的间距磁通线的间距d与与H1/2成反

8、比。成反比。随着随着外磁场外磁场H的增加，磁通线间距的增加，磁通线间距d缩短。缩短。当当外磁场增加时，每个圆柱形的正外磁场增加时，每个圆柱形的正常区并不扩大，而是增加正常区的常区并不扩大，而是增加正常区的数目。数目。当外磁场达到上临界磁场当外磁场达到上临界磁场Hc2时，相邻的正常区圆柱体彼此接触，时，相邻的正常区圆柱体彼此接触，超导区消失，整个材料变成正常态。超导区消失，整个材料变成正常态。单根磁通线结构单根磁通线结构每根磁通线都是一样的，磁通量子。每根磁通线都是一样的，磁通量子。超超 导导 材材 料料元素超导体元素超导体合金超导体合金超导体非常规超导体：非常规超导体：高温氧化物超导体高温氧化

9、物超导体不含铜氧面的超导体、不含铜氧面的超导体、 MgB2、新型超导体新型超导体元素超导体元素超导体元素超导体元素超导体在常压下具有超导电性的元素金属有在常压下具有超导电性的元素金属有3232种。种。在高压下具有超导电性的元素金属有在高压下具有超导电性的元素金属有1414种。种。有些元素在经过特殊工艺处理有些元素在经过特殊工艺处理( (如制备成薄膜，电如制备成薄膜，电磁波辐照、离子注入等磁波辐照、离子注入等) )后显示出超导电性。后显示出超导电性。NbNb的的TcTc最高最高(9.2K)(9.2K)，与一些合金超导体相接近，而，与一些合金超导体相接近，而制备工艺要简单得多。制备工艺要简单得多。

10、NbNb膜的膜的TcTc对氧杂质十分敏感，对氧杂质十分敏感，因而在超高真空因而在超高真空( (氧分压氧分压1010-6-6Pa)Pa)条件下，才能制条件下，才能制备优良的备优良的NbNb薄膜。薄膜。 u具有超导电性的合金及化合物多达几千种，但能用的不多。具有超导电性的合金及化合物多达几千种，但能用的不多。uA-15超导体，是超导体，是20世纪世纪50年代年代Matthias首次发现的。在首次发现的。在1986年以前发现的超导体中，这类化合物中的年以前发现的超导体中，这类化合物中的Tc居于领先地位。它居于领先地位。它们之中临界温度最高的是们之中临界温度最高的是Nb3Ge薄膜，为薄膜，为23.2K

11、。uc-15超导体的临界温度超导体的临界温度10K, 但上临界场较高，在力学性质但上临界场较高，在力学性质上优于上优于Nb3Sn，易于加工成型，中子辐照对它的超导电性影响，易于加工成型，中子辐照对它的超导电性影响较小，因而是较小，因而是目前受控热核反应用高场超导磁体的理想材料目前受控热核反应用高场超导磁体的理想材料。超导合金超导合金 其它新型超导体其它新型超导体 C C6060：有较大的发展潜力，由于它弹性较大，比质地脆硬的氧化物：有较大的发展潜力，由于它弹性较大，比质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，而且它的临界电流、临界磁场和相干长度均较临界电流、临界磁场和相干长度

12、均较大大，这些特点使，这些特点使C60C60超导体更有望实用化。超导体更有望实用化。 C60C60被誉为被誉为2121世纪新材料世纪新材料的的”明星明星”，这种材料已展现了机械、光、电、磁、化学等多方面这种材料已展现了机械、光、电、磁、化学等多方面的新奇特性和应用前景。的新奇特性和应用前景。有人预言巨型有人预言巨型C240C240、C540C540合成如能实现，合成如能实现，还可能成为室温超导体。还可能成为室温超导体。 MgBMgB2 2：二硼化镁（二硼化镁（MgBMgB2 2），其超导转变温度达），其超导转变温度达39K39K。二硼化。二硼化镁的发现为研究新一类镁的发现为研究新一类具有简单组

13、成和结构具有简单组成和结构的高温超导体找的高温超导体找到新途径。到新途径。易合成和加工易合成和加工，容易制成薄膜或线材。可应用于，容易制成薄膜或线材。可应用于电力传输、超级电子计算机器件以及电力传输、超级电子计算机器件以及CTCT扫描成像仪等方面。扫描成像仪等方面。二硼化镁的发现使世界凝聚态物理学界为之兴奋。二硼化镁的发现使世界凝聚态物理学界为之兴奋。非常规超导体非常规超导体丰富多彩的超导材料丰富多彩的超导材料变幻莫测的物理性质变幻莫测的物理性质谜般的吸引力谜般的吸引力非常规超导体的特征非常规超导体的特征u可能存在非可能存在非s波超导电子配对波超导电子配对u能隙各向异性能隙各向异性u在低温下一

14、些物理性质遵从在低温下一些物理性质遵从power lawu超导和磁性共存超导和磁性共存 氧化物超导体（氧化物超导体（3d, 4d3d, 4d电子）电子） 重费米子超导体（重费米子超导体（4f, 5f电子）电子）磁性超导体磁性超导体有机超导体有机超导体 La系系Y系系Bi系系Hg系系氧化物高温超导体氧化物高温超导体小资料：钙钛矿型结构小资料：钙钛矿型结构(CaTiO3) 大量高大量高Tc氧化物超导体具有钙钛矿或由钙钛矿型结构畸变氧化物超导体具有钙钛矿或由钙钛矿型结构畸变衍生而成的结构。衍生而成的结构。 钙钛矿型结构的分子式为钙钛矿型结构的分子式为ABX3，其中，其中A与与B分别为离子半分别为离子

15、半径大与小的阳离子，径大与小的阳离子，X为阴离子，一般为元素周期表中第六族为阴离子，一般为元素周期表中第六族或第七族元素。或第七族元素。 在钙钛矿结构中，在钙钛矿结构中，可以看成是可以看成是BX6八面八面体共顶联结，沿三维空体共顶联结，沿三维空间延伸，离子半径大的间延伸，离子半径大的阳离子阳离子A填隙在由阴离填隙在由阴离子子X所组成的立方八面所组成的立方八面体间隙中。体间隙中。CaOTiY 系Hg 系La 系高温超导体结构特征高温超导体结构特征YBaOCuCuOLaCu在中心，旁边是氧Cu-O链明显的层状结构、较短的超导相干长度、较强的各向异性以明显的层状结构、较短的超导相干长度、较强的各向异

16、性以及及Tc对载流子浓度强依赖关系。对载流子浓度强依赖关系。具有层状的类具有层状的类钙钛矿型钙钛矿型结构组元。结构组元。整体结构分别由整体结构分别由导电层和载流子库层导电层和载流子库层组成。组成。导电层是指分别由导电层是指分别由Cu-O6八面体、八面体、Cu-O5四方锥和四方锥和Cu-O4平面平面四边形构成的铜氧层。这种结构组元是高温氧化物超导体所共四边形构成的铜氧层。这种结构组元是高温氧化物超导体所共有的，也是对超导电性至关重要的结构特征，它决定了氧化物有的，也是对超导电性至关重要的结构特征，它决定了氧化物超导体在结构上和物理特性上的二维特点。超导主要发生在导超导体在结构上和物理特性上的二维

17、特点。超导主要发生在导电层电层(铜氧层铜氧层)上。上。其他层状结构组元构成了高温超导体的载流子库层其他层状结构组元构成了高温超导体的载流子库层，其作用其作用是调节铜氧层的载流子浓度或提供超导电性所必需的耦合机制。是调节铜氧层的载流子浓度或提供超导电性所必需的耦合机制。氧化物超导体的特点氧化物超导体的特点 相干长度很短是所有高温超导体的本征特性，相干长度很短是所有高温超导体的本征特性，所以不均匀所以不均匀性也是高温超导体的本征特性。性也是高温超导体的本征特性。高温超导体的性质由载流子浓度决定。高温超导体的性质由载流子浓度决定。例：例：La2CuO4，其母体是反铁磁绝缘体。掺入很少量的，其母体是反

18、铁磁绝缘体。掺入很少量的Sr后后变为自旋玻璃态。进一步的掺杂将变为超导体。变为自旋玻璃态。进一步的掺杂将变为超导体。存在一个最存在一个最佳的载流子浓度，使临界温度达到极大值佳的载流子浓度，使临界温度达到极大值。过量掺杂将使该。过量掺杂将使该体系变为正常金属。体系变为正常金属。氧化物超导体的特点氧化物超导体的特点TxAFSC自旋玻璃自旋玻璃正常金属正常金属导电层导电层载流子库层载流子库层层状结构层状结构 准二维的特点准二维的特点高温超导体：层状结构高温超导体：层状结构导电层和载流子库层导电层和载流子库层铜氧面的特点铜氧面的特点OxygenCopper反铁磁反铁磁强关联强关联Cu原子的外层电子原子

19、的外层电子为为3d104s1，铜氧化物，铜氧化物中的中的Cu2 +离子具有离子具有3d9的电子构型，即，的电子构型，即，3d壳层有一个壳层有一个dx2-y2轨轨道的空穴，带有道的空穴，带有1/2的自旋。的自旋。氧化物超导体中的磁有序氧化物超导体中的磁有序 在在Cu-O面内，最近邻的面内，最近邻的Cu2+格点之间存在强的反格点之间存在强的反铁磁超交换作用，交换能铁磁超交换作用，交换能J为为10-130meV，因而，因而Cu2+离离子组成二维平方格子的自旋为子组成二维平方格子的自旋为1/2的海森堡系统。的海森堡系统。 CuO2平面之间有很弱的层间耦合，虽然其交换能平面之间有很弱的层间耦合，虽然其交

20、换能J比比J要小要小5个量级，但导致了三维长程反铁磁序。个量级，但导致了三维长程反铁磁序。在高温超导材料中，在高温超导材料中，表现强关联特性的磁有序及表现强关联特性的磁有序及自旋涨落自旋涨落是高温超导体区别于常规超导体的最重是高温超导体区别于常规超导体的最重要的特点之一。要的特点之一。La(Sr)-Cu-OLa-OCu-OLa-O La-OCu-OLa-OLa(Sr)-Cu-O (2-1-4相相)超导体超导体具有具有K2NiF4结构的结构的La2-xMxCuO4 (MSr，Ba)是由是由La2CuO4掺杂得掺杂得到的。晶体结构属四方晶系，晶格到的。晶体结构属四方晶系，晶格常数常数a = 0.3

21、8nm 和和c1.32 nm。纯的纯的La2CuO4是不超导是不超导的，当氧过量或部分的，当氧过量或部分La3+离子被二价的离子被二价的Sr2+和和Ba2+所替代时才显示所替代时才显示出超导性质，超导转变出超导性质，超导转变温度在温度在20-40K之间，取之间，取决于掺杂元素决于掺杂元素M和掺杂和掺杂浓度浓度x。La1.85 Sr0.15Cu1-xNix O4的电阻的电阻Hall系数系数Y-Ba-Cu-OY-Ba-Cu-O的结构示意图的结构示意图Y-Ba-Cu-O 超导体超导体* 畸变的铜氧面畸变的铜氧面*不等价的氧占位不等价的氧占位* 存在一维的铜氧链存在一维的铜氧链在在Y-Ba-Cu-O中

22、，中，Y一般用稀土元素来替换后，仍保持一般用稀土元素来替换后，仍保持Y-123结结构，而且对构，而且对Tc影响不大。但用影响不大。但用Ce和和Pr置换后，由于导致了载流置换后，由于导致了载流子的局域化，使其丧失了超导电性。在子的局域化，使其丧失了超导电性。在Y-123化合物中用过渡族化合物中用过渡族元素元素Fe、Ni、Co和和Zn以及以及Ga、Al、Mg等置换部分等置换部分Cu后，导致后，导致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线性电阻线性电阻电阻率各向异性电阻率各向异性随成分而改变随成分而

23、改变PrPr掺杂导致超导掺杂导致超导电性的丧失电性的丧失Bi-Sr-Ca-Cu-OBi-Sr-Ca-Cu-O 超导体超导体uBi系超导相平均晶体结构为四方晶系，体心点阵系超导相平均晶体结构为四方晶系，体心点阵uBi系四个超导相的晶胞参数系四个超导相的晶胞参数a, b相近，相近，c分别为分别为2.46 nm、3.08 nm、3.70 nm和和4.40 nmu随着随着c的增加，的增加，Tc也增加也增加u结构特点：结构特点：Cu-O层被层被Bi2O2双层隔开。不同相的结构差异在双层隔开。不同相的结构差异在于相互靠近的于相互靠近的Cu-O层的数目和层的数目和Cu-O层之间层之间Ca层的数目层的数目*

24、结构上的相似性，使得不可避免地有多相共生的现象结构上的相似性，使得不可避免地有多相共生的现象通式：通式：Bi2Sr2Can-1CunO2n+4, n 1, 2, 3, 42201相相 (7-22K）2212相（相（85K）2223相（相（110K）2234相（不稳定相）相（不稳定相）Bi-Sr-Ca-Cu-O 超导体超导体220122122223Bi-OSr-OCu-OSr-OBi-O一层铜氧面一层铜氧面Bi-OSr-OCu-O CaCu-OSr-OBi-O两层铜氧面两层铜氧面Bi-OSr-OCu-O CaCu-O CaCu-OSr-OBi-O三层铜氧面三层铜氧面BSCCO的的电子显微镜电子显

25、微镜高分辨图高分辨图BSCCO界里面的界里面的STM图图Bi-Sr-Ca-Cu-O 超导体超导体220122122223Bi-Sr-Ca-Cu-O 超导体超导体220122122223Bi-OSr-OCu-OSr-OBi-O一层铜氧面一层铜氧面Bi-OSr-OCu-O CaCu-OSr-OBi-O两层铜氧面两层铜氧面Bi-OSr-OCu-O CaCu-O CaCu-OSr-OBi-O三层铜氧面三层铜氧面7-22 K85 K110 K无限层铜氧无限层铜氧面会如何？面会如何？Bi (Tl)系通式：系通式： A2B2Can-1CunO2n+y A (Bi或或Tl） B(Sr或或 Ba) 若无限增加铜

26、氧层的数目，即令若无限增加铜氧层的数目，即令 n ，这时在通式中的，这时在通式中的A和和B将被忽略，得到的将被忽略，得到的Ca:Cu:O = 1:1:2。根据这样的思路，通过探索合成工艺有可能得到具有无限多铜根据这样的思路，通过探索合成工艺有可能得到具有无限多铜氧层的超导体，如氧层的超导体，如CaCuO2、SrCuO2、BaCuO2等等 即即“全铜氧全铜氧层层”或或“无限铜氧层无限铜氧层”结构。结构。其特征：由很多其特征：由很多Cu-O层和层和Ca层堆垛而成的。层堆垛而成的。Ca层是最简单的层是最简单的载流子库层，超导所需的载流子是通过载流子库层，超导所需的载流子是通过Ca层的调整来实现的。层

27、的调整来实现的。这种材料的制备是在非常苛刻的高温和高氧压的条件下完成。这种材料的制备是在非常苛刻的高温和高氧压的条件下完成。利用阳离子占位不完全来调整载流子浓度，是一种提高无限层利用阳离子占位不完全来调整载流子浓度，是一种提高无限层超导体超导体Tc的有效方法。利用这种方法得到的的有效方法。利用这种方法得到的Ca1-xSrCuO2的超的超导转变温度已达导转变温度已达110K。无限层超导体无限层超导体不含铜氧面的氧化物超导体不含铜氧面的氧化物超导体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？改变改变Co-O层间距？层间距？提供耦合？其它？提供耦合？其它？不超导不超导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层层间间距。间间距。The quest for the new superconductor掺掺Pb 以调节以调节Co-O层间间距层间间距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.铁基超导材料铁基超导材料（是否和铜氧化物超导体具有相同或相似（是否和铜氧化物超导体具有相同或相似的超导机制？）的超导机制？）继铜基超导材料之后，日本和中国科学家最近相继继铜基超导材料之后，日本和中国科学家最近相继报告发现了一

33、类新的高温超导材料报告发现了一类新的高温超导材料铁基超导材铁基超导材料。料。2008年年2月，日本首先报导了氟掺杂镧氧铁砷化合月，日本首先报导了氟掺杂镧氧铁砷化合物，其物，其Tc为为26K。(LaFeAsO1-xFx)2008年年3月月25日，中国科大报导了氟掺杂钐氧铁砷日，中国科大报导了氟掺杂钐氧铁砷化合物的化合物的Tc为为43K。3月月28日，物理所报导了氟掺杂日，物理所报导了氟掺杂镨氧铁砷化合物的镨氧铁砷化合物的Tc为为52K。4月月13日物理所该科研日物理所该科研小组又有新发现：氟掺杂钐氧铁砷化合物在压力下小组又有新发现：氟掺杂钐氧铁砷化合物在压力下其其Tc进一步提升至进一步提升至55

34、K。(SmFeAsO1-xFx)物理学界认为这是高温超导研究领域的一个物理学界认为这是高温超导研究领域的一个“重大重大进展进展”。Tokyo Institute of Technology的的Hideo Hosono发现了第一个铁基高温超导材料。发现了第一个铁基高温超导材料。在温度为在温度为26K时，材料的电阻消失了。（时，材料的电阻消失了。（J.Am.Chem.Soc.130 3296） 这种晶体材这种晶体材料叫做镧铁砷氧（料叫做镧铁砷氧（LaOFeAs），由铁层和砷层中夹有镧层和氧层组成，同时还掺有），由铁层和砷层中夹有镧层和氧层组成，同时还掺有氟离子。氟离子。 对于铜基超导材料的高温超导

35、机制，物理学界仍未对于铜基超导材料的高温超导机制，物理学界仍未形成一致看法，这也使得高温超导成为当今凝聚态形成一致看法，这也使得高温超导成为当今凝聚态物理学中最大的谜团之一。因此很多科学家都希望物理学中最大的谜团之一。因此很多科学家都希望在铜基超导材料以外再找到新的高温超导材料，从在铜基超导材料以外再找到新的高温超导材料，从而能够使高温超导机制更加明朗。而能够使高温超导机制更加明朗。中日科学家新发现的这一系列铁基超导材料都具有中日科学家新发现的这一系列铁基超导材料都具有相同的晶体结构，它们在有些方面与铜基超导材料相同的晶体结构，它们在有些方面与铜基超导材料惊人地相似。但是计算表明，这些铁基超导

36、材料的惊人地相似。但是计算表明，这些铁基超导材料的晶格振动提供的电子对结合力量，不足以使材料超晶格振动提供的电子对结合力量，不足以使材料超导临界温度达到如此高的水平。导临界温度达到如此高的水平。 摆在物理学家面前的一个新问题是，摆在物理学家面前的一个新问题是，新老两类材料新老两类材料的高温超导机制是否一样？的高温超导机制是否一样？诺贝尔奖获得者、美国普林斯顿大学理论物理学家诺贝尔奖获得者、美国普林斯顿大学理论物理学家菲利普菲利普安德森说，假如不一样，那就意味着新材安德森说，假如不一样，那就意味着新材料的发现比预想的要重要得多，也许能从中发现全料的发现比预想的要重要得多，也许能从中发现全新的超导

37、机制。新的超导机制。闻海虎研究员认为，新的铁基超导材料有可能会为闻海虎研究员认为，新的铁基超导材料有可能会为探究高温超导机制提供一个更清晰的体系，在此基探究高温超导机制提供一个更清晰的体系，在此基础上，铜基超导材料的高温超导机制础上，铜基超导材料的高温超导机制“可能会一下可能会一下子变清晰子变清晰”。也有科学家持有异议。美国斯坦福大学科学家史蒂也有科学家持有异议。美国斯坦福大学科学家史蒂夫夫基沃尔森就认为，两类材料都是成面结构，都基沃尔森就认为，两类材料都是成面结构，都是从导电性能很差的材料转化而来，而且都表现出是从导电性能很差的材料转化而来，而且都表现出一种名为一种名为“反铁磁性反铁磁性”的

38、磁特性。他说：的磁特性。他说：“两者具两者具有足够的相似性，因此可以假设，它们是本质相同有足够的相似性，因此可以假设，它们是本质相同的高温超导材料。的高温超导材料。” ” 不过，科学家们都认同一点，那就是新的铁基超导不过，科学家们都认同一点，那就是新的铁基超导材料将激发物理学界新一轮的高温超导研究热。材料将激发物理学界新一轮的高温超导研究热。铁基超导体的一个主要特征是铁基超导体的一个主要特征是存在磁性与超导电性存在磁性与超导电性的竞争，当长程磁有序被一定程度抑制之后，出现的竞争，当长程磁有序被一定程度抑制之后，出现超导电性超导电性。普遍认为，超导电性与磁性涨落密切相。普遍认为，超导电性与磁性涨

39、落密切相关，但对于磁有序的起源却有不同认识。铁基超导关，但对于磁有序的起源却有不同认识。铁基超导体母体的磁性最先被认为是由费米面叠套体母体的磁性最先被认为是由费米面叠套(nesting)(nesting)驱动的自旋密度波有序态，但很快出现另外一种观驱动的自旋密度波有序态，但很快出现另外一种观点，即认为磁有序可能来自于局域自旋的反铁磁超点，即认为磁有序可能来自于局域自旋的反铁磁超交换相互作用。两种图像到底哪一个更合适，成为交换相互作用。两种图像到底哪一个更合适，成为铁基超导研究领域有争议的一个主要议题，也涉及铁基超导研究领域有争议的一个主要议题，也涉及到认识铁基超导电性的出发点。到认识铁基超导电

40、性的出发点。 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结结I-V曲线的解释曲线的解释* MIS结中的隧道效应结中的隧道效应(3)外加电压外加电压V = FF)(N超导体超导体金属金属e电子不仅可以从左边隧穿到右边，而且由于右边的电子不仅可以从左边隧穿到右边，而且由于右边的态密度很大，所以电流急剧上升。态密度很大，所以电流急剧上升。What can tell us about superconducting state ? Our results for FeAs are inconsistentwith eit

43、her of these features常规超导体和铜氧化物超导体超导能隙随温度的变化。 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磁性超导体磁性超导体超导和磁有序共存和相互竞争超导和磁有序共存和相互竞争超导再入现象（超导再入现象（1977年发现）年发现）超导和磁有序超导和磁有序共存共存Chevrel相超导体相超导体两类：两类：HoMo6S8 ErRh4B4超导超导磁有序磁有序大多数情况大多数情况TNTC 个别例外个别例外正常态超导态正常态超导态正常态超导态正常态超导态磁化率测量结果磁化率测量结果正常态超导态正常态超导态正常态超导态正常态超导态电阻测量结果电阻测量结果磁场抑制超导磁场抑制超导再入现象再入现象不掺不

45、掺Co的样品的样品零场下零场下无超导再入现象无超导再入现象掺杂与加场掺杂与加场有同样效果有同样效果YNi2B2C比热随着磁场的方向而振荡比热随着磁场的方向而振荡 （磁场方向在（磁场方向在ab面内）面内）重费米子超导体重费米子超导体德拜温度高，但超导转变温度却很低德拜温度高，但超导转变温度却很低u样品的电子有效质量非常高，高达自由电子质量的样品的电子有效质量非常高，高达自由电子质量的10001000倍。这种具有极高有效质量的电子称为重费米子倍。这种具有极高有效质量的电子称为重费米子u材料的电子比热非常高，相当于普通过渡金属比热材料的电子比热非常高，相当于普通过渡金属比热数值的数值的100100倍

46、倍u电子来源于极窄的导带，而极窄的导带意味着在动电子来源于极窄的导带，而极窄的导带意味着在动量空间中极大的电子态密度和很高的有效质量量空间中极大的电子态密度和很高的有效质量u有极高的上临界场有极高的上临界场重费米子超导体重费米子超导体几类常见的重电子超导体几类常见的重电子超导体uCeMIn5 (M = Co, Ir铱铱, Rh铑铑)uCeM2X2 (M = Cu, Ni, Ru钌钌, Rh, Pd钯钯, Au X = Si, Ge)uUPt3, UBe13，UGe2, UPd2Al3CenMmIn3n+2m的结构的结构由由CeIn3层和层和MIn2层组成层组成 准二维准二维CeCoIn5的比热

47、和上临界磁场的比热和上临界磁场20012001年年发现超导发现超导 Tc = 2.3K 非常规超导体非常规超导体CeCoIn5的比热随磁场变化行为的比热随磁场变化行为超导态超导态CeCoIn5的各向异性热导的各向异性热导超导能隙是四重对称超导能隙是四重对称CeRhIn5在在17kBar以上的压力下超导以上的压力下超导超导和反铁磁超导和反铁磁没有共存区没有共存区CeRhIn5相图相图超导电性出现超导电性出现超导和反铁磁竞超导和反铁磁竞争：压力抑制反争：压力抑制反铁磁有序，诱导铁磁有序，诱导超导电性超导电性过渡还是共存？过渡还是共存？CeMIn5小结小结：1，结构由，结构由CeIn3和和 MIn2

48、组成，准二维组成，准二维2， C(Tc)/ T = 5, 而而BCS值为值为1.43，非常规超导，非常规超导3，能隙各向异性，四重对称，能隙各向异性，四重对称4，磁场抑制超导，压力诱导超导，磁场和压力均，磁场抑制超导，压力诱导超导，磁场和压力均 可改变基态性质可改变基态性质UPt3的结构和的结构和反铁磁有序反铁磁有序TN=5.8KUPt3单晶的电阻单晶的电阻各向异性各向异性UPt3比热曲线的双峰结构比热曲线的双峰结构双能隙和双超导转变温度双能隙和双超导转变温度UPt3的的B-T相图相图三个超导相三个超导相UPt3在超导态的热导各向异性在超导态的热导各向异性反映超导能隙反映超导能隙各向异性各向异

49、性UPt3小结小结：1，两个超导转变，两个超导转变2，超导序参量是多分量的，有，超导序参量是多分量的，有p波对称波对称3，在磁场温度相图上有，在磁场温度相图上有3个超导相个超导相新型超导体新型超导体 MgB2u 20012001年年1 1月月1010日，日本青山学院大学秋光纯的研究小日，日本青山学院大学秋光纯的研究小组发现金属间化合物组发现金属间化合物MgB2具有超导电性，超导转变温具有超导电性，超导转变温度高达度高达39K39K。uMgB2结构简单，易于制作和加工结构简单，易于制作和加工，有着广阔的应用，有着广阔的应用前景。前景。简单化合物中，超导转变温度最高的简单化合物中，超导转变温度最高的典型的典型的BCSBCS超导体超导体MgB2的超导电性的超导电性二硼化镁超导体的主要物理性质二硼化镁超导体的主要物理性质uMgB2的结构属六方晶系，在两个硼原子层之间有一个镁的结构属六方晶系，在两个硼原子层之间有一个镁原子层。研究表明，原子层。研究表明，二硼化镁的超导电性源于硼原子层。二硼化镁的超导电性源于硼原子层。u科学家们采用科学家们采用“掺杂掺杂”的方法的方法, 在在MgB2的基础上寻找具有的基础上寻找具有更高临界温度的超导体。通常有两种掺杂的方法：更高临界温度的超导体。通常有两种掺杂的方法：(1)