第32讲、超导电性 I、传统超导现象及其微观理论 L.传統超导现象及其微观理论 1911年,HK. Onnes(1913得诺贝尔奖) 1957+,J Bardeen, L N Cooper and J.R. 2.临界温度、电流、磁场 超导体是否理想导体? Schrieffer(BCS理论,1972得诺贝尔奖 1962年,B.D. Josephson(197得诺贝尔奖) 6.单电子隧穿效应和BCS的验证 IL高温超导村料结构及机理探索 种p∥45.2413che國体学 体理学 1、低温超导现象 Ones发现超导现象 关于低湿时金属电阻的推测 ·荷兰物理学家H.K 1.如完全来源于电于一声子散 Onnes 射,极低温时下下降 ·成功液化氮气,T<42 如来源于杂质、缺陷散射 ·开创了低温物理研究 则电阻与温度无关楚子常数 三年后,1913年 3.如金属中载流子浓度随T下降 而减少,则电阻反而上升 1911年Ones发现,在临界 温度T=415K以下,汞进入 ·这条曲线是可逆 不表减少他称其为起寻米 零,或,电流一旦建立 的45.2412che回体制是学 趣452413 binche体嚼理学 ·随后的研究明「耕T八K材/k 很多金属都有这 2、临界温度、电流、磁场 种性质:有28种 2.39 元赛在常压下具m「340NbSm18051 存在一个临界直 Critical Current 114Nb34[175 Hg4.15NiBi425 超过临界电流 cd056 超导态被破坏 室温下 125 超导体转入正常 TiCo.71 转变温度比纯金 Zn0.88AuSb,058 具高 Au、Ag、Cu等 23456789 良导体没有 P719c192 Te7.77 NbN160 趣452413 binche物理学
1 http://10.45.24.132/~jgche/ 固体物理学 1 第32讲、超导电性 I. 传统超导现象及其微观理论 1. 低温超导现象 2. 临界温度、电流、磁场 3. 超导体是否理想导体？ 4. Meissner效应 5. Cooper对 6. 单电子隧穿效应和BCS的验证 7. Josephson效应 II. 高温超导材料结构及机理探索 1. 氧化物超导的发现 2. 结构共性与超导电性 http://10.45.24.132/~jgche/ 固体物理学 2 I、传统超导现象及其微观理论 • 1911年, H. K. Onnes (1913得诺贝尔奖) • 1957年, J. Bardeen, L. N. Cooper and J. R. Schrieffer (BCS理论，1972得诺贝尔奖) • 1962年, B. D. Josephson (1973得诺贝尔奖) http://10.45.24.132/~jgche/ 固体物理学 3 1、低温超导现象 关于低温时金属电阻的推测 1. 如完全来源于电子—声子散 射，极低温时T5下降 2. 如来源于杂质、缺陷散射， 则电阻与温度无关趋于常数 3. 如金属中载流子浓度随T下降 而减少，则电阻反而上升 • 但1911年Onnes发现，在临界 温度Tc=4.15K以下，汞进入 了一个新的状态：电阻为 零，或，电流一旦建立，永 不衰减Æ他称其为超导态 T R http://10.45.24.132/~jgche/ 固体物理学 4 Onnes发现超导现象 • 荷兰物理学家H. K. Onnes * 成功液化氦气，T<4.2K * 开创了低温物理研究 • 三年后，1913年 * 为观察杂质电阻，选择 当时可提纯最高的水银 * 发现4.15K附近水银电阻 突然消失 * 这条曲线是可逆 * Onnes因此而获1913年 的Nobel物理奖 • 随后的研究表明 * 很多金属都有这 种性质：有28种 元素在常压下具 有超导电性，但 并不排除在更低 温下，其他元素 也有 * 室温下是半导 体，低温时也有 超导电性质，且 转变温度比纯金 属高 * Au、Ag、Cu等 良导体没有 Mo 8.8 3 Ta 4.48 Ir C 19.2 60 Pb 7.19 Tc 7.77 NbN 16.0 ZrAl 0.30 2 Ga 3.40 AuSb 0.58 2 Zn 0.88 Nb 9.26 TiCo 0.71 PdSb 1.25 2 Ti 0.39 Cd 0.56 AuBe 2.64 Hg 4.15 NiBi 4.25 Nb 17.5 Al 1.14 3Al Nb 18.05 In 3.40 3Sn Nb 20.3 Tl 2.39 2Ga Nb 23.2 Sn 3.72 3Ge Tc 材料 Tc/K 材料 /K http://10.45.24.132/~jgche/ 固体物理学 6 2、临界温度、电流、磁场 • 存在一个临界直 流电流 • 超过临界电流， 超导态被破坏， 超导体转入正常 态
3、超导体是否理想导体 临界温度,临界电流,临界磁场相图 电导率无限大—理想导体 Critical Surface phase Diagram 先看实验事实:良好的金属,往往不是好的超 导体;宣温下电阻率高的金属,在低温下往往 可以变成超导体 如果是理想导体,意味着超导体内的磁感应强 度与次序有关,而不是由外界确定 T<T 种p∥45.2413che國体学 政中4524l3-iche 体理学 理想导体假设的推论与实验不符 4、 Meissner效 〔应 ·如果超导体就是理想导体,电阻为零意味着电 Meissner效应:超导态时,礅力缄被全部排斥 场为零,由 Maxwell)程可得超导体中磁场的 出超导体内重要的特征 变化率为零,导体内的磁场无论外磁场如何变 化应保持不变 ·除零电阻外,还必须判断材料是否具有完全抗 ·假想理想导体在无外雕场下冷却后进入超导 态,加入外磁场,抗雕性使超导体内磁场为 零,撤去外磁场后,超导体内磁场恢复为零 但如果在外融场存在下冷却进入超导态,磁化 状态不变,没有抗雕性。因为电导率为零,意 味着磁场变化率为零,那么撤去外磁场后, 感应磁场仍存在,样品被永久職化! p∥45.24132che园体物学 趣452413 binche体嚼理学 ·实验发现:超导体是抗 Meissner效应演示:永久磁铁放在超导体之 職性的,即外加场 当温度下降至转变温度以下时,由于職力 H,测量磁矩是M,-M 缄被完全排除在超导体外,它们之间存在的斥 随外磁场线性增加直至 力可使磁铁悬浮在超导体之上〔磁场必须小于 超导态被破坏,磁矩为 一个特定的数值) 零,这是可递的,即完 全抗融性— -Meissner效回 要判断是否处于超导 态,必须判断样品是否 具有完全抗融性 种的45.24132he园体物学 趣452413 binche物理学
2 http://10.45.24.132/~jgche/ 固体物理学 7 • 临界温度，临界电流，临界磁场相图 http://10.45.24.132/~jgche/ 固体物理学 8 3、超导体是否理想导体？ • 电导率无限大——理想导体 • 先看实验事实：良好的金属，往往不是好的超 导体；室温下电阻率高的金属，在低温下往往 可以变成超导体 • 如果是理想导体，意味着超导体内的磁感应强 度与次序有关，而不是由外界确定 T>Tc TTc T<Tc = 0 ∂ ∂ t B http://10.45.24.132/~jgche/ 固体物理学 9 • 如果超导体就是理想导体，电阻为零意味着电 场为零，由Maxwell方程可得超导体中磁场的 变化率为零，导体内的磁场无论外磁场如何变 化应保持不变 • 假想理想导体在无外磁场下冷却后进入超导 态，加入外磁场，抗磁性使超导体内磁场为 零，撤去外磁场后，超导体内磁场恢复为零 • 但如果在外磁场存在下冷却进入超导态，磁化 状态不变，没有抗磁性。因为电导率为零，意 味着磁场变化率为零，那么，撤去外磁场后， 感应磁场仍存在，样品被永久磁化！ 理想导体假设的推论与实验不符 http://10.45.24.132/~jgche/ 固体物理学 10 4、Meissner效应 • Meissner效应：超导态时，磁力线被全部排斥 出超导体内——重要的特征 • 除零电阻外，还必须判断材料是否具有完全抗 磁性 http://10.45.24.132/~jgche/ 固体物理学 11 • 实验发现：超导体是抗 磁性的，即外加磁场 Ha，测量磁矩是-M，- M 随外磁场线性增加直至 超导态被破坏，磁矩为 零，这是可逆的，即完 全抗磁性——Meissner效 应 • 要判断是否处于超导 态，必须判断样品是否 具有完全抗磁性 * 许多激动人心的发现都因 为没有抗磁性而被否定 Hc − M 1 1 c a H H http://10.45.24.132/~jgche/ 固体物理学 12 • Meissner效应演示：永久磁铁放在超导体之 上，当温度下降至转变温度以下时，由于磁力 线被完全排除在超导体外，它们之间存在的斥 力可使磁铁悬浮在超导体之上（磁场必须小于 一个特定的数值）
类和∏类超导体 ·外加離场加大时,经过一个混合态,到正常态 ·若将场加大 到一临界值 ·大部分合金属第二类超导体 ,磁场会突 然进入超导体 内部,从而破 Nor ral 坏了超导态 大部分纯金属 属第一类超导 Sr针间 H较低,使用 种p∥45.2413che國体学 体理学 5、 Cooper对超导微观解释 ·很多实验表明,正常—超导相变不是晶格相 ·思考:正常态为什么有电阻? 变引起的,只能是电子气状态的改变 ·超导态比热的测量表明能隙存在,电子在温度 ·副格如果是静止的,就没有电阻。电子被晶格 振动散射,因而产生电阻—源于电子与晶格 声救明蓬丈题中丢岩卖鉴能幼只 振动的相互作用 电子排斥作用,这只会使能量升高而不是降 低。能隙表示只有拆散电子间的吸引,电子才 Normal State 能进入正常态 ·猜测:到底什么相互作用是主要因素? ·电子自旋电子自旋相互作用 磁粗互作用 电子—晶格相互作用 邮452413 binche体理学 同位素效应:实验表明,临界温度与同位素的 质满足 M“T=常数 对一般元素, alpha=1/2,但Ru和团r未发现 Positively charged at 同位亲效应表明,尽管超导态与正常态的晶格 点阵本身没有变化,但在决定传导电子的行为 上,晶格点阵还是起了重要作用 点阵振动与超导电性有关 Cooper首先认识到,两个动量大小相等、方向相反 ·在超导态时,一对电子遁过离子形成的点阵 过昌格振动的相互作用产生 电子对的束恋 电子通过正离子点阵,引起点阵变,吸3另 电子发射一个声子这个声子立即被 子通过声子相互作用, 蝴叔电 种的45.24132he园体物学 趣452413 binche物理学
3 http://10.45.24.132/~jgche/ 固体物理学 13 I类和II类超导体 • 若将磁场加大 到一临界值 时，磁场会突 然进入超导体 内部，从而破 坏了超导态 • 大部分纯金属 属第一类超导 体 * Hc较低，使用 价值不大 http://10.45.24.132/~jgche/ 固体物理学 14 • 外加磁场加大时，经过一个混合态，到正常态 • 大部分合金属第二类超导体 http://10.45.24.132/~jgche/ 固体物理学 15 5、Cooper对——超导微观解释 • 思考：正常态为什么有电阻? • 晶格如果是静止的，就没有电阻。电子被晶格 振动散射，因而产生电阻——源于电子与晶格 振动的相互作用 http://10.45.24.132/~jgche/ 固体物理学 16 • ？ • 很多实验表明，正常——超导相变不是晶格相 变引起的，只能是电子气状态的改变 • 超导态比热的测量表明能隙存在，电子在温度 升高的激发过程中至少要吸收等于能隙的能 量，表明进入超导态后，能量降低。但如果只 有电子排斥作用，这只会使能量升高而不是降 低。能隙表示只有拆散电子间的吸引，电子才 能进入正常态 • 猜测：到底什么相互作用是主要因素？ * 电子——电子相互作用 * 电子自旋——电子自旋相互作用 * 磁相互作用 * 电子——晶格相互作用 http://10.45.24.132/~jgche/ 固体物理学 17 • 对一般元素，alpha=1/2，但Ru和Zr未发现 • 同位素效应表明，尽管超导态与正常态的晶格 点阵本身没有变化，但在决定传导电子的行为 上，晶格点阵还是起了重要作用 • 点阵振动与超导电性有关 * Cooper首先认识到，两个动量大小相等、方向相反 和自旋相反的电子，通过晶格振动的相互作用产生 吸引作用Æ形成电子对的束缚态 * 一个电子发射一个声子，这个声子立即被另一电子 吸收，这两个电子通过声子相互作用，组成电子对 M α Tc = 常数 • 同位素效应：实验表明，临界温度与同位素的 质量满足 http://10.45.24.132/~jgche/ 固体物理学 18 • 在超导态时，一对电子通过离子形成的点阵 * 一个电子通过正离子点阵，引起点阵畸变，吸引另 一个电子
Super conducting state 同位效应:吸引力是遁过晶格的媒介而发生 如昌格高子的质量 正常态时,电子形成费米球;超导态时,费米 面附近电子站合成电子对,相干长度-10cm 1957年,由 Cooper对发展而来的BCS( Barde Cooper, Schrieffer理论 在第一个电子完全通过和点阵恢复之前,第二个 解释了与赶导有关的宏观现象,如 Meissner效应, 电子进入该通道,因为晴变尚未恢复,两个电子 比热,回位效应,等等 就好象有吸引作用一样,形咸所谓的 Cooper对 1972年获 Nobel理奖 种p∥45.2413che國体学 体理学 微观解释 6、单电子隧穿效应和BCS的验证 那为什么超导态没有电阻呢 ·导体中电阻是因为电子受声子散射而改变动量 单电子隧穿效应:两个同一种超导体金属夹绝 层(约几十埃)制成的隧道结 在超导态,虽然 Cooper电子对也受声子散射 但是成对出现的这种散射却不改变总动量,所 ·当兩金部处于正常态时,Lv曲线欧姆型 以没有电阻效应 当一金属处于超导态时,LV曲线特性如图 如果 Cooper 超导态将变成正常态 温度升高 敞 Cooper对的能量→T 大,超过拆散 Cooper对的能量 Superconductor Superconduct 电流增大 如果真是电子对起作用,那么 Becton Par dk laer 磁通量是量子化的,电荷单位是2e,而不是 ·因此,最关健的是 Cooper对存在的证据何在? 45.24112gche园体制学 趣452413 binche体嚼理学 ·当小于两倍能隙时,只有数目很少的正常态 热激发电子在费米能级 看Ferm面附近电子激发后组 在费米能级 以下有少量空位,这时可以腿穿,但电流很小 Cooper对,与 Fermi子不 同, Cooper对是玻色子,所有 ·从J大于等于两倍能隙开始,大量电子可以向 的 Cooper对可凝聚在低于费米| 能隙以上的空态隧穿,电流增大 能级的同一能级上 这个转变的 ·在这个能级以下,所有能量状 可以用来测定 态全被填满,在这个能级以 1<2能隙,为meY 上,全空 重级,BCS理国2 ·拆散 Cooper对需能量2d,用 □论被实验证实 能带的语言就是这里有能朦 这个能隙宽度是d 当体系从正常态特变成超导态 时,电子气能量降低vEd SIN 45.2432kche回物学
4 http://10.45.24.132/~jgche/ 固体物理学 19 • 在第一个电子完全通过和点阵恢复之前，第二个 电子进入该通道，因为畸变尚未恢复，两个电子 就好象有吸引作用一样，形成所谓的Cooper对 http://10.45.24.132/~jgche/ 固体物理学 20 • 同位素效应：吸引力是通过晶格的媒介而发生 * 如晶格离子的质量大，则声子频率降低，因而形成 Cooper对的状态数减少，所以吸引作用弱，Tc减小 • 正常态时，电子形成费米球；超导态时，费米 面附近电子结合成电子对，相干长度~10-4cm • 1957年，由Cooper对发展而来的BCS(Bardeen, Cooper, Schrieffer)理论 * 解释了与超导有关的宏观现象，如Meissner效应， 比热，同位素效应，等等 * 1972年获Nobel物理奖 http://10.45.24.132/~jgche/ 固体物理学 21 微观解释 • 那为什么超导态没有电阻呢？ • 导体中电阻是因为电子受声子散射而改变动量 • 在超导态，虽然Cooper电子对也受声子散射， 但是成对出现的这种散射却不改变总动量，所 以没有电阻效应 • 如果Cooper被拆散，超导态将变成正常态 * 温度升高，超过拆散Cooper对的能量ÆTc * 电流增大，动能增大，超过拆散Cooper对的能量 ÆIc • 如果真是电子对起作用，那么 * 磁通量是量子化的，电荷单位是2e，而不是e • 因此，最关键的是Cooper对存在的证据何在？ http://10.45.24.132/~jgche/ 固体物理学 22 6、单电子隧穿效应和BCS的验证 • 单电子隧穿效应：两个同一种超导体金属夹绝 缘层(约几十埃)制成的隧道结 * 当两金属都处于正常态时，I-V曲线欧姆型 * 当一金属处于超导态时，I-V曲线特性如图 I V http://10.45.24.132/~jgche/ 固体物理学 23 • ？ • 看Fermi面附近电子激发后组 成Cooper对，与Fermi子不 同，Cooper对是玻色子，所有 的Cooper对可凝聚在低于费米 能级的同一能级上 • 在这个能级以下，所有能量状 态全被填满，在这个能级以 上，全空 • 拆散Cooper对需能量 2d，用 能带的语言就是这里有能隙， 这个能隙宽度是d • 当体系从正常态转变成超导态 时，电子气能量降低N(EF)d I V • 当V小于两倍能隙时，只有数目很少的正常态 的热激发电子在费米能级以上，而在费米能级 以下有少量空位，这时可以隧穿，但电流很小 • 从V大于等于两倍能隙开始，大量电子可以向 能隙以上的空态隧穿，电流增大 这个转变的V 可以用来测定 能隙，为meV 量级，BCS理 论被实验证实 I V EF V > 2d / e EF 2d S I N EF V < 2d / e EF 2d S I N
两个金属都处于超导态的隧穿 7=0时的能隙(Eg/0ev) ·能隙的实验测量 ·0.1-1meV的量级 =2d/4 ln10.5 Sn1.5 4.0 16. T7.35 体理学 273s 7、 Josephson效应 如再外加一个交变的电磁场(一定频率的电磁 波照射隧道结),会对内部的交变电流起频率 如果单电子隧穿效应中绝缘层减少至10埃后 调制作用,从而产生直流分量,直流电流的大 即使外加电压为零时,也存在超导电流,好象 小形成一系列的台阶,其对应的电压满足 绝繚层也变成超导体一样 超导电流的最大值(mA)与外磁场有关,随 雕场呈周期性变化,周期正好是遁量子 这也是一种宏观量子现象—超导研究的一个 ·电流大于l时,结电压不等于零,存在一个交 重要里程碑: Coopera对也可以隧穿。后来发晨 变的超导电子对隧穿电流,频率与成正比, 出了很多应用 o=2ev/h ·1973年获 Nobel物理奖 45.24112gche园体制学 趣452413 binche体嚼理学 直到86年高温超导发现前,共发现28种元素和 IⅠ、高温超导材料结构及机理探索 约8000种合金或化合物有超导电性 大多数在宝温下具有良好导电性质的金属如Au J Gorge Bednorz(1950-) g,Cu,Pd,P等和LNa,K等碱金属都不是超 K. Alexander Mueller (1927-) 导元素 1986年9月在 L Physik B发表他们关于La2 ·職性金属元素如Cr,Fe,Mn,C0,N等也都不是 、 Ba cuo1在35K发现超导电性的结果 超导元 1987年救 Nobel物理奖 Ge,Si等半导体材料,在高压下会转变成金属 并具有超导电性 75年的提高T努力,仅使它提高了19K,最高 的临界漫度是Nb3Ge合金,23K BCS理论判断,最高临界温度<30K! 种的45.24132he园体物学 趣452413 binche物理学
5 • 两个金属都处于超导态的隧穿 EF V < 2d / e EF S I S 2d 2d EF EF V = 2d / e S I S 2d 2d I V http://10.45.24.132/~jgche/ 固体物理学 26 T=0时的能隙(Eg/104eV) • 能隙的实验测量 * 0.1~1meV的量级 Pb 27.3 Tl 7.35 Hg 16.5 Ta 14.0 La 19.0 Sn 11.5 In 10.5 Cd 1.5 Mo 2.7 Nb 30.5 Ga 3.3 Zn 2.4 V 16.0 Al 3.4 http://10.45.24.132/~jgche/ 固体物理学 27 7、Josephson效应 • 如果单电子隧穿效应中绝缘层减少至10埃后， 即使外加电压为零时，也存在超导电流，好象 绝缘层也变成超导体一样 • 超导电流的最大值Ic (~mA)与外磁场有关，随 磁场呈周期性变化，周期正好是磁通量子 2e 0 Φ = h / ω = 2eV / h • 电流大于Ic时，结电压不等于零，存在一个交 变的超导电子对隧穿电流，频率与V成正比， http://10.45.24.132/~jgche/ 固体物理学 28 • 这也是一种宏观量子现象——超导研究的一个 重要里程碑：Cooper对也可以隧穿。后来发展 出了很多应用 • 1973年获Nobel物理奖 • 如再外加一个交变的电磁场（一定频率的电磁 波照射隧道结），会对内部的交变电流起频率 调制作用，从而产生直流分量，直流电流的大 小形成一系列的台阶，其对应的电压满足 e V n 2 ω 外h = http://10.45.24.132/~jgche/ 固体物理学 29 • 直到86年高温超导发现前，共发现28种元素和 约8000种合金或化合物有超导电性 • 大多数在室温下具有良好导电性质的金属如Au, Ag, Cu, Pd, Pt等和Li, Na, K等碱金属都不是超 导元素 • 磁性金属元素如Cr, Fe, Mn, Co, Ni等也都不是 超导元素 • Ge, Si等半导体材料，在高压下会转变成金属 并具有超导电性 • 75年的提高Tc努力，仅使它提高了19K，最高 的临界温度是Nb3Ge合金，23K • BCS理论判断，最高临界温度<30K！ http://10.45.24.132/~jgche/ 固体物理学 30 II、高温超导材料结构及机理探索 • J. Gorge Bednorz (1950-) • K. Alexander Mueller (1927-) • 1986年9月在Z. Physik B发表他们关于La2- xBaxCuO4在35K发现超导电性的结果 • 1987年获Nobel物理奖
1、氟化物超导的发现 ·YBa2Cu3O高 Resistance vs. Temperature 温超导~90K G. Bednorz和K.A. Mueller,僩钡钥氧化物 1987年3月2日 超导的可能性,德国物理学报86年4月,La2 美国 Houston 大学的来经武 readEr Ba、CuO特变温度35K 小组的结果 这个刊物影响因子不高,并未引起注意,该文 也没有提及抗雕性,他们投寄过PRL,来接受 PRL发表,2 月27日中科院 朱经武11月拿到该文复印件,12月重复实验证 物理所赵忠贤 实,并在施压后提高T到40K 小组的结由 日本东京大学的田中昭二 人民日报报 思考:能不能改变原子大小模拟施压效应? 道,开创了高 Temperature Kelvin ·認代替钡,在常压下得到高的转变温度 温超导新纪元 90K高湿的意义 种p∥45.2413che國体学 体理学 高临界温度,大临界电流超导 2、高温超导机理的探索 何时梦想成真? ·现在一般认为,BCS理论中 Cooper对的概念对 ·目前,常压,HgBa2Cu3O3,130K 高温超导机理还是适用的,即还是 Cooper电子 对的凝聚,这已为大量实验事实所证实 ·已有100多种氧化物超导 但 Cooper对的配对机理不同于低湿超导,即不 使用方面的晨开竞争 再是遁过与声子相互作用而形成 Cooper对 线材、薄膜,103A/cm2—>105Am2 有迹象显示,先配对,再相干凝聚:正常态 在有效地寻找新型超导体之前,应弄清 中,就有能隙 氧化物超导的机理—BCS? ·配对如此之强,连高湿扰动不能打开? 氧化物超导的结构与转变温度有何联系? 45.24112gche园体制学 趣452413 binche体嚼理学 高温超导结构 Hg Ba, Ca CusO, TIBa, Ca, CuyO 钙钛矿型( Catio3)结 构:夹层结构 有两种CuO层:一个 Cu与五个O构成金字 塔二单CuO2层,Cu 与近邻两个O构成 CUoRe 两个二维CuO金字塔 CuO2与CuO一单链所 在层间朦中是Ba ·BiSr2CuO含有CuO八面体 种的45.24132he园体物学 趣452413 binche物理学 6
6 http://10.45.24.132/~jgche/ 固体物理学 31 1、氧化物超导的发现 • J. G. Bednorz和K. A. Mueller，镧钡铜氧化物 超导的可能性，德国物理学报86年4月，La2- xBaxCuO4转变温度35K • 这个刊物影响因子不高，并未引起注意，该文 也没有提及抗磁性，他们投寄过PRL，未接受 • 朱经武11月拿到该文复印件，12月重复实验证 实，并在施压后提高Tc到40K • 日本东京大学的田中昭二 • 思考：能不能改变原子大小模拟施压效应？ • 锶代替钡，在常压下得到高的转变温度 http://10.45.24.132/~jgche/ 固体物理学 32 • YBa2Cu3O7高 温超导～90K • 1987年3月2日 美国Houston 大学的朱经武 小组的结果在 PRL发表，2 月27日中科院 物理所赵忠贤 小组的结果由 人民日报报 道，开创了高 温超导新纪元 • 90K高温的意义 http://10.45.24.132/~jgche/ 固体物理学 33 高临界温度，大临界电流超导 • 何时梦想成真？ • 目前，常压，HgBa2Cu3O8，130K * ——>室温？ • 已有100多种氧化物超导 • 使用方面的展开竞争 线材、薄膜，103A/cm2 ——>105A/cm2 • 在有效地寻找新型超导体之前，应该弄清 氧化物超导的机理——BCS? 氧化物超导的结构与转变温度有何联系? http://10.45.24.132/~jgche/ 固体物理学 34 2、高温超导机理的探索 • 现在一般认为，BCS理论中Cooper对的概念对 高温超导机理还是适用的，即还是Cooper电子 对的凝聚，这已为大量实验事实所证实 • 但Cooper对的配对机理不同于低温超导，即不 再是通过与声子相互作用而形成Cooper对 • 有迹象显示，先配对，再相干凝聚：正常态 中，就有能隙 • 配对如此之强，连高温扰动不能打开？ http://10.45.24.132/~jgche/ 固体物理学 35 高温超导结构 • 钙钛矿型(CaTiO3)结 构：夹层结构 • 有两种CuO层： 一个 Cu与五个 O构成金字 塔二维CuO2层， Cu 与近邻两个 O构成一 维CuO链 • 两个二维CuO2金字塔 层夹住一个Y • CuO2与CuO一维链所 在层间隙中是Ba http://10.45.24.132/~jgche/ 固体物理学 36 • HgBa2Ca2Cu3O9 • TlBa2Ca2Cu3O9 • BiSr2CuO6含有CuO八面体
2、结构共性与超导电性 都属层状钙钛矿站构 ·都包含一个四面体,八面体或平西的所谓二维 CuO2层,该层完整,超导性好 这种二维CuO2层是煺导层,证据:只需釣百 分之几的二价的磁性离子N或非磁性离子Zn替 代其中的Cu,超导电性就被破坏,而替代所谓 的一維CuO鲢中的Cu,只是改变载流子的浓度 而影响超导电性,对结构的影响更大些,另一 证据是La系高温超导没有一维CuO cagen content in YDe Cuyo7-x 氧含量的作用:不同氧成分的转变温度的实验 结果,一维CuO层載流子库 种p∥45.2413che國体学 体理学 本讲要点 概念要点 传統超导现象及机制 Meissner数应 · Cooper电子对和超导能隙 高温超导材料和机制 BCS理论中的 Cooper对仍有效,但配对机理不清 电子关联是关键 斗结构也许有启发:层状有缺陷的钙钛 结构,都包含有二维CuO超 仔库,调节作用 45.24112gche园体制学 趣452413 binche体嚼理学
7 http://10.45.24.132/~jgche/ 固体物理学 37 2、结构共性与超导电性 • 都属层状钙钛矿结构 • 都包含一个四面体，八面体或平面的所谓二维 CuO2层，该层完整，超导性好 • 这种二维CuO2层是超导层，证据：只需约百 分之几的二价的磁性离子Ni或非磁性离子Zn替 代其中的Cu，超导电性就被破坏，而替代所谓 的一维CuO链中的Cu，只是改变载流子的浓度 而影响超导电性，对结构的影响更大些，另一 证据是La系高温超导没有一维CuO链 http://10.45.24.132/~jgche/ 固体物理学 38 • 氧含量的作用：不同氧成分的转变温度的实验 结果，一维CuO层——载流子库 http://10.45.24.132/~jgche/ 固体物理学 39 本讲要点 • 传统超导现象及机制 * Meissner效应 * Cooper对和超导能隙 • 高温超导材料和机制 * BCS理论中的Cooper对仍有效，但配对机理不清， 电子关联是关键 * 高温超导材料结构也许有启发：层状有缺陷的钙钛 矿结构，都包含有二维CuO2超导层，而一维CuO链 所在层是载流子库，调节作用 http://10.45.24.132/~jgche/ 固体物理学 40 概念要点 • Meissner效应 • Cooper电子对和超导能隙