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高溫超導(dǎo)電性（高溫超導(dǎo)電性）

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高溫超導(dǎo)電性

高溫超導(dǎo)電性（high temperature superconductivity）通常指臨界溫度Tc超過25K的超導(dǎo)電性。高溫超導(dǎo)體發(fā)現(xiàn)以前，超導(dǎo)電性大多出現(xiàn)在金屬、合金或化合物當(dāng)中，臨界溫度最低的超導(dǎo)體是鈮三鍺(Nb3Ge)，Tc為23.2K，這類超導(dǎo)體通常稱為低溫超導(dǎo)體或常規(guī)超導(dǎo)體。它們的性質(zhì)可用電子–聲子相互作用的BCS理論來描述。

基本信息

外文名	high temperature superconductivity
定義	指臨界溫度超過25K的超導(dǎo)電性

發(fā)現(xiàn)

1986年10月瑞士科學(xué)家K.繆勒和德國科學(xué)家J.貝德諾爾茨在研究氧化物陶瓷材料LaBaCuO時(shí)發(fā)現(xiàn)了在35K的超導(dǎo)跡象，不久中國科學(xué)家和美國科學(xué)家?guī)缀跬瑫r(shí)獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)了臨界溫度在液氮溫度（77.3K）以上的釔鋇銅氧（YBaCuO）超導(dǎo)體，T達(dá)到93K。隨后科學(xué)家們研制出多系列100多種氧化物超導(dǎo)體。最有代表性的幾種系列的氧化物超導(dǎo)體包括鑭鋇銅氧[(LaBa)CuO]、釔鋇銅氧（YBaCuO）、鉍鍶鈣銅氧（BiSrCaCuO）、鉈鋇鈣銅氧（TlBaCaCuO）、汞鋇鈣銅氧（HgBaCaCuO）、釹鈰銅氧[(NdCe)CuO]及鍶鑭銅氧[(SrLa)CuO]等。其中(NdCe)CuO和(SrLa)CuO的載流子是電子，為N型氧化物超導(dǎo)體，其他幾種氧化物超導(dǎo)體的載流子為空穴，是P型超導(dǎo)體。許多氧化物超導(dǎo)體的臨界溫度超過液氮溫度，臨界溫度最高的是HgBaCaCuO ，常壓下的T達(dá)到135K，在45×10 帕的高壓下T達(dá)到164K，這類超導(dǎo)體統(tǒng)稱為高溫氧化物超導(dǎo)體或高溫超導(dǎo)體。高溫超導(dǎo)機(jī)制尚未完全認(rèn)識(shí)。

1991年發(fā)現(xiàn)的C摻堿金屬的RbCsC和2001年發(fā)現(xiàn)的MgB化合物超導(dǎo)體的臨界溫度分別達(dá)到33K和39K，屬于非氧化物的高溫超導(dǎo)體，但這些超導(dǎo)體的超導(dǎo)機(jī)制及其超導(dǎo)性質(zhì)都可用通常的BCS理論來描述，一般將這類高溫超導(dǎo)體歸于常規(guī)超導(dǎo)體。

結(jié)構(gòu)特征

高溫氧化物超導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)比常規(guī)超導(dǎo)體復(fù)雜，結(jié)構(gòu)特征與高溫超導(dǎo)電性有密切關(guān)系。高溫氧化物超導(dǎo)體中缺陷是本征的，而且相干長度很短，只有納米量級(jí)，因此高溫超導(dǎo)電性不僅與材料的平均結(jié)構(gòu)有關(guān)，對(duì)局部精細(xì)結(jié)構(gòu)（如非計(jì)量配比氧含量、調(diào)制結(jié)構(gòu)、陽離子無序分布、孿晶及其他短程序結(jié)構(gòu)等）也都十分敏感。

高溫氧化物超導(dǎo)體有共有的結(jié)構(gòu)特征，均屬于ABO鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的衍生物，它們的組分可通過元素替代在很寬的范圍內(nèi)發(fā)生變化，結(jié)構(gòu)中或多或少地存在著氧缺位和A晶位陽離子缺位。高溫氧化物超導(dǎo)體具有層狀結(jié)構(gòu)，晶體原胞均由單層或多層CuO面和一些插入層組成。CuO面為導(dǎo)電層，對(duì)超導(dǎo)電性和正常態(tài)輸運(yùn)性質(zhì)起關(guān)鍵作用。CuO面為完整的四角結(jié)構(gòu)，化學(xué)組成單純；插入層為結(jié)構(gòu)上不完整的載流子庫層，或者化學(xué)組分不單純，通過元素化學(xué)取代，替代陽離子或改變氧含量，為CuO面提供載流子。如(LaSr)CuO的導(dǎo)電層CuO面被具有NaCl結(jié)構(gòu)的LaO插入層所夾。YBaCuO的導(dǎo)電層由Y原子隔開的兩個(gè)CuO面組成，插入層是BaO–CuO–BaO。

從結(jié)構(gòu)特征可推知，一種高溫氧化物超導(dǎo)體經(jīng)元素化學(xué)取代，可伴隨一個(gè)系列的高溫氧化物超導(dǎo)體出現(xiàn)。

相圖

高溫氧化物超導(dǎo)體的母相是反鐵磁絕緣體，通過化學(xué)摻雜引入載流子，材料從反鐵磁到順磁轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變點(diǎn)奈耳溫度T隨載流子濃度增加而下降，繼續(xù)增加摻雜量δ長程反鐵磁（AFM）有序被抑制，出現(xiàn)超導(dǎo)電性（SC）。超導(dǎo)電性的臨界溫度T與摻雜量δ有關(guān)，在最佳摻雜時(shí)T達(dá)到最大值。在欠摻雜區(qū)T隨摻雜量δ增加，在過摻雜區(qū)T隨δ減小，一直到超導(dǎo)電性消失，出現(xiàn)正常金屬態(tài)。通過摻雜引入載流子可以是電子（N型）也可以是空穴（P型），在相變溫度和摻雜量δ（或載流子濃度）的相圖中，P型材料和N型材料的相圖有明顯的差別，相圖不對(duì)稱。

P型材料中欠摻雜和最佳摻雜區(qū)的正常態(tài)性質(zhì)與費(fèi)米液體有很大的區(qū)別，電子態(tài)密度也被壓低，在超導(dǎo)臨界溫度T和T(T是贗能隙開始出現(xiàn)的溫度)之間出現(xiàn)贗能隙，超導(dǎo)態(tài)的電子對(duì)波函數(shù)有d波對(duì)稱性，在過摻雜區(qū)正常態(tài)性質(zhì)接近費(fèi)米液體性質(zhì)。N型材料中反鐵磁有序在比較寬的摻雜區(qū)域中存在，而超導(dǎo)電性出現(xiàn)的范圍比較窄，若不加磁場無贗能隙現(xiàn)象，電子對(duì)的對(duì)稱性與樣品和摻雜量有關(guān)。如在無限層超導(dǎo)體(SrLa)CuO中，電子對(duì)具有s波對(duì)稱性。

超導(dǎo)態(tài)性質(zhì)

高溫超導(dǎo)電性形成的原因依然是電子對(duì)在低溫下凝聚成庫柏對(duì)，表現(xiàn)出的許多宏觀特性與低溫超導(dǎo)體相同。如有零電阻現(xiàn)象；存在邁斯納效應(yīng)；屬于第Ⅱ類超導(dǎo)體，在一定外場下磁場線進(jìn)入超導(dǎo)體內(nèi)部，形成混合態(tài)；第Ⅱ類超導(dǎo)體的臨界電流密度由磁通線釘扎力決定；兩塊超導(dǎo)體之間弱連接會(huì)出現(xiàn)約瑟夫森效應(yīng)等。但導(dǎo)致高溫超導(dǎo)電性的電子配對(duì)機(jī)制與常規(guī)超導(dǎo)體的不同，而且高溫超導(dǎo)體臨界溫度T很高，相干長度ξ很短，有強(qiáng)的各向異性，以及電子對(duì)的波函數(shù)主要是d波對(duì)稱性，因此高溫超導(dǎo)體的超導(dǎo)態(tài)性質(zhì)出現(xiàn)許多新的特征。

狀態(tài)與磁場、溫度關(guān)系

常規(guī)第Ⅱ類超導(dǎo)體可用京茨堡–朗道（G–L）平均場理論描述，其H–T相圖主要包括三個(gè)區(qū)域：磁場強(qiáng)度在下臨界場H以下處于邁斯納態(tài)；在H和上臨界磁場強(qiáng)度H之間處于混合態(tài)，磁場以量子化磁通線的形式進(jìn)入體內(nèi)，形成磁通線格子；在H以上處于正常態(tài)。

高溫超導(dǎo)體中熱漲落明顯，G–L平均場理論不適用。描述熱漲落的京茨堡參量為

Gi=[T/(Hεξ )] /2

式中ε為各向異性參量，ε=(m/M) <1，m、M分別為a，b面和c方向的電子有效質(zhì)量。高溫超導(dǎo)體的Gi比常規(guī)超導(dǎo)體約高六個(gè)量級(jí)。強(qiáng)的熱漲落現(xiàn)象使混合態(tài)中出現(xiàn)磁通格子“溶化區(qū)”，磁通格子轉(zhuǎn)變成磁通“液體”。而在H附近，有序參數(shù)漲落明顯，H已不再是熱力學(xué)相變線。

磁通線釘扎及行為

超導(dǎo)體中有缺陷時(shí)磁通線更容易處在缺陷位置，形成磁通線釘扎中心，磁通釘扎強(qiáng)度和洛倫茲力平衡決定第Ⅱ類超導(dǎo)體的臨界電流。高溫超導(dǎo)體的相干長度ξ很小，因此有效釘扎中心的尺寸比較小。此外，氧化物高溫超導(dǎo)體是摻雜的絕緣體而不是金屬，釘扎中心主要是點(diǎn)缺陷（如氧空位），所以釘扎勢比較弱，集體釘扎對(duì)臨界電流起重要作用?？梢匀斯ひ霃?qiáng)釘扎中心，如用重離子轟擊產(chǎn)生延續(xù)的柱狀缺陷以及薄膜生長形成的螺型位錯(cuò)等都有較強(qiáng)的釘扎作用。對(duì)于BiSrCaCuO等強(qiáng)各向異性的超導(dǎo)體，線狀磁通線被二維餅狀磁通渦旋陣代替，有序參數(shù)在CuO面之間要減弱，導(dǎo)致本征釘扎作用，這些特性將影響高溫超導(dǎo)體的臨界電流。

若考慮釘扎無序，在動(dòng)力學(xué)意義上的H–T相圖會(huì)有新相形成：在磁通格子區(qū)出現(xiàn)磁通玻璃相：在磁通液體區(qū)出現(xiàn)磁通線釘扎液體和磁通線無釘扎液體。在這些新相區(qū)中磁通線動(dòng)力學(xué)行為將有很多新內(nèi)容。

熱漲落也將影響磁通線的動(dòng)力學(xué)行為。磁通線熱激活越過釘扎勢壘，導(dǎo)致磁通線蠕動(dòng)，產(chǎn)生損耗。高溫超導(dǎo)體中熱漲落產(chǎn)生巨蠕動(dòng)，而且熱漲落在其位移空間內(nèi)可“抹平”釘扎勢，使有效釘扎減弱。實(shí)驗(yàn)上出現(xiàn)的新現(xiàn)象包括：有限磁場中T附近的電阻轉(zhuǎn)變曲線加寬；上臨界場H以下會(huì)出現(xiàn)明顯的不可逆線；遠(yuǎn)低于T的溫度還有明顯的蠕動(dòng)行為；臨界電流隨溫度升高下降得很快；溫度較低時(shí)量子漲落出現(xiàn)磁通量子蠕動(dòng)現(xiàn)象等。

對(duì)稱性和有關(guān)性質(zhì)

常規(guī)超導(dǎo)體中導(dǎo)致電子配對(duì)的是電子–聲子相互作用，庫柏對(duì)具有s波對(duì)稱性，能隙函數(shù)Δ在空間基本上是各向同性的，也沒有相位變化。高溫超導(dǎo)體中電子間的反鐵磁自旋相互作用很強(qiáng)，導(dǎo)致電子配對(duì)的相互作用可能是電子的磁性漲落，而不是電子–聲子相互作用，電子對(duì)d波對(duì)稱性的可能性最大。

實(shí)驗(yàn)證明BiSrCaCuO、TlBaCaCuO等四方晶體的P型超導(dǎo)體中，電子對(duì)對(duì)稱性主要是d 波，在正交相YBCO超導(dǎo)體中總存在d波和s波的混合，而N型高溫超導(dǎo)體中主要是s波對(duì)稱性。d 對(duì)稱性的能隙函數(shù)在K=±K處有節(jié)點(diǎn)而且過節(jié)點(diǎn)，相位發(fā)生變化。有實(shí)用意義的高溫超導(dǎo)體主要是d 波對(duì)稱性，d波對(duì)稱性對(duì)超導(dǎo)態(tài)性質(zhì)有重要影響。

高溫超導(dǎo)體由于晶界小面化現(xiàn)象，在晶界特殊取向地方出現(xiàn)局域相差π，產(chǎn)生反相超流，形成自發(fā)環(huán)流及相應(yīng)的自發(fā)磁通。同時(shí)使高溫超導(dǎo)體晶界處的臨界電流有明顯的下降，臨界電流漲落和噪聲增加。

超導(dǎo)電性機(jī)制

高溫超導(dǎo)體的電子配對(duì)機(jī)制。比較一致的看法是由于載流子有強(qiáng)的電子關(guān)聯(lián)，未摻雜的銅氧化物的基態(tài)是反鐵磁莫特絕緣體，在CuO面中存在Cu -Cu 離子最近鄰反鐵磁（AFM）交換作用，摻雜后奈耳溫度下降，一直到長程反鐵磁有序消失，產(chǎn)生超導(dǎo)電性，但超導(dǎo)態(tài)還保持著短程AFM的自旋關(guān)聯(lián)。實(shí)驗(yàn)上證實(shí)，P型和N型兩類高溫氧化物超導(dǎo)體的低能自旋激發(fā)是不同的，P型氧化物中為無公度的自旋激發(fā)并伴有能隙，而N型氧化物中的低能自旋激發(fā)是自旋密度波SDW。

從高溫氧化物超導(dǎo)體的相圖看到，d波對(duì)稱性、贗能隙現(xiàn)象以及電荷條紋相等特征都不是高溫超導(dǎo)電性的必要條件，而是競爭有序的結(jié)果。高溫超導(dǎo)電性的復(fù)雜性表現(xiàn)在多種基態(tài)存在各種競爭有序的現(xiàn)象。

試圖說明高溫超導(dǎo)電性的理論有：基于正常態(tài)非費(fèi)米液體的共振價(jià)鍵理論（RVB）和在RVB理論基礎(chǔ)上發(fā)展的盧蒂格液體理論，其主要結(jié)果是自旋–電荷分離，低能激發(fā)包含無電荷的自旋子和無自旋的空穴子。自旋漲落理論認(rèn)為超導(dǎo)來自CuO面，與面內(nèi)AFM關(guān)聯(lián)有密切關(guān)系，該理論明確預(yù)言d波對(duì)稱性；從反鐵磁絕緣相出發(fā)，強(qiáng)調(diào)同位庫侖排斥作用，還要考慮載流子的巡游特性的哈伯特模型以及相關(guān)的t–J模型等。P型和N型氧化物超導(dǎo)性質(zhì)的不對(duì)稱說明不能用單帶哈伯特模型，而要使各種現(xiàn)象統(tǒng)一起來必須使用多帶近似，或應(yīng)包含其他自由度。另外，載流子之間有效吸引相互作用要經(jīng)受強(qiáng)的同位庫侖排斥作用的背景。