高临界温度超导体在低温下的正常态性质

高临界温度超导体在低温下的正常态性质

在超导转变温度以上,超导体处于正常态,这时电荷载流子运动伴随损耗,像通常正常金属那样存在一定的电阻.铜氧化合物高临界温度超导体(以下简称高温超导体)的正常态是二维性质的,载流子在铜氧平面内移动容易,而在二个铜氧面之间的运动很困难.高温超导体的二维正常态性质是很特别的,从光学性质、磁性以及输运性质的研究中已看出它不同寻常.许多物理学家相信,对高温超导体正常态性质的理解是最终阐明高温超导电性机制的关键.作为一个例子:高温超导体在铜氧平面内,即在晶体的ab 面内的正常态电阻率随温度线性下降,类似于金属的电阻率行为;而铜氧面之间,即在晶体的c 轴方向的电阻率随温度下降而图1　高温超导体La 2-x Sr x C uO 4电子相图

迅速增加,类似于绝缘体.这种电阻率的二维性质从室温一直延伸到临界温度T c 以上,在T c 以下,由于出现超导性,正常态性质被掩盖住.最近利用超过60T 的强磁场(相当于地磁场的150万倍)使超导态破坏,来揭示高温超导体在低温下的正常态性质.图1是高温超导体La 2-x Sr x CuO 4的电子相图,在La 2CuO 4中通过Sr 的掺杂来调整载流子浓度,得到不同的相.电荷载流子可以是空穴型,也可以是电子型的,在La 2-x Sr x CuO 4系中和绝大多数铜氧化合物高温超导体中,载流子是空穴型的.在低温区,随空穴载流子浓度x 增加,先是出现绝缘体相,当x 超过0.06时,出现超导态;空穴浓度增加到超过0.25时,变在金属相.空穴浓度约在0.16时(图中用箭号指出),超导转变温度最高,等于40K ,这个空穴浓度称最佳掺杂浓度.载流子浓度在

最佳掺杂浓度以下时,T c 下降.空穴浓度小到一定程度后,超导性消失,化合物成为绝缘体,电阻随温度下降而增加,到绝对零度时,电阻无限大,不再有电流流过.这个区域的导电机制是可变范围跳跃机制(variable range hopping ),电荷载流子绝大部分局域在单个杂质附近,外电场中载流子在杂质之间跳跃.掺杂浓度在绝缘体相和超导相之间,实验上观察到可变范围跳跃电阻以及铜氧平面内不寻常的电阻率温度对数关系.当空穴载流子浓度增加到最佳掺杂浓度以上时,T c 也下降,直到超导性消失,出现金属相,有普通金属的性能,但仍保持不寻常的铜氧面电阻率线性温度关系,这种关系在最优掺杂区是明显的.人们希望研究正常态下绝缘相到金属相的过渡,因为超导相出现在两者之间,要想看到两者之间的过渡除非使样品进入正常态,如加强的磁场使超导性消失.高温超导体的凝聚能很高,要使它进入正常态必须要有高的温度或很强的磁场.对于LaSrCuO 超导体,60T 的磁场可使超导性完全消失,揭示出全新的正常态性质

.

图2　高温超导体La 2-x Sr x C uO 4

在60T 强磁场中的电子相图

图2给出了最引人注意的新发现.虚线表示不加磁场时超导相区域(与图1类似),加60T 磁场使超导相消失,我们看到正常态的绝缘相和金属相交叉发生在最佳掺杂浓度附近.在打横断线的绝缘相区域行为很特别,ab 面和c 轴方向的电阻率随温度下降以对数关系发散,而在掺杂浓度低于0.06的绝缘相区域,出

现通常的可变范围跳跃性质.

·

59·27卷(1998年)1期

在LaSrCuO中观察到的奇怪的新的正常态行为是否也出现在其他的高温超导体中?这是不是高温超导体共同的性质?需要做进一步的实验,对YBaCuO, BiSrCaCuO和T lBaCaCuO等最熟悉的高温超导体,它们的临界温度在100K附近甚至更高,进一步的实验需要更高的磁场,实验难度更大.但高温超导电性之谜还是激励科学家去建立更高的磁场来探索超导相区域的正常态性质.

[中国科学院物理研究所　杨乾声编译

自《Physics News in1996》(Supplement

to《APS New s》,1997年5月出版)]

“薛定谔猫”实验成为现实

过去只在纸上谈论的量子力学假想实验,最近已在量子光学实验室中成为真实的实验,这些实验涉及的是单原子、光子、某整体量子系统的量子部分的行为,等等,而研究结果揭示了量子理论更深刻的解释,特别是关于电磁场的最子性质、一对量子体系之间的鬼幻纠缠以及能耗对量子相干性的破坏.上述实验的常见理想模型是Jay nes-Cummings(JC)模型,它描述了一个二能级量子系统同一个谐振子量子系统之间的耦合.近来,法国和美国两个小组分别进行了两种互补性实验,以JC模型为出发点,成功地验证了量子力学的一些基本概念.

巴黎高等师范学校由S.Haroche领导的小组研究了一个二能级原子同单个谐振子即一个超导腔中微波场的相互作用.超导腔由一对靠得很近的铌板组成,其中微波电磁场只能具有某特定频率和局域化性质.从经典物理的角度看,原子和微波腔之间应出现正弦式的能量交换.根据量子力学,微波场只能具有量子化的能量包,即光子.然而,一个原子与量子场之间能量相干交换的分立性,过去一直没有很清楚地观察到.

在巴黎高等师范学校的实验中,微波腔首先被冷却到零点,即最低能量态.给腔注入少量的微波能量之后,腔场同时进入几个量子态,每个态对应着数量不大且不同的微波光子数.这就是量子世界中所谓一个未经扰动或测量的量子体系,它可同时处于许多量子态,称为叠加态.在腔中再通过一束铷原子,原子与腔场发生相互作用即周期性的能量交换.根据经典理论,只应出现一个Rabi频率,即能量交换频率.然而,这次实际观察到的有几个不同的Rabi频率,每个频率对应着原子与一个不同的量子场能级的周期性能量交换.

美国Boulder的国家标准与技术研究所D. Wineland的小组研究的量子体系同法国的在形式上类似,在非均匀的电场中捕获单个铍离子.此时的二能级系统由离子外层电子的能级组成,量子化谐振子为离子绕阱中心的振荡运动,其振动能级为等间距的,能量交换是在电子态和振动态之间进行,非常类似于原子同光场的能量交换.经过对单一离子的反复多次测量,观察到了二电子能级之间布居数的演化,从而提供了关于离子振动能级是怎样变化的信息.增加注入能量以增加离子的振动能级数量,直接对应着巴黎实验中增加注入微波能量.

上述两个实验中,所测得的基态布居数与时间的关系曲线很相似,都呈现所谓的崩塌与复苏的周期振荡现象.对曲线进行傅氏变换后就可分析谐振子各量子叠加态的能级.在实验中,二能级系统同谐振子系统被“纠缠”在一起,即对一个系统进行的测量完全确定了对另一个系统的测量结果,即使是两个离得很远并似乎是完全独立、无任何联系的系统.量子理论只给出描述整体系统的波函数,不能单独描述系统的某部分的行为.即使原子远离了微波腔,一旦对原子态进行测量后,也就立即确定了腔场所处的状态,此状态是原子还在腔里时就有了,但只有原子被测后才能确定是哪一个状态.这种非局域的纠缠作用被爱因斯坦称为“远距离的鬼幻作用”.

Wineland的小组将离子的电子能态同其振动能态纠缠在一起,从而演示了著名的薛定谔猫的实验.在这个假想的猫实验中,一个放射性衰变的原子(量子体系)同猫的死活两个状态是纠缠在一起的,即对放射性原子进行测量的结果似乎会决定猫是死是活(当然,猫的死活并不是一个量子概念).该组人员把离子的电子态对应的波包分成间距为80nm的两部分,即比离子本身直径大几百倍,电子态同离子在阱中的位置纠缠在一起,即波包的两个分离的经典位置对应着猫的活或死.

法国小组的猫态对应着具有不同位相、同时存在于腔内的两个微波场的叠加态.处于电子叠加态的单原子通过腔时,导致电子态与腔场态之间的纠缠.再送一个原子穿过腔,测量共能量的干涉效应,便可判断微波场的叠加态.腔场两个部分之间的相对位相不稳定,因为它对整个量子体系与环境的不可避免的能量交换非常敏感.通过改变腔中的光子数并监视量子干涉效

·

60

·物理