高温超导综述

超导综述

摘要：

关键词：

正文：

超导体的类型：

电子型超导体：电荷载流子为电子的超导体，或N型超导体，按BCS理论，此时结成配对电子是库珀对。

空穴型超导体：电荷载流子为空穴的超导体，或P型超导体，按BCS理论，此时结成空穴配对的库珀对。

第一类超导体：只存在一个临界磁场Hc,当外磁场小于Hc时，呈现完全抗磁性，体内磁感应强度为0.在已发现的超导体元素中只有钒，铌和锝属于第二类超导体，其他元素均为第一类超导体，但大多数超导合金属于第二类超导体。

第二类超导体：存在两个临界磁场。磁力线在超导体内部。由许多磁力线束排成相互平行的点阵结构。

超导机理：超导的准确原理还有待研究，目前存在以下几种推测。

1.“BCS”理论，“BCS”理论是以近自由电子模型为基础，是在电子—声子作用

很弱的的前提下建立的。它把超导现象看做一种宏观量子效应，它提出金属中

自旋和动量相反的电子可以配对形成所谓的“库珀对”，库珀对在晶体当中可以

无损耗的运动，形成超导电流。电子间的直接相互作用是相互排斥的库仑力，

如果仅仅存在库仑直接作用的话，电子不能形成配对。但电子间还存在以晶格

振动为媒介的间接相互作用，即电声作用。电子在晶体中移动时会吸引邻近格

点上的正电荷，导致格点的局部畸变，形成一个局域的高正电荷区。这个局域

的高正电荷区会吸引自旋相反的电子，和原来的电子以一定的结合能相结合配

对。在很低的温度下，这个结合能高于晶体原子振动的能量，这样电子对将不

会和晶体发生能量交换，也就没有能量交换，即没有电阻，形成所谓的超导。

不过BCS理论并无法成功的解释第二类超导。

2.强的铁磁和反铁磁的涨落导致超导，最近由于在铁基

LaO

X

1F

X

FeAs(x=0.05---0.12)化合物中发现有26K的超导电性，层状的

ZrCuSiAs型结构的LnOMPn化合物引起了科学家很大兴趣和关注。目前该类材

料的超导临界温度在SmO

x

-

1F

x

FeAs化合物中首次提高到43K，并在随后的研

究中发现在该类材料中最高超导临界温度可达到54K。这些重要的发现使得人们又重新对高温超导体的探索产生了极大的兴趣，并且为研究高温超导体的机理提供了一个新的材料基础。近期初步研究表明，这类新超导体属于非传统超导体，电声相互作用并不能导致如此高的临界温度。强的铁磁和反铁磁涨落被认为是可能的原因，然而其机理还不是很明朗，还有待继续研究。

3.氧缺位导致超导，赵忠贤和任治安等人认识到由于名义上的化学计量比的F含

量在烧结过程中可能丢失, 铁基超导体中氧缺位实际上是存在的. 因此, 任治安等人利用高压技术直接合成了无氟缺氧的LnFeAsO1−x, 发现超导转变温度达到了55 K, 从而证实了他们的氧位缺失导致超导的观点. 但必须说明的是, 常压合成的无氟缺氧LnFeAsO1−x并不超导, 即使样品很纯净, 也没有任何超导迹

象出现. 一种可能性是此类缺氧的相是一个亚稳相, 在常压下合成出来的实际上是不缺氧的相.

4.空穴掺杂导致超导，2008年3月20日闻海虎小组报道了利用二价的Sr代替部

分三价的La(空穴掺杂), La

x

-

1Sr

x

FeAsO可以实现25 K的超导转变, 从而否定

了Hosono小组关于空穴掺杂在铁基母体中不能实现超导的结论. 几天后, 中国

科学技术大学陈仙辉小组报道了SmFeAs- O

85

.0F

15

.0

中实现43 K的超导电性. 几

乎同一时间中国科学院物理研究所的王楠林小组[14]发现41 K超导体

CeFeAsO

x

-

1F

x

, 赵忠贤小组[15]报道了接近或超过50 K的超导体

NdFeAsO

85

.0F

15

.0

和PrFeAsO

85

.0

F

15

.0

.

超导的研究发展史：

人类寻找新超导体的历史已经持续将近100年, 在最初的几十年中, 新超导体的探索主要集中在单元素材料和多元素合金上. 然而这些材料的超导转变温度不超过

23K(Nb

3

Ge).

一个重大突破发生在1986年，IBM研究实验室的德国物理学家柏诺兹与瑞士物理学家缪勒在层状铜氧化合物体系中发现了高于40K的临界温度，随后该体系的临界温度不断提高，最终达到163K(高压下)。该发现掀起了全球范围的超导研究热潮并且对经典的“BCS”理论提出了挑战。德国物理学家柏诺兹与瑞士物理学家缪勒也获得了1987年的诺贝尔物理学奖。自此寻找更高T c的超导体的浪潮席卷全世界, 在短短的几年中, 铜氧化物超导转变温度被提升到134 K(常压)和164 K(高压). 然而铜氧化物超导体的相干长度非常短, 各向异性度很高, 又因为是陶瓷, 所以材质很脆, 这些不利因素都妨碍了它在工业上大规模的应用. 所以, 超导界的科学家们一直希望发现另外一种非铜氧基的高温超导体, 并且这种超导体具备更优异的性质.然而到目前为止，临界温度高于40K的超导体只有铜氧化合物超导体。在非铜氧化合物超导体中，临界温度最高的就是39K的MgB

2

超导体。

2008年中国科技大学物理系研究组发现，在具有ZrCuSiAs结构的钐砷氧化物

SmFeAsO

x

-

1F

x

中发现了体超导电性，该体系的超导临界温度超过43K。该材料是目前为止第

一个临界温度超过40K的非铜氧化合物超导体。高于40K的临界转变温度也有力的说明了该体系是一个非传统的高温超导体，该发现势必会对我们认识高温超导现象带来新的契机。

在2008年的2月末, 日本东京工业学院Hosono教授的研究小组发现在母体材料LaFeAsO中掺杂F元素可以实现26 K的超导电性. 此类母体材料的研究历史可以追溯到1974年美国杜邦公司Johnson等人在寻找新的功能材料中的工作. 随后, 一个德国的研究组合成了系列的具有同样ZrCuSiAs结构的新材料. 这些新材料被取名为四元磷氧化LnOMPn(Ln=La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy; M=Mn, Fe, Co, Ni; Pn=P, As). 图1是LaFeAsO的基本结构. 这个体系空间群为P4/nmm, 具有四方的层状结构, 在c方向上

—(LnO)2-(MP)2-(LnO)2—形式交替堆砌, 一个单胞中有两个分子LnOMP. 对于母体材料而言, 层和层之间电荷是平衡的, 例如, (LnO)1+和(MP)1-的电荷是平衡的. 由于四元磷氧化物LnOMPn中的一些材料在低温下是超导体, 因此这个体系构建了铜氧化物外的另一个层状