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超导简介.pptx
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超导电性简介,报告人:
2015年9月15日,主要内容,超导发展历程基本性质与理论几类超导材料简介,超导发展历程材料的发现历史理论发展过程,1908年,荷兰物理学家H.K.Onnes和他的实验团队第一次将“永久气体”氦气液化成功,得到了4.2K的新低温。
1911年,他们首次发现水银在4.2K处电阻消失,将这一状态命名为超导态,对应电阻消失温度为超导转变温度Tc。
材料的发现历史,H.K.Onnes,Hg的低温电阻曲线,大部分金属元素是超导的,一些元素在常压下不超导,但是加高压就会出现超导。
常压下Nb是Tc最高的元素,Tc=9.26K。
在高压下Ca的超导温度最高,在161Gpa下可以达到25K。
目前常压下超导元素有32种,高压下的超导元素有14种,元素超导体:
合金超导体来说是目前种类最多的超导体,早在1961年B.W.Toberts就列出了450多种。
在进入21世纪之前其最高Tc一直是由Nb3Ge保持的,转变温度接近23.2K。
直到2001年,MgB2的发现,才打破了这一纪录。
这种结构简单的二元化合物超导转变温度达到了39K。
合金超导体:
1979年F.Steglich等人发现含f电子的化合物CeCu2Si2是Tc=0.65K的超导体,并从低温比热数据推断出其低温电子比热系数很大,相应的电子有效质量约为自由电子质量的200倍。
该类超导材料统称为重费米子超导体。
重费米子超导体:
1985年H.W.Kroto等人发现元素碳的另一个同素异形体C60,是RichardBuckminsterFuller发现的第一个富勒烯(fullerene)。
通过改进合成工艺实现实验室量产C60后不久,人们发现碱金属K掺杂的K3C60具有TC=18K的超导电性。
如果更换碱金属或不同元素混合掺杂,超导电性会发生很大的变化,如碱金属换成Rb,TC可以提高到28K,而混合掺杂Cs2RbC60的常压下的TC最高,达到33K,而Cs3C60在12kbar的压力下TC一步提高到40K。
有机超导体:
1986年,IBM苏黎世实验室的两位科学家G.Bednorz和K.A.Muller发现在La-Ba-Cu-O体系中存在30K的超导转变。
1987年初,中国科学院物理研究所的赵忠贤小组和美国休斯敦大学的朱经武、吴茂昆等人各自独立发现了在Y-Ba-Cu-O体系中90K以上的超导转变温度。
人们首次将超导转变温度提升到了液氮温区以上。
1988年日本科学家H.Maeda等人在BiSrCaCu2Ox材料中发现临界温度在105K以上。
同年,人们在Tl-Ba-Ca-Cu-O体系中也发现了临界温度在100以上的超导电性。
1993年A.Schilling等人发现Hg-Ba-Ca-Cu-O的最高转变温度常压下达到133K1994年朱经武等人报道在30GPa的高压下可以将Tc提高到164K。
铜氧化物超导体:
铁基超导体:
2006年,以日本科学家H.Hosono研究小组在与铜氧化物类似结构的层状材料LaFePO中发现了Tc接近于4K的超导电性。
2008年初,日本H.Hosono小组发现了通过F替代O的LaFeAs(O,F)最高超导转变温度可达26K。
2008年4月,陈仙辉小组发现SmFeAsO1-xFx体系样品中存在Tc=43K的超导。
2008年6月,赵忠贤通过高压合成的方法制备出缺O材料ReFeAsO1-(Re=La、Sm、Ce、Pr、Nd),而制备出的材料超导温度最高可以达到55K。
2008年6月,M.Rotter小组发现FeAs-122类型超导材料BaFe2As2,通过掺杂Tc最高可达38K。
2008年6月,靳常青小组首次发现FeAs-111超导材料LiFeAs存在18K的超导转变。
2008年9月,由吴茂昆小组发现-FeSe1-存在8K的超导转变。
2010年底,物理所陈小龙小组通过FeSe层中插入碱金属K的方法,发现了一种新型铁基超导体KyFe2-xSe2转变温度在30K以上。
2012年3月,薛其坤小组在单层FeSe薄膜中发现77K超导电性的迹象并随后得到证实。
2015年3月,薛其坤小组对生长的FeSe薄膜进行原位电阻测量,发现其超导转变温度达到了100K以上。
超导材料及Tc随时间的发展,理论发展过程,在1933年,W.Meissner和R.Ochsenfeld发现了超导体的另一个本征性质完全抗磁性。
这种效应后来被广泛称为Meissner效应。
1934年,C.J.Gorter和H.B.Casimir就提出了关于超导的二流体模型的唯象解释。
1935年London兄弟在二流体模型的基础上从电动力学的角度出发提出了London模型,首次引入了穿透深度的概念。
A.B.Pippard在五十年代初仔细研究了穿透深度随外加磁场的变化,并从中提出了相干长度的概念并且建立了非局域方程。
1950年,V.L.Ginzburg和L.D.Landau提出了唯象的超导宏观理论,成为Ginzburg-Landau理论。
1957年A.Abrikosov研究了超导体在外磁场中的行为以后,通过引入界面能的概念,利用GL参数将超导体分为第I类超导体和第II类超导体。
1957年,J.Bardeen,L.N.Cooper和R.J.Schrieffer三人在前人的工作基础上提出了一个完整的微观超导理论BCS理论。
成为第一个,也是目前最成功的超导微观理论。
在1962年,A.B.Pippard的学生B.Josephson在BCS理论的基础上预言了一种量子隧穿效应,即Josephson效应。
1913年,水银中发现超导现象以及低温的获得(荷兰卡末林昂内斯)1972年,提出基于超导的微观理论,BCS理论(美国巴丁、库珀、施里弗)1973年通过实验发现半导体中的“隧道效应”和超导物质(日本江崎玲於奈);发现超导电流通过隧道阻挡层的约瑟夫森效应(英国约瑟夫森);提出与相变有关的临界现象理论(美国威尔逊)1987年在发现陶瓷材料中的超导电性所作的重大突破(德国柏诺兹瑞士缪勒)2003年在超导体和超流体理论上作出的开创性贡献(俄罗斯和美国双重国籍阿列克谢阿布里科索夫俄罗斯维塔利金茨堡英国和美国双重国籍安东尼莱格特),与超导有关的五次诺贝尔物理学奖,基本性质与理论基本性质Ginzburg-Landau理论BCS理论,零电阻效应:
目前最精确的测量设备仍然探测不到超导体的任何电阻迹象。
如果用测量的精度作为衰减量,当超导体环路内通入电流,电流在线圈内持续的时间会超过100000年。
基本性质,完全抗磁性:
超导体放入磁场之后,会将磁通完全排出超导体外。
这也是区别超导体与理想导体的主要方法。
完全抗磁性与零电阻便是超导体最重要的两个性质。
超导体的三个临界参数,临界温度:
电阻突然消失的温度被称为超导体的临界温度。
临界温度一般用Tc来表示。
临界电流:
在不加磁场的情况下,导致破坏超导电性所需要的电流称作临界电流Ic。
临界磁场:
当外磁场超过某一数值Hc(T)的时候,超导电性就被破坏了,Hc(T)称为临界磁场。
临界温度、临界电流和临界磁场之间的关系,第二类超导体,第一类超导体,第二类超导体,混合态,Josephson效应,直流约瑟夫森效应:
结两端的电压V0时,结中可存在超导电流,它是由超导体中的库珀对的隧道效应引起的。
只要该超导电流小于某一临界电流Ic,就始终保持此零电压现象。
交流约瑟夫森效应:
结两端的直流电压V0时,通过结的电流是一个交变的振荡超导电流,振荡频率(称约瑟夫森频率)f与电压V成正比。
以微波辐照隧道结时,当约瑟夫森频率f等于微波频率的整数倍时,就发生共振,在I-V特性曲线上可观察到一系列离散的阶梯式的恒定电流。
Ginzburg-Landau理论,Ginzburg-Landau方程:
基于Landau二级相变的理论基础上引入了一个序参量描述超导电子,再对自由能变分得到关于的微分方程。
核心思想:
超导正常态转变为二级相变。
用作为电子有效波函数,而用其平方项表示超导电子密度。
G-L理论认为超导电子在空间不是均匀分布的,会随着空间位置发生变化。
而在超导电子波函数为小量时,可以将自由能进行级数展开。
G-L理论适用范围:
磁矢势与超导波函数随空间的变化很缓慢,温度T在超导转变温度Tc附近。
当温度T远离Tc时,需要对G-L方程进行修正。
BCS理论,理论的产生:
1、电-声子相互作用:
1950年Frohlich指出,电子-声子之间的相互作用可以将两个电子耦合在一起,即电子之间可以通过声子产生吸引作用。
2、同位素效应:
1950年Maxwell从实验上发现Hg的同位素的临界温度Tc与其同位素质量M之间存在关系。
3、Cooper对:
1956年,Cooper讨论了T=0K时在被填满的费米球外加两个电子的相互作用问题,得出当两个自旋相反电子之间存在净吸引相互作用时,不管多弱,都会形成束缚电子对。
并且束缚态能量低于一对自由电子的能量。
4、BCS基态:
在Cooper对提出之后,Bardeen等人提出超导基态是电子按照Cooper对分布的状态,Schrieffer在此基础上得出了BCS基态波函数为:
而由此得出的基态能量为:
能隙函数为:
BCS理论的一些推导结果:
1、能隙:
2、临界电流:
3、比热:
超导转变温度附近比热跳变低温下,4、临界磁场:
5、穿透深度:
6、相干长度:
经典BCS理论的适用范围:
1、弱耦合极限(对于强关联体系需要重新考虑,因为平均场理论不再适用)2、各向同性(电子间相互吸引作用不随方向改变,都假定为各向同性的S波)3、电声子耦合(对于铜氧化物、铁基超导体已不适用),几类超导材料简介MgB2超导体铜氧化物超导体铁基超导体H2S压力下的超导电性,MgB2超导体,二硼化镁超导体是日本科学家在2001年偶然发现的,它的结构是由镁所构成的三角格子和硼所构成的蜂窝六角结构平面交错堆砌而成。
它的超导转变温度高达39K。
MgB2的各项参数:
电子结构:
MgB2中,B原子层内存在强的sp2杂化形成的二维共价键,对应能带为能带。
相邻的两个B原子层之间为金属键,为能带。
两个能带在布里渊区中心能量接近。
其中带在布里渊区绕-A构成圆柱状空穴费米面,带在布里渊区中心构成平面管状费米面,分别为电子型和空穴型。
理论研究:
1、目前,一般认为MgB2是BCS超导体,其高Tc归因于材料中很强的声子非谐振动。
2、MgB2动有9个声子带,最主要的振动模式为E2g,即B原子层中相邻的两个原子沿反方向震动。
3、MgB2中有4个导带,带内的电声子耦合强于带间耦合,为主要的耦合模式。
3、MgB2是第一个确认的双能隙超导体。
E2h声子模与带之间的强耦合被认为是材料的超导起源,能隙较大。
较小的能隙来自带与低能声子耦合产生。
铜氧化物超导体,铜氧化物超导体是目前临界温度最高的一个超导体系。
材料大致可分为表中几类。
结构特性:
1、铜氧化物超导体主要都是由ABO3型钙钛矿结构的畸变、衍生等形成的,而铜氧配位多面体的对称性只包括正交或是四方对称性。
2、这一类材料有很明显的低维层状特性。
所有的材料都包含平整的CuO2面或CuO链,这些CuO2面一层或多层沿着材料的轴向方向堆叠起来,并在层间添入不同的其它原子组成的隔断。
3、材料的掺杂组分可以在一定的范围连续变化,而材料中也或多或少的存在离子缺位。
1、在铜氧化物超导材料中,CuO2面原子层和绝缘性结构的层间隔断单元。
其中CuO2面被认为是载流子输运层而对于材料导电特性所起至关重要的作用。
2、如果将CuO2面上的Cu原子进行其它元素的替代,都会使材料的Tc迅速降低。
3、CuO2面内Cu-O-Cu之间的夹角必须接近180,否则材料会失去超导电性。
4、材料的Tc会随着Cu-O层数的增加而逐渐增加。
但是并非CuO2层数越多材料Tc越高,而是存在一个最佳层数。
Cu-O面的重要性:
电子相图:
坐标的左右两边分别对应电子型掺杂和空穴型掺杂。
铜氧化物超导体的电子相图主要分为以下几个区域:
反铁磁区域、超导区域、赝能隙区域、正常态金属区域。
反铁磁区域:
存在于未掺杂的母相附近,性质为反铁磁Mott绝缘体。
CuO2面内的相邻格点的Cu自旋反向排列。
在空穴型掺杂中材料在进入超导态之前要先经过一个自旋玻璃态的区域。
超导区域:
随着掺杂进一步提高,超导态出现,Tc会随着载流子浓度的增加出现上升,直到Tc达到最高值,随后材料的Tc会随着载流子浓度上升而出现下降,最后在某一浓度Tc消失。
赝能隙区域:
在空穴型掺杂的欠掺杂区,材料在高于Tc的一定温度的正常态区域还是会出现能隙打开,这个能隙被称为赝能隙。
正常态金属区域:
在赝能隙区域之上以及过掺杂区域Tc之上,材料进入费米液体金属态。
理论研究:
关于赝能隙起因的两种观点:
1、“预配对”理论:
认为电子在赝能隙的温度首先开始配对,但是并未发生长程相位相干,当温度降至Tc以下时,发生长程相位相干,超导电性出现。
2、不同能隙理论:
认为赝能隙与超导能隙是两种不同的能隙,之间没有直接的关系,赝能隙来自反铁磁涨落,条纹相等其它有序态或是涨落。
Cooper对起源及配对机制:
共振价键模型(RVB):
理论认为铜氧化物超导体母体为Mott绝缘体,电子之间由于强关联的作用局域在各自晶格附近,在相邻的格点上的两个电子形成单重态的共价键。
在掺杂之后,这些定域的共价键将退局域化而发生共振,形成超流的Cooper对集合,系统由绝缘体转变为超导体。
双极化子模型:
该理论认为材料中存在含有正负离子交换的复式晶格,当电子在晶格中运动时,造成附近的晶格发生畸变,电子与畸变一起就形成了一个极化子。
材料中两个极化子会通过畸变连接形成一个双极化子,而超导就是由材料中的双极化子流动形成的。
除此之外,还有激子模型、Luttinger液体理论、边缘费米液体模型等其它几十种理论。
关于配对对称性:
铜氧化物高温超导体中Cooper对也并非传统的各项同性的s波对称,目前公认的是以d波配对为主,而至于有没有s波的成分目前仍然存在争议。
铁基超导体,铁基超导体是第二类突破麦克米兰极限的超导体系。
根据元素组成及结构划分,铁基超导体主要分为以下几类:
FeAs-1111相、FeAs-122相、FeAs-111相、FeAs-112相、FeSe-11相以及FeSe-122相。
FeAs-1111相:
这一体系是被最先发现的。
材料具有ZrCuSiAs结构(四方晶系,空间群:
P4/nmm)。
材料具有明显的四方层状结构,Fe2As22-层La2O22+层沿着c轴方向交替排列。
结构特性:
FeAs-122相:
材料的晶体结构为ThCr2Si2型,见图1.7(b),材料主要由FeAs层构成主体框架,Ba2+位于Fe2As2层中间。
上下相邻FeAs层是镜像对称的,这与1111相中的相邻FeAs层排列有所不同。
FeAs-111相:
材料具有PbFCl的四方结构,它与之前的两个相一样,有相同的FeAs层,只是相邻的FeAs层排列完全相同。
而在中间的夹层中是由单一的碱金属原子层构成。
FeAs-112相:
材料的主题仍然是由FeAs层构成,不同的是,在两个FeAs层之间多了一层As原子层,而材料也由原来的四方晶系变为单斜晶系,空间群为P21。
由于这一体系发现较晚,目前只有Pr掺杂和La掺杂的CaFeAs2材料。
FeSe-11相:
材料可以看做是类似于FeAs层的FeSe层叠加而成。
纯的FeSe和FeTe都是不超导的。
-FeSe1-存在8K的超导转变。
在所有发现的铁基超导体中,这一相结构是最简单的。
FeSe-122相:
材料由FeSe超导层与层间填充的K原子层构成。
在结构上与FeAs-122体系相同。
大量实验表明这一系列的材料不是一个单一的纯相,材料中存在化学相分离。
且超结构普遍存在,如Fe空位存在的2*2,22*2,5*5和2*5电荷有序。
FeAs层的重要性:
1、目前所有发现的铁基超导材料在结构都是由N族元素或S族元素与Fe原子以四面体配位的形式连成层状的堆叠,不同的层之间通过不同稀土、碱金属、稀土氧化物等夹层隔开。
2、FeAs(Se)原子层并不像CuO2层那样阴阳离子处于同一平面,而是阴离子处于Fe原子的上下。
3、FeAs(Se)层的掺杂取代并不会使材料失超,反而在一些材料中会引入超导。
4、FeAs层中As-Fe-As的键角与材料的Tc有着重要的影响。
目前普遍认为当这一键角为109.48时材料的临界温度Tc可以达到最高。
电子相图:
铁基超导体的电子相图主要分为以下几个区域:
反铁磁区域、超导区域、超导-反铁磁混合区域、正常态区域。
反铁磁区域:
铁基超导的母体材料,在一定温度会进入反铁磁自旋密度波(SDW)有序态。
同时在这个温度附近还会发生由四方相到正交相的结构相变。
在FeAs-1111和FeAs-122母体材料中的反铁磁SDW中自旋是平行于FeAs平面的,而在FeSe-122体系中,材料在形成反铁磁SDW后自旋是垂直于FeSe面排列的。
超导区域:
在随着掺杂,反铁磁逐渐被抑制,超导出现。
与铜氧化物超导体类似,Tc随掺杂呈现出升高-降低的过程。
然而对于一些FeSe-1111材料,过量掺杂并不会使Tc消失。
超导-反铁磁混合区域:
这一区域超导与反铁磁之间共存是微观共存还是相分离的问题一直是争论的问题。
在Ba1-xKxFe2As2中,实验更支持相分离的图像,而在BaFe2-xCoxAs2中,无论是核磁共振还是SR都更加支持超导与SDW微观共存这一图像。
正常态区域:
在超导区域之上是正常态的“半金属”区域。
电子结构:
铁基超导体的费米面主要是Fe的五个3d轨道的贡献,是典型的多带系统。
费米面分布在布里渊区的中心和四个顶角附近,中心部分主要为空穴型费米口袋,四个顶角为电子型费米面。
这种费米面结构在其它大多数铁基材料中都存在,并通过角分辨光电子能谱实验得到证实。
对于铁基超导体,传统BCS理论不能适用。
在配对机制上主要有以下几种:
1、电子是通过交换反铁磁涨落,在空穴和电子口袋间跃迁而产生配对。
基于上述机制,电子配对方式为S,即在空穴和电子费米面上面的能隙都是接近各向同性的,但是符号相反。
2、电子的配对方式基于局域自旋交换。
此类图像建立的背景是假设铁基超导体与与铜氧化物超导体一样,具有很强的电子关联特性。
因此,电子可以通过局域的反铁磁作用而配对。
3、还有一些科学家认为铁基超导体中的配对是由于剧烈的轨道涨落(主要是dxz和dyz)而出现的,能隙是S+形式。
理论研究:
两类超导体的对比:
H2S压力下的超导电性,BCS理论给出了寻求高Tc的途径:
必须有高频率的声子,很强的电声子相互作用,高的费米面附近的态密度。
而金属氢和共价态氢化物无疑是最佳选择之一。
在早先人们通过理论计算表明,在足够高的压力下(400500Gpa),氢可以金属化,金属氢很有可能是室温超导体。
但是由于压力太高目前实验上仍无法验证。
而对于一些富氢材料,其金属化的压力相对较低。
例如SiH4(H2)2和GeH4(H2)2被认为在250Gpa压力下Tc可以分别达到98107K以及7690K。
又例如MH3(M=Ga,Ge,Si),可分别在160Gpa下Tc=7686K,180Gpa下Tc=140K,以及275Gpa下Tc=139153K。
(a)、P1空间群垂直于(001)面;(b)、P1空间群结构,垂直于(010)面;(c)、Cccm空间群结构,垂直于(001)面;(d)、Cccm空间群结构,垂直于(100)面;(e)、R3m空间群结构;(f)、Im-3m空间群结构。
理论计算:
焓的理论计算:
晶格参数计算:
电子能带及声子色散关系:
电子能带,声子色散关系,(a)和(b)分别为S单质和H2S的拉曼谱随压力的变化。
高压下的拉曼光谱:
(a)和(b)为100150K加压的电阻曲线。
(c)为300K加压的电阻曲线。
(c),电阻曲线及同位素效应:
(a)、在100K150K加压,Tc的变化。
黑色和蓝色数据为独立的两次测量,红色数据为D2S的加压结果,绿色数据为S单质随压力的变化。
(b)、在220K300K加压,Tc的变化。
绿色数据和红色数据分别为两处不同的超导转变。
(a)和(b)分别为155Gpa和195Gpa下电阻率随磁场的变化。
(c)为临界磁场随温度的变化拟合,(c),电阻随磁场的变化:
H2S超导体总结:
1、H2S会随着压力的升高而发生分解,生成(H2S)2H2并析出S单质。
材料的结构随压力的变化如下表。
2、电阻效应及磁场下的电阻率变化表明材料在180Gpa下处于超导态。
材料的临界磁场可达80T。
3、材料具有明显的同位素效应,说明电声子相互作用是主要因素。
能带计算表明,H和S的电子轨道都对于费米面附近的态密度有贡献。
声子谱计算表明材料在高压下有很高的声子频率(在180Gpa下特征温度为1334K),其中H元素对高频声子起主要贡献。
通过实验分析及理论计算,可以表明:
H2S高压下出现超导电性的机理是电声子相互作用。
材料属于BCS超导体。
H2S在较低的压力发生金属化使得超导的出现成为可能。
由于氢原子的振动频率很高,可以产生很强的电声子相互作用,因而材料的Tc远高于常规BCS超导体。
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