高温超导体简介

高温超导体简介

本文核心词：物理学史,超导物理
超导体的研究，要从昂内斯发现金属的超导电性开始。1911年，昂内斯首先观察到了纯汞在4.2K下电阻突然变为零的现象。
随后，在对超导体的研究中，陆续发现超导体的各个性质——迈斯纳效应、正常-超导转变点的比热跃变、穿透深度与相干长度的存在、正常-超导的界面能、超导态电子比热呈指数规律等。在对超导现象的理论解释上，物理学家们首先提出正常-超导转变的热力学与超导二流体模型以解释一些实验现象，后伦敦方程来解释超导电磁现象，朗道提出中间态理论并指出正常-超导的界面能。
直到1956年，库珀、巴丁、施瑞弗提出了超导体的量子理论——BCS理论，该理论解释了前人所作的所有实验现象与理论推导，从根本机制上解释了超导体的成因。
高温超导体的设想
虽然BCS理论非常优秀，但是它也明确表示超导临界温度不会很高——大概在30K以下，这就使得人们去思考会不会有高温超导体。
1964年，Little在理论上设想了一种完全不同于常规超导体的有机超导体【1】。他设想这种超导体的结构，且这种超导体内部作用不同于BCS理论的电声作用，而是以另一种作用作为与电子相互作用的媒介子，仿照BCS理论计算步骤，Little估算这种有机超导体的临界温度可达2200K。
到20世纪60年代，人们对金属氢的研究，先有魏格纳、后有Schneider等都认为氢气在高压下可以形成金属。1968年，Ashcroft在一篇论文【2】中探讨了金属氢的超导临界温度问题，他用BCS理论的计算公式初步估计了临界温度相比于之前的实验将会是一个很大的值。
高温超导体的发现
直到20世纪80年代，人们所能找到的最高临界温度的超导体是Nb3Ge，尽管如此，它的临界温度也只有23.2K，这让不少人怀疑是否存在高温超导体。
1986年，在寻找高温超导体时终于出现了转机——瑞士的两位研究员Bednorz和Müller在研究Ba-La-Cu-O系统【3】时，他们在对其电阻率的测量中发现电阻率确实会趋于零，并且发现在一些情况下，如x(Ba)=0.75时，Ba-La-Cu-O系统的转变温度上限有35K之高。
1987年初，中国科学院物理研究所的研究人员研究了Sr(Ba)-La-Cu氧化物【4】，并测量了其电阻率与温度的关系，结果表明该氧化物电阻率会突然降到零，对数十个样品的研究，其最高临界温度可达48.6K。
1987年， Wu、Ashburn和Torng研究了环境压强下的Y-Ba-Cu-O复合系统【5】，发现其转变温度稳定在80K到93K之间，这是人们找到的第一个液氮温区下的超导体。同年，中国科学院物理研究所小组也制备了Ba-Y-Cu氧化物【6】，并观察到了其在液氮温区的超导电性。
1988年，日本Maede等人制备出不含稀土元素的Bi-Sr-Ca-Cu-O氧化物【7】，并发现其超导转变温度可达105K左右，足足比Y-Ba-Cu-O氧化物临界温度高出10K。
高温超导体实验研究（与BCS理论相比较）
1.零电阻特性与迈斯纳效应
高温超导体的零电阻特性已经被很多实验所证实，其电阻率与低温超导体一样在某临界点会突然降到零。
1987年，Bednorz和Müller在发现Ba-La-Cu-O系统的高温超导特性后，他们在另一篇论文中肯定了该化合物中存在迈斯纳效应。同年，日本的一个研究小组也研究了LaBaCuO氧化物【8】，并测量了其磁化率随温度的变化关系，发现一定温度之下磁化率呈负值，从而肯定该样品中有迈斯纳效应。
2.超导转变温度随空穴浓度变化规律

空穴浓度与超导转变温度的关系
1988年， CHEONG、THOMPSON和FISK发表的论文【9】中，他们研究了在氧化物La2CuO4中掺杂的情况。对母体掺杂Sr后形成的La-Sr-Cu-O系统中，如图，发现在一定的空穴浓度下才开始有超导电性出现，而随着空穴浓度的增加，超导转变温度上升，当转变温度达到一个极大值后，其又随空穴浓度上升而下降，以至失去超导电性。
3.载流子结合成对
由BCS理论，我们知道低温超导体中电子是成对存在的，那么高温超导体是怎样的。1987年，Cough、Gammel等人对这个问题做了解答【10】，他们观察了铱钡铜氧化物的磁通量子化现象，磁通量子的测量值在h/2e附近。因而认为，高温超导体内载流子也是结合成对存在的。
4.相干长度
在对相干长度的测量中，许多实验家发现高温超导体的相干长度在10Å的数量级，而BCS超导体的相干长度达到104Å。因而，BCS超导体在其相干长度范围内会有大量电子对，而高温超导体在相干长度范围内电子对却很少。