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。
5.穿透深度
1989年，Harshman等人测量了高温超导体YBCO的磁穿透深度【11】，发现λab与λc都在1000Å的数量级上。1990年，Schilling、Hulliger与Ott同样测量了各种高温超导氧化物的磁穿透深度【12】，也得出了λab在1000Å数量级上的结论。而低温超导体的磁穿透深度只有100Å数量级。
6.同位素效应
1987年，Faltens等人测量了LaSrCuO化合物的O同位素效应【13】，但发现其指数不是BCS理论所说的0.5，而对于不同的氧化物，其同位素效应指数有0.22、0.13等，是小于0.5的。
1990年，Crawford等人测量了La2-xSrxCuO4氧化物同位素效应与掺杂Sr量的关系【14】，发现当x增加到一定范围内，指数增加的很快，但x继续增加时，同位素效应指数突然下降。
7.超导能隙
超导体能量具有能隙是BCS理论所预言的，而实验上的测量也支持能隙的存在。在BCS理论中，超导体能隙具有一个定值2Δ(0)=3.52kTc，发现高温超导体后，人们也少不了对其能隙的测量。
1990年，研究人员用隧穿电导法对高温超导体Bi-2212进行测量，发现能隙比值2Δ(0)=6.8kTc。而其他人用高分辨-角分辨的光电发射对Bi-2212的能隙测量结果为2Δ(0)~7-8kTc。
1990年，Hasegawa等人把STM/STS研究应用到高温超导体的研究【15】中，测量出Bi-2212的能隙为2Δ(0)=3.6kTc，并且在这篇文章中，他们认为用其他方法测出的能隙比值偏大的原因可能是在超导转变温度下Bi-O层半导体能隙的反应。
8.电子比热
根据BCS理论，超导体在其转变温度下电子比热有跃变，且Δc(Tc)=1.43γTc。
但对高温超导体在转变温度附近的电子比热的测量却出现了反常。研究人员发现不同的高温超导体集团给出的电子比热比值不一样，而且有些比值比BCS理论比值大上2倍。研究人员Junod估计，对各高温铜氧化物，电子比热比值分散在1.4~4之间。
另一方面，对正常金属，低温下电子比热会有一线性项γT，而对BCS超导体，低温下电子比热的这一线性项将消失。但在1988年，Ferreira等人发表的论文【16】中，他们观察了高温超导体低温下电子比热的情况，结果发现其有一个线性规律γ’T，而系数γ’不同于正常金属的系数γ。
9.超导转变温度与德拜温度的关系
1990年，Ledbetter等人研究了一些高温氧化物的超导转变温度与其德拜温度之间的关系【17】，研究表明，它们的关系并不是服从BCS理论推导出的Tc-θD关系。而对YBaCuO高温超导体，Tc与θD有一个近乎线性的关系。
10.电阻率与磁化率
在研究高温超导体零电阻特性与其迈斯纳效应时，很多团队都测量过高温氧化物的电阻率与磁化率，而电阻率的普遍规律时先近似线性下降后到转变温度附近突然降为零，或者电阻率随温度降低而下降后突然升高在陡然降为零，如图【18】。

电阻率随温度变化关系
高温超导体的磁化率也有类似规律【19】，先近乎平缓，后在转变温度附近突然降为零。
11.温差电势率
1992年，Varoy等人在一篇文章【20】中研究了Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O氧化物的温差电势率与其温度的关系，其曲线大都呈上凸形状，如图。

温差电势率与温度的关系
另外，也有各种不同团队发现温差电势率与温度的这个关系，并且，恰在超导转变温度附近有一温差电势率峰值，当温度继续升高时，温差电势率值单调减少。
最后
自从发现高温超导体以来，已经过了30年左右了，人们虽然已经从实验上发现了高温超导体的许许多多的性质，但关于高温超导体的相互作用机制却不十分明了。人们认识到高温超导体作用机制不会像BCS理论所说的那样，虽然现在理论上出现了类似的高温超导体费米液体理论、非费米液体理论等等，但它们都不能完全解释已发现的所有实验现象。而我们所需要的就是这样一个能够解释高温超导体全部实验现象与作用机制的量子理论。另一方面，高温超导体若能在室温下存在，这将是一件非常令人高兴的事。
参考资料
【1】W.A.Little，Possibility of Synthesizing an Organic Superconductor，Phys.Rev，134(1964)
【2】W. Ashcroft，METALLIC HYDROGEN：A HIGH-TEMPERATURE SUPERCONDUCTOR？，Phys.Rev.Lett，21(1968)
【3】J.G. Bednorz，K.A. Müller，Possible High Tc Superconductivity in the Ba-La-Cu-O System，Z.Phys，B-64(1986)
【4】赵忠贤，陈立泉等，Sr(Ba)-La-Cu氧化物的高临界温度超导电性，科学通报，32(1987)
【5】M. K. Wu，J. R. Ashburn，C. J. Torng，Superconductivity at 93 K in a New Mixed-Phase Y-Ba-Cu-O Compound System at Ambient Pressure，Phys.Rev.Lett，58(1987)
【6】赵忠贤，陈立泉等，Ba-Y-Cu氧化物液氮温区的超导电性，科学通报，32(1987)
【7】Hiroshi MAEDA，Yoshiaki TANAKA，Masao FUKUTOMI，Toshihisa ASANO，A New High- Tc Oxide Superconductor without a Rare Earth Element，Jan.J.Appl.Phys，27(1988)
【8】Hidenori TAKAGI，Shin-ichi UCHIDA，Koichi KITAzAwAtt，Shoji TANAKA，High Tc Superconductivity of La-Ba-Cu Oxides. II. –Specification of the Superconducting Phase，Jan.J.Appl.Phys，26(1987)
【9】S-W. CHEONG，J.D. THOMPSON，Z. FISK，PROPERTIES OF La2CuO4 AND RELATED COMPOUNDS，Physica C，158(1989)
【10】Gammel等，Observation of hexagonally correlated flux quanta in YBa2Cu3O7，Phys.Rev.Lett，59(1987)
【11】D. R. Harshman等，Magnetic penetration depth in single-crystal YBa2Cn3O7-δ，Phys.Rev.B，39(1989)
【12】A. Schilling，F. Hulliger，H.R. Ott，In-plane London penetration depths near the critical temperature of TI2Ba2Can-1CunO2n 4 and (Bi, Pb)2Sr2Can-1CunO2n 4 (n= 2, 3)，Z.Phys.B，82(1991)
【13】Tanya A. Faltens等，Observation of an Oxygen Isotope Shift in the Superconducting Transition Temperature of La1.85Sr0.15CuO4，Phys.Rev.Lett，59(1987)
【14】M. K. Crawford等，Anomalous oxygen isotope effect in La2-xSrxCuO4，Phys.Rev.B，41(1990)
【15】T．Hasegawa等，Atomic resolution STM/STS on oxide superconductors down to 4.2 K，Physica B，165166(1990)
【16】J. M. Ferreira等，Low-temperature specific heat of the high-Tc superconductors La1.8Sr0.2CuO4-δ and RBa2Cu3O7-δ (R=Y, Eu, Ho, Tm, and Yb)，Phys.Rev.B，37(1988)
【17】Hassel Ledbetter等，ELASTIC CONSTANTS, DEBYE TEMPERATURES, AND ELECTRON-PHONON PARAMETERS OF SUPERCONDUCTING CUPRATES AND RELATED OXIDES，Phase Transitions，23(1990)
【18】Minoru Suzuki，Hall coefficients and optical properties of La2-xSrxCuO4 single-crystal thin films，Phys.Rev.B，39(1989)
【19】D.C.Johnston等，Superconductivity and magnetism in the high Tc copper oxides，Physica C，153-155(1988)
【20】C. R. Varoy等，Thermopower of Bi2-xPbxSr2CaCu2O8-δ，Phys.Rev.B，46(1992)

好啦，以上就是高温超导体简介全部内容，都看到这里了还不收藏一下？？搜索（物理学史,超导物理）还能找到更多精彩内容。