淺談高溫超導(dǎo)物理研究進(jìn)展及其展望

李生好 彭輝

（重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶400037）

淺談高溫超導(dǎo)物理研究進(jìn)展及其展望

李生好 彭輝

（重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶400037）

本文分析和討論了高溫超導(dǎo)材料及其各種微觀機(jī)制的研究進(jìn)展，說明了高溫超導(dǎo)體的機(jī)理研究依然是凝聚態(tài)物理中的前沿，其物理性質(zhì)不同于常規(guī)金屬，高溫超導(dǎo)的微觀機(jī)制仍然懸而未決，并對高溫超導(dǎo)物理研究進(jìn)行了展望。

高溫；氧化物超導(dǎo)體；微觀機(jī)制

1 引言

20多年前，高溫超導(dǎo)銅氧化合物的發(fā)現(xiàn)引發(fā)了人們研究高溫超導(dǎo)的熱潮。到目前為止，在高溫超導(dǎo)的廣泛研究中，人們積累了大量的實驗數(shù)據(jù)和理論方法。在這個超大研究領(lǐng)域，人們正在尋找適合高溫超導(dǎo)的微觀機(jī)理、繼續(xù)提高超導(dǎo)的臨界溫度Tc，以及進(jìn)行高溫超導(dǎo)材料與器件的研制這幾個方面的探索。也就是說，探索高溫超導(dǎo)的微觀機(jī)理，同時探索新型的超導(dǎo)材料，改善已有超導(dǎo)材料和器件的性能，降低成本，努力使之實用化。因此，本文對高溫超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc的各種因素及其相應(yīng)的微觀機(jī)制和新型高溫超導(dǎo)材料研究進(jìn)行了探索和展望。

2 高溫超導(dǎo)的研究進(jìn)展

1986年4月，德國物理學(xué)家Bedners和瑞士物理學(xué)家Muller在LaBaCuO系氧化物陶瓷材料中發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)電性，探測到了高于40K的臨界轉(zhuǎn)變溫度，他們也因此獲得了1987年的諾貝爾物理學(xué)獎。該發(fā)現(xiàn)掀起了全球范圍的超導(dǎo)研究熱潮，并且對巴丁、庫珀和施里弗的BCS理論也提出了挑戰(zhàn)。隨后LaBaCuO系的臨界溫度不斷提高，從而爆發(fā)了以中、美、日為中心的“超導(dǎo)戰(zhàn)”。1986年11月，日本東京大學(xué)S.TanaKa等人驗證了超導(dǎo)的另一性質(zhì)即Meissner效應(yīng)，并發(fā)現(xiàn)了LaSr2CuO系列超導(dǎo)體，同時認(rèn)為這種高臨界溫度Tc的超導(dǎo)體是K2NiF4型；在S.TanaKa等人宣布合成LaSr2CuO系超導(dǎo)體后三天，中科院北京物理研究所趙忠賢等人宣布，在LaSr2CuO系超導(dǎo)體取得了起始轉(zhuǎn)變溫度Tonset= 46.6K的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變，并發(fā)現(xiàn)在70K有超導(dǎo)跡象的轉(zhuǎn)變，打破了BCS理論中提出的超導(dǎo)臨界溫度Tc不大于40K的上限值。后來，人們又發(fā)現(xiàn)了BiSrCaCuO、TeBaCaCuO和YBaCuO等超導(dǎo)體，其中YBaCuO系超導(dǎo)體是最有希望在實際應(yīng)用的超導(dǎo)材料。在超導(dǎo)材料方面，日本鋼鐵公司走在了前面，發(fā)明了一套淬火—熔化生長工藝，成功地克服了多晶體材料中晶界對臨界電流密度Jc的限制，制出臨界電流密度Jc在溫度77K和磁場1T下Jc= 2.14×10^4A/cm^2的超導(dǎo)體材料。同時，美國斯坦福大學(xué)用環(huán)形激光點熔融獲得取向BiSrCaCuO棒狀樣品，得到臨界電流密度Jc=105A/cm^2。曾經(jīng)的朱經(jīng)武實驗室在長有取向的燒結(jié)樣品中剝離下一塊約5mm的材料樣品，得到Y(jié)1Ba2Cu3O7-8的臨界電流密度Jc=7.15×10^4A/cm^2。

隨后發(fā)現(xiàn)的n-型超導(dǎo)體，給了建立在空穴導(dǎo)電之上的兩帶模型一個巨大的挑戰(zhàn)。對于是庫侖排斥勢u很大的多帶的Hubbard模型，還是庫侖排斥勢u比較小的Fermi液體模型，來正確描述高溫超導(dǎo)體現(xiàn)象，目前仍在研究中。對于超導(dǎo)材料的高Tc超導(dǎo)電性的起因，費米子和玻色子都不能完全解釋，因此人們又提出了一種稱為分散子的新的元激發(fā)，這種元激發(fā)是介于費米子和玻色子之間一種新的態(tài)，但到目前還沒有定論。

3 高溫超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc及其微觀機(jī)理

3.1 現(xiàn)有超導(dǎo)理論不能解釋高溫超導(dǎo)現(xiàn)象

巴丁、庫珀和施里弗于1957年找到了超導(dǎo)體的基態(tài)波函數(shù)，第一次提出超導(dǎo)微觀BCS理論。以近自由電子模型為基礎(chǔ)，在電子——聲子作用很弱的前提下建立起來的理論并依此闡明超導(dǎo)電性本質(zhì)的BCS理論，能非常成功地得到周期表中絕大部分超導(dǎo)元素的臨界溫度值和比熱跳變，以及對邁斯納效應(yīng)、超導(dǎo)體的零電阻現(xiàn)象、約瑟夫森效應(yīng)等給出很好的解釋，但其在解釋高溫超導(dǎo)機(jī)制時遇到很大的困難。BCS理論所給出的超導(dǎo)材料上限臨界溫度不可能超過40K，可是高溫超導(dǎo)材料的臨界溫度已經(jīng)超過164K。這樣溫度下的熱運動動能，使得電子無法實現(xiàn)庫珀對，此時超導(dǎo)材料中晶格原子對電子的散射能改變電子的動量，從而形成電阻，這與材料無電阻的情況不相符，說明現(xiàn)有的BCS理論是不能解釋高溫超導(dǎo)機(jī)制的。那么BCS理論是否仍能加以修正后適用？如何修正抑或另建新理論？

3.2 高溫氧化物現(xiàn)有的若干超導(dǎo)電性機(jī)制

就基本定型而論，可以分為非費米液體與費米液體兩大派別。而BCS超導(dǎo)理論是在正常態(tài)為費米液體的框架內(nèi)建立的。持非費米液體派觀點的人認(rèn)為不能在費米液體理論框架內(nèi)描寫高溫氧化物超導(dǎo)材料，這是因為：高溫氧化物超導(dǎo)體的正常態(tài)性質(zhì)具有一系列反常現(xiàn)象；傳統(tǒng)的BCS理論無法解釋處于液氮溫區(qū)的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度值；高溫超導(dǎo)材料具有一些不尋常的根本性特點，如反鐵磁的鄰近性、截流子密度低、低維性等。而持費米液體派觀點的人反駁認(rèn)為：在高溫銅氧化物超導(dǎo)體正常態(tài)性質(zhì)上的反?，F(xiàn)象并非獨有；通過對BCS理論修正而得到處于液氮溫區(qū)以上的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度值；基于局域密度近似的能帶理論，在預(yù)測高溫銅氧化合物超導(dǎo)體的費米面及其形狀上獲得了成功。

對于銅氧化物高溫超導(dǎo)材料，其電子間存在很強(qiáng)的相互作用，電子特性已經(jīng)偏離了常規(guī)的金屬費米液體規(guī)律，高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc、短的相干長度、強(qiáng)烈的各向異性以及正常態(tài)的不尋常特性引起人們的廣泛研究，并先后建立了新的理論來理解高溫超導(dǎo)種種奇異現(xiàn)象。當(dāng)今出現(xiàn)的比較流行的理論有：

Anderson非費米液體高溫超導(dǎo)理論，提出了共振價鍵態(tài)（RBV態(tài)）這一理論是基于高溫銅氧化物的低維性；Varma等人的邊緣費米液體理論（MFL），其系統(tǒng)與費米液體有所偏高，但偏離的行為較弱；Shrieffer自旋袋理論，從理論上說明由此可產(chǎn)生波配對的超導(dǎo)電性；Pines等人的近反鐵磁費米液體理論，以鄰近反鐵磁性為基礎(chǔ)，提出了自旋漲落模型；北京大學(xué)章立源教授1987年2月提出的雙子系統(tǒng)（雙成分）理論，所謂雙子系統(tǒng)，一是退局域化的巡游載流子系統(tǒng)，另一個是為近局域的載流子系統(tǒng)等。

各理論之間有著一些差異，關(guān)于分歧之處是元激發(fā)的自旋與電荷自由度應(yīng)不應(yīng)該分開，共識之處有：首先，高溫銅氧化物超導(dǎo)體中存在有摻雜而演化的局域化和退局域化的競爭過程；其次，關(guān)于能隙函數(shù)（或序參量）的對稱性問題是以d波為主混有少量s波的混合波對稱性；再次，高溫銅氧化物超導(dǎo)體的正常態(tài)為是有贗隙的金屬態(tài)。這些理論都不能解釋所有的實驗現(xiàn)象，關(guān)于高溫超導(dǎo)的最終理論仍然在探索中。

筆者贊同在正常態(tài)為費米液體的框架內(nèi)建立的BCS超導(dǎo)理論，認(rèn)為可以通過加以修正后得到適用高溫超導(dǎo)體機(jī)制，在聲子耦合機(jī)制和其他未確定的機(jī)制進(jìn)行某種形式的組合，如：認(rèn)為有分散子或任意子等。

4 高溫超導(dǎo)體的結(jié)論和展望

在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實驗室的近期研究中，發(fā)現(xiàn)了在具有ZrCuSiAs結(jié)構(gòu)的釤砷氧化物SmFeAsO1-xFx的超導(dǎo)電性，磁化率和電阻率測量表明，此釤砷氧化物材料的超導(dǎo)臨界溫度達(dá)到了43K，是目前為止發(fā)現(xiàn)的臨界溫度超過40K的第一個非銅氧化合物超導(dǎo)體。這些重要的發(fā)現(xiàn)使得人們?yōu)檠芯扛邷爻瑢?dǎo)的機(jī)理提供了一個新的材料基礎(chǔ)。目前的研究結(jié)果表明，這類新超導(dǎo)體屬于非傳統(tǒng)的銅氧化合物超導(dǎo)體，其電聲相互作用并不能導(dǎo)致相當(dāng)高的臨界轉(zhuǎn)變溫度，較強(qiáng)的鐵磁和反鐵磁漲落被認(rèn)為是可能的原因，其中豐富的物理性質(zhì)和特性有待人們進(jìn)一步深入的研究，這也勢必會對我們認(rèn)識高溫超導(dǎo)現(xiàn)象帶來新的契機(jī)。

目前超導(dǎo)技術(shù)正處于飛速發(fā)展階段，有些大項目已經(jīng)或即將發(fā)揮巨大作用，取得巨大的經(jīng)濟(jì)效益，還有些項目處在研究開發(fā)階段，但它的發(fā)展前景同樣是十分誘人的。當(dāng)前，人類將逐步轉(zhuǎn)入超導(dǎo)技術(shù)開發(fā)時代，迫切要求人類對認(rèn)識超導(dǎo)，并在理論研究上有進(jìn)步。雖然高Tc超導(dǎo)材料的研究取得了很大進(jìn)展，但仍然存在許多問題需要解決。比如當(dāng)前一個突出的問題就是：對于所發(fā)現(xiàn)的高溫超導(dǎo)體材料、摻雜C60及MgB2超導(dǎo)材料而言，BCS超導(dǎo)理論是仍然適用還是需要改造？新超導(dǎo)體材料的超導(dǎo)機(jī)制是什么機(jī)制？這些問題的研究目前均沒有定論，都需要人們進(jìn)一步地探索、解決。

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O511

A

1671-0037（2014）02-81-1.5

2014年2月20日。

重慶沙坪壩區(qū)軟科學(xué)計劃項目（201301）、重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級課題項目（RWB201327）。

李生好（1973-），男，博士，工程師/講師，研究方向：電子信息。