铜氧化物高温超导赝能隙的理论研究(2)

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1. 背景介绍

荷兰物理学家昂尼斯在1908年液化氦气成功，从而达到4.2K以下的一个新的低温区。之后昂尼斯在液氦的低温区内测量各种纯金属的电阻率时意外发现水银的电阻率为零，成为了超导体；同时他发现汞和锡的合金也具有超导电性质[1]。此后人们发现，28种纯导体和几千种合金、化合物在绝对零度附近都可以变为超导体。1986年，在欧洲瑞士的一个实验室中，人们发现铜氧化物也可以成为超导体。与传统的超导体相比，这类铜氧化物的超导转变温度突破了所谓的“麦克米兰极限”—电声子机制导致的超导最高转变温度39K，于是通常把这类超导材料称为铜氧化物高温超导材料。实现超导必须具备一定的条件，如温度、磁场、电流都必须足够的低，否则超导体会从超导态变为正常态。直到巴丁、库珀和施里弗提出了BCS理论后超导的微观机理才有了一个相对令人满意的解释，首先电子通过声子作为媒介产生相互吸引作用形成束缚对，即库珀对。在超导基态各个电子的动量可以不同，但是每个库珀对却集中在零动量上，库珀对在晶格当中能够无损耗的运动，这样就形成了超导电流。其机理为电子在晶格中移动时会吸引邻近格点上的正电荷，导致格点出现局部畸变，形成了局域的高正电荷区，这个局域的高正电荷区能吸引自旋相反的电子，与原来的电子以一定的结合能配对。在很低的温度下，这个结合能可能高于晶格原子振动的能量，这样，电子对将不会和晶格发生能量交换，也就没有电阻，形成所谓“超导”。BCS理论很好的解释了传统超导，然而却无法解释铜氧化物高温超导电性。已经发现的几十种铜氧化物高温超导材料，从晶体结构看，都是从层状钙钛矿结构衍生出来的，可以看作是由导电层和绝缘的组合层构成的夹层结构，导电层是由一层或几层CuO2平面组成的，绝缘的组合层也可称作载流子库层。由于这样的层状结构，铜氧化物超导材料的电学性质和超导性质都具有强烈的各向异性。现在人们普遍认为铜氧化物超导材料有的CuO2平面在高温超导电性中起关键作用，超导主要就是发生在这些CuO2层上，这一层中的载流子浓度被认为是影响超导临界温度的主要因素之一。而结构中的其他层主要是向CuO2平面提供载流子，所以理论上人们可以近似把铜氧化物高温超导材料当作二维系统来研究。1986年柏诺兹和缪勒发现了35K超导的镧钡铜氧体系，这一突破性发现导致了更高转变温度的一系列稀土钡铜氧化物超导体的发现。1987年初人们通过元素替换发现了90K的钇钡铜氧超导体，第一次实现了温度壁垒（77K）的突破。在高温超导体被发现的时候，人们就被其奇特的性质所吸引，在一直不断的探索着高温超导的形成机理，由于高温超导的形成机理十分复杂，所以直到目前仍然是一个悬而未决的科学难题。源'自-751;文,论`文'网]www.751com.cn

2. 赝能隙起源问题

与传统的BCS超导体相比，铜氧化物高温超导体显示出许多不同的性质。在人们不遗余力地探索中，铜氧化物超导体的相图已经被很好的建立。对于空穴型掺杂的材料，铜氧化物超导体在5%的掺杂浓度以上呈现出一个具有d波对称性的超导相，在掺杂浓度非常低时，材料是一种反铁磁莫特绝缘体。而连接这两种状态，在欠掺杂和最佳掺杂的空穴型铜氧化物材料中，许多实验都观察到了另一种不寻常的性质，即正常态的赝能隙现象[2]，其转变温度要比超导的转变温度高许多。由于高温超导机理异常复杂，而赝能隙现象与超导似乎有着重要的联系，因此正确理解铜氧化物高温超导体赝能隙的起源问题被认为是探索高温超导微观机理的一个外围突破。