Cu_O同位素效应与高Tc超导体超导电性机理

格式：pdf
大小：121.50 KB
文档页数：3

下载文档原格式

/ 3

【精品】3超导体微观理论

3 超导体微观理论超导微观机制经典理论对超导电性产生的原因无法解释。

在量子论建立不久，F.伦敦就指出，超导环内的磁通是量子化的。

因此，超导电性是宏观世界的量子现象。

1962 年，实验证实磁通是量子化的。

同位素效应所谓同位素效应是指超导体的临界温度依赖于同位素质量的现象。

1950 年英国H.弗罗利希指出，金属中电子通过交换声子（点阵振动）可以产生吸引作用。

他预言超导体的临界温度与同位素的质量之间存在一定的关系。

所谓“临界温度”，就是导体从正常导电状态变为超导电状态时的转变温度。

果然，弗罗里希的预言得到了实验的证实。

1950 年麦克斯韦（E.Maxwell）和雷诺（C.A.Rayhold）各自独立圣测量了水银同位素的临界转变温度。

-1/2 实验发现：TC∝М 其中М为同位素质量。

同位素效应把晶格振动（其量子称为声子）与电子联系起来了，它告诉人们电子-声子的相互作用与超导电性密切相关。

弗罗利希经过分析后认为，同位素之间的电子分布状态是相同的，而原子质量是不同的，那么，超导电性会不会与晶格原子的性质有关呢？也许，超导的出现（即电阻的消失）是由于电子和晶格原子的相互作用才产生的吧！那么，电子和晶格原子是怎样互相作用的呢？弗罗里希对这一问题一筹莫展，无能为力。

空带空带p2′ EF 能隙2Δ p1′ EF 占满占满p1 q p2 T0K 下的正常态和超导态电子能谱超导能隙（energy gap of superconductors）实验证明，超导态的电子能谱与正常态不同，在费密能EF（最低激发态与基态之间）附近出现了一个半宽度为Δ能量间隙。

Δ≈10-310-4eV。

如上图拆散一个电子对（库珀对）产生两个单电子至少需要能隙宽度2Δ的能量。

热运动可以拆散电子对产生单电子。

能隙的存在使得在温度T 远低于临界温度Tc 时超导体中单电子（正常电子）的数目按exp-2Δ/kT 变化。

这就导致超导体的电子比热容和热导率按温度指数规律变化。

超导体的原理与应用有哪些

超导体的原理与应用有哪些1. 超导体的原理超导体是指在低温下，电阻为零的特殊材料。

它的超导性质是由两个基本原理支撑的：电子配对和库珀对的形成。

1.1 电子配对在超导体中，电子之间存在一种称为库珀对的配对行为。

库珀对的形成是由于超导体内部存在一种叫做声子的元激发粒子，它们通过晶格振动使得电子之间相互吸引产生了配对。

1.2 零电阻由于配对形成了库珀对，这些配对的电子在超导体中可以形成一个巨大的电子波函数，从而使电子之间不存在碰撞。

这导致了超导体中电流的无阻力传输，即零电阻现象。

2. 超导体的应用超导体的独特性质使得它在众多领域都有广泛的应用。

以下是一些主要的应用领域：2.1 磁共振成像 (MRI)超导体可以用于制造强磁场，而磁共振成像是一种利用强磁场和射频脉冲来获取人体内部结构信息的技术。

超导体用作MRI托盘可以提供更强的磁场稳定性和均匀性，从而提高成像的精度和质量。

2.2 磁浮列车超导体的零电阻特性使其成为制造磁浮列车的理想材料。

磁浮列车利用超导体的磁场反应特性，可以实现列车与磁轨之间的无接触悬浮，并通过利用磁力推动列车的运动。

这种方式的交通工具速度快、无摩擦、低能耗，被认为是未来城市交通的发展方向。

2.3 磁能存储超导体可以用于制造磁能存储设备，例如超导磁能储存器。

超导磁能储存器可以将电能转化为磁能，然后通过断开超导体电路来存储这些磁能，以便后续使用。

这种储能方式比传统的化学电池储能更加高效、可靠和环保。

2.4 加速器与聚变装置超导体可以用于制造粒子加速器和聚变装置。

粒子加速器利用超导体中形成的巨大磁场来加速粒子，从而实现高速碰撞实验。

聚变装置则利用超导体制造的强磁场来限制和控制等离子体以实现核聚变反应，提供清洁能源的解决方案。

2.5 其他应用此外，超导体还有许多其他应用，包括：医疗设备、量子计算机、电力输电、研究领域等。

超导体的研究和应用仍在不断发展中，未来可能还会有更多新的应用领域出现。

总结超导体的原理基于电子配对和库珀对的形成，通过零电阻使电流无阻力传输。

1987年诺贝尔物理奖——高温超导电性

1987年诺贝尔物理奖——高温超导电性1987年诺贝尔物理奖授予瑞士IBM研究实验室的德国物理学家柏诺兹（J.Georg Bednorz,1950—）与瑞士物理学家缪勒（K.Alexander Müller，1927—），以表彰他们在发现陶瓷材料中的超导电性所作的重大突破。

高临界温度超导电性的探索是凝聚态物理学的一个重要课题。

自从发现超导电性以来，人们逐渐认识到超导技术有广泛应用的潜在价值，世界各国花了很大力气开展这方面的工作。

但是超导转变温度太低，离不开昂贵的液氦设备。

所以，从卡末林-昂内斯的时代起，人们就努力探索提高超导转变临界温度Tc的途径。

在探索高Tc超导体的漫长历程中，人们基本上是靠实验和经验摸索前进。

理论起的作用往往不大。

这也许是因为超导现象比较复杂，理论尚欠完善的缘故。

为了寻找更适于应用的超导材料，几十年来，物理学家广泛搜查各种元素的低温特性。

除了汞、锡和铅以外，又发现铟、铊和镓也有超导特性，这些材料都是金属，而且具有柔软易熔的共同性质，后来迈斯纳把试验扩展到坚硬难熔的金属元素，又发现了钽、铌、钛和钍等金属具有超导特性。

当磁冷却法应用于低温后，在极低温区（1K以下）又找到了许多金属元素和合金有超导迹象。

如今甚至已经知道上千种物质的超导特性，可是，它们的转变温度都在液氦温度附近或在1K以下。

第一个被找到的超脱液氦区的超导材料是氮化铌（NbN），其临界温度可达15 K，是德国物理学家阿瑟曼（G.Ascherman）在1941年发现的。

于是重新激起了人们的热情。

NbN曾用于红外探测器件。

1953年，美国物理学家哈迪（G.F.Hardy）和休姆（J.Hulm）开辟了另一条新路，他们找到了四种A-15结构或β钨结构的超导体，其中钒三硅（V3Si）的；临界温度最高，达17.1K。

所谓A-15结构是一种结晶学符号，它代表的化学组成一般为A3B的形式，其中铌（Nb）、钒（V）等过渡元素为A组元，第Ⅲ或第IV主族的元素或其它过渡元素为B组元。

Cu_O元素的性质与高温超导氧化物

2004年3月陕　西　工　学　院　学　报Mar.2004第20卷第1期 Journal of Shaanxi Institute of T echnologyV ol.20　N o.1[文章编号]1002-3410(2004)01-0074-04Cu ,O 元素的性质与高温超导氧化物黄新民, 陈　羽(陕西理工学院,　陕西汉中　723000)[摘　要]　从新的角度由Cu ,O 元素的电子构型,及电子构型决定的元素性质参数,分析了Cu ,O 在高T c 氧化物超导体中的成键特点,首次揭示了Cu ,O 在铜氧系列氧化物高温超导体中的作用本质起因,得出了:Cu ,O 元素的电子构型所决定的成键特点是铜氧系列氧化物高温超导体超导电性的根本内禀因素。

取得了诠释含Cu 高温氧化物超导体有别于其他含氧超导体T c 差异大的本质因素。

[关键词]　氧化物高温超导体;　超导电性;　内禀因素[中图分类号]　O4 [文献标识码]　A收稿日期:2003-08-26作者简介:黄新民(1956—),男,陕西洋县人,陕西理工学院教授,主要研究方向为近代物理。

Bednorz 和m üller 关于La 2Ba 2Cu 2O 的氧化物具有高临界温度超导性的报告[1]掀起全世界科学界对这种新氧化物超导研究的高潮,随后临界温度T c =20-40K 的La 2-x M x CuO 4-y (M =Ba ,Sr ,Ca )系列氧化物相继被发现和报道[2-5]。

1987年初90K 的Y Ba 2Cu 3O 7-y 超导体问世[6,7],实现了T c 超过液氮沸点的关键性突破。

1988年又发现了更高临界温度的两个系列超导氧化物:110K 的Bi 2Sr 2Ca 2Cu 2O [8]系统125K 的T l 2Ba 2Ca 2Cu 2O [9]系统。

1993年Putilin 和Schilling [10]等发现了Hg 2Ba 2Ca 2Cu 2O 系统的T c 可达130K 以上的Hg 系超导体,随着人们对新的材料、更高临界温度的超导材料的探索[11]。

超导体和等离子体讲解

如果将汞置于高压条件下，其临界温度将能达到难以置信的164K (-109℃)。
1997年，金铟合金在接近绝对零度时既是超导体同时也是磁体。1999年科学家发现钌铜化合物在 45K (-228℃)时具有超导电性。由于该化合物独特的晶体结构，它在计算机数据存贮中的应用潜力将非常巨大。
2、迈斯纳（Meissner）效应 —超导体具有将磁场完全排斥在外的完全抗磁性迈斯纳（Meissner）效应可用磁悬浮实验演示：
从获得能量的观点来看聚变核反应主要是如下两种：
20世纪50年代初，苏联科学家提出了磁约束的概念，并于1954年建成了第一个磁约束装置——托卡马克(Tokamak)，它是俄语“磁线圈环形真空室” 的缩写
0
h 2e
2.0678346110-15 Wb
约瑟夫森效应是一种隧道效应（势垒贯穿）起源于微观粒子波动性的量子效应
1962年由约瑟夫森从理论上预言，后被实验所证实
1）如果在两超导体之间夹有10-3 ~ 10-4m 的绝缘，
薄层则即使绝缘层两侧不存在任何电压，其间仍然可以持续地流过直流超导电流
2）如果在绝缘层两层的超导膜上加直流电压，则在两超导膜之间将有一定频率的交流电通过，并向外辐射电磁波，交变超导电流的振荡频率为
超导输电线路超导材料用于制作超导电线和超导变压器，从而把电力几乎无损耗地输送给用户。据统计，目前的铜或铝导线输电，约有15%的电能损耗在输电线路上，光是在中国，每年的电力损失即达1000多亿度。若改为超导输电，节省的电能相当于新建数十个大型发电厂。
超导磁体是高能加速器和核聚变装置不可缺少的关键部件。
超导磁悬浮列车
第
超四导讲
体和等离子体

过渡金属离子的转动—可能的超导电子配对新机制

1、引言
1986 年 Georg Bednorz 和 K. Alex Müller[1]发现 La-Ba-Cu-O 氧化物中可能存在高温超导电性，揭开了超导研究的新篇章。1987 年吴茂坤等[2]和赵忠贤[3]等，几乎同时制备出 Y-Ba-Cu-O 超导体，超导温度达到 90K，取得液氮温度以上超导的重大突破。1988 年 Maeda 等[4]发现 BiSrCaCuO 超导体，其超导温度在 100K 以上。1988 年盛正直等[5][6] 第一次合成了含 Tl 高温超导体. 1993 年，Putilin 等[7] 合成的 Hg 系列的第一成员——HgBa2CuO4+δ，具有 94K 超导温度。1993 年， Schilling 等[8]合成了 HgBa2Ca2Cu3O8+δ，将 Tc 提高到 130K 以上。在很高的压强下，Hg-1223 的超导温度可以达到 153 K[9]。除了铜基高温超导体，铁基高温超导[10][11][12]也受到了广泛关注。PrFeAsO0.89F0.11 超导温度达到 52K[13]，SmFeAsO0.85 的转变温度达到 55K[14]。2012 年薛其坤等[15]使用 MBE 方法在 SrTiO3 衬底表面
DOS (arb.unit)
10
spin up
0
-10
spin down
10 spin up
0
-10 spin down
-15
-10
Fe_d total
(a)
GGA+U
Fe_d total
(b)
-5 E (eV)
HSE
0
5
图 1 K2Fe4Se4-2e 的态密度，（a）GGA+U 方法；（b）HSE 方法

超导体研究：临界温度公式二

对热容的解释
热容与温度的关系式可以用BCS理论给出的能隙概念来解释。当T＜Tc一定程度时，能隙2Δ(T)实际上与温度无关。这时破坏一个库柏对需要2Δ(0)，是恒定的。在这个温度范围内，根据统计物理学，被破坏的库柏对的对数与成正比，也就是说，在超导态下电子热容与温度成指数关系。
用BCS理论解释超导性质
零电阻、能隙和相干长度临界温度的测算对热容的解释对磁通量子的解释
零电阻、能隙和相干长度的解释
在超导态情况下，载流子是库柏电子对。库柏对的电子虽然受到散射，但在过程中，总动量不变，电流就不会变，相当于无阻状态能隙就是破坏一个库柏对所需要的能量，至少2Δ 相干长度也即是组成库柏对的两个电子之间的长度
BCS超导微观理论
超导电性来源于电子间通过声子作媒介所产生的相互吸引作用，当这种作用超过电子间的库仑排斥作用时，电子会形成束缚对，也就是库柏电子对，从而导致超导电性的出现。库柏对会导致能隙存在，超导临界场、热力学性质和大多数电磁学性质都是这种库相对活动的结果。元素或合金的超导转变温度与费米面附近电子能态密度N(EF)和电子-声子相互作用能U有关，可用电阻率来估计。
超导实验现象（五）
约瑟夫逊(Josephson)隧道效应：Cooper电子对穿越势垒后仍保持着配对状态直流约瑟夫效应交流约瑟夫效应
超导的微观图像
超导能隙电子-声子相互作用库柏电子对相干长度
超导能隙
由超导态的比热容可知，超导态的电子能谱中存在一个半宽度为Δ的能量间隔，在这个能量间隔内禁止电子占据，人们把2Δ或Δ称为超导态的能隙。
超导体研究：临界温度公式
Gh.zhang,xy.zhang
超导历史
1908年，昂纳斯(Onnes) 制得液氦，1911年，昂纳斯(Onnes)首次发现了超导现象1933年，迈斯纳(Meissner)效应被发现1950年，美国科学家F.M.定克斯书和C.A雷诺兹分别独立发现了同位素效应1957年，巴丁(Bardeen) 、库柏(Cooper)和施瑞弗(Schrieffer)基于电子和声子的相互作用，建立了BCS理论50年代至60年代，第二类超导体和约瑟夫逊(Josephson)效应被发现60年代至80年代低温超导有了一定的应用规模

超导体以及超导体的应用简单介绍

超导原理
电阻：电流是导体中电子的定向移动，电子在原子间移动时，由于原子与原子核间的电磁力作用会引起原子振动。这个振动就是电阻产生的原因。超导体中存在着电子对，这些电子对可以平稳地通过由失去部分电子的原子所组成的通道。不会引起原子振动，即超导现象。
超导体的发现
1911年，荷兰莱顿大学的卡茂林-昂尼斯意外地发现，将汞冷却到-268.98℃时，汞的电阻突然消失；后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性，由于它的特殊导电性能，卡茂林-昂尼斯称之为超导态。卡茂林由于他的这一发现获得了1913年诺贝尔奖。在他之后，人们开始把处于超导状态的导体称之为 “超导体”。
超导体的应用以及前景
超导体的应用超导体的发展前景
超导体的应用
超导体的应用
超导体可以有非常大的用途，这也是各国科学家努力研究人们现在正不断地寻找新的超导体，其主要方向就是寻找能在超导的重要原因。用超导体输送电能可以大大减少消耗，用高较高温度下存在的超导体材料，即“高温超导体”(这里的高温温超导体材料加工的电缆，其载流能力是常用铜丝的1200倍；是相对而言的 )。20世纪80年代末，世界上掀起了寻找高温超导利用超导体可以形成强大的磁场，可以用来制造粒子加速器等，体的热潮， 1986年出现氧化物超导体，其临界温度超过了 125K，如用于磁悬浮列车，列车时速可达 500千米；利用超导体对温度在这个温度区上，超导体可以用廉价而丰富的液氮来冷却。此非常敏感的性质可以制造灵敏的温度探测器。超导材料最诱人后，科学家们不懈努力，在高压状态下把临界温度提高到了的应用是发电、输电和储能。由于超导材料在超导状态下具有 164K(109℃)。1998年中国科学家研制成功了第一根铋系高温零电阻和完全的抗磁性，因此只需消耗极少的电能，就可以获超导输电电缆。这一成功极大地推进了中国高温超导技术的实得10万高斯以上的稳态强磁场。而用常规导体做磁体，要产生用化进程。高温超导材料的用途非常广阔，大致可分为三类：这么大的磁场，需要消耗3.5兆瓦的电能及大量的冷却水，投资大电流应用（强电应用）、电子学应用（弱电应用）和抗磁性巨大。超导磁体可用于制作交流超导发电机、磁流体发电机和应用。大电流应用即前述的超导发电、输电和储能；电子学应超导输电线路等。用包括超导计算机、超导天线、超导微波器件等；抗磁性主要应用于磁悬浮列车和热核聚变反应堆等。

超导材料

超导电缆示意图
人类对电力网总输出功率的要求是不平衡的。即使一天之内 ,也不均匀。利用超导体 ,可制成高效储能设备。由于超导体可以达到非常高的能量密度 ,可以无损耗贮存巨大的电能。
超导储能器一次系统简图
1999年４月，日本研制的超导磁悬浮列车时速已达552公里。
西南交通大学研制成功的超导磁悬浮列车，最高设计时速达500公里。
超导变压器具有损耗低、体积小,效率高(可达99%以上)、极限单机容量大、长时过载能力强(可达到额定功率的2倍左右)等优点。同时由于采用高阻值的基底材料,因此具有一定的限制故障电流作用。
超导变压器结构示意图
我国电力资源和负荷分布不均,因此长距离、低损耗的输电技术显得十分迫切。超导材料由于其零电阻特性以及比常规导体高得多的载流能力,可以输送极大的电流和功率而没有电功率损耗。
随后，1986年4月，设在瑞士苏黎世的IBM实验室的J.G.Bednorz 和K.A.Muller发现了La-Ba-Cu-O高Tc氧化物超导体(Tc= 34 K)[1]，以后的几年，人们相继发现了多种高温超导材料，其中包括铋系、钇系、铊系、汞系等高温超导体系。
1、零电阻性超导材料处于超导态时电阻为零，能够无损耗地传输电能。如果用磁场在超导环中引发感生电流，这一电流可以毫不衰减地维持下去。 2、完全抗磁性超导材料处于超导态时，只要外加磁场不超过一定值，磁力线不能透入，超导材料内的磁场恒为零。 3、约瑟夫森效应两超导材料之间有一薄绝缘层（厚度约1nm）而形成低电阻连接时，会有电子对穿过绝缘层形成电流，而绝缘层两侧没有电压，即绝缘层也成了超导体。 4、同位素效应超导体的临界温度Tc与其同位素质量M有关。M越大，Tc 越低，这称为同位素效应。

铜氧化物超导体的高温超导机制与动力学理论

铜氧化物超导体的高温超导机制与动力学理论古家朴中国重庆 (400039)E-mail：gjp_02565@摘要：本文将高温超导体中的强耦合关联与电磁场作用相类比，引入了耦合关联强度与耦合关联能量体密度两个重要概念。

并引入假设，描述其短程有序状态下的耦合关联强度与凝聚态物质密度的数学关系。

本文分析了超导相分离过程中所存在的多种能量关系，推导出了铜氧化物超导体的竞争序动力学结构方程，从而建立起关于铜氧化物超导体的高温超导机制与理论，该理论能用数学方程推导出当前铜氧化物超导体的所有重要实验现象与规律。

如欠掺杂与过掺杂现象、赝能隙、“0.19附近”的量子临界点现象、反铁磁关联加强效应、反常同位素效应，以及压力效应等，本文给出了系统而全面的数学分析。

关键词：耦合关联高温超导动力学理论1．引言人们在探索高温超导机制的过程中，发现铜氧化物超导体中存在着相分离现象，其超导相与反铁磁相在母体中共存。

在大量的实验现象中可归纳出如下四点重要规律：（Ⅰ）欠掺杂与过掺杂现象规律：即载流子浓度的过多或过少都不利于提升超导临界温度（Tc），而存在着最佳浓度。

在高温超导相图中，其Tc与载流子浓度x的关系表现为开口向下的类抛物线型曲线（如图1）：与载流子浓度x相关的实验现象还有欠掺杂区内存在的赝能隙（T P ）现象，以及掺杂量为0.19附近存在的量子临界点现象。

（Ⅱ）反铁磁关联增强效应规律：在反铁磁关联增强的情况下，相分离温度提高；其超导电性也能够在平均载流子浓度很低的情况下出现。

即反铁磁关联的增强有利于Tc的提高。

（Ⅲ）新同位素效应规律：高温超导现象中存在着不寻常的新同位素效应：其欠掺杂区的同位素效应很明显，最佳掺杂区的同位素效应变小，而在过掺杂区却反常为负。

（Ⅳ）压力效应规律：对电子掺杂型超导体，Tc与压力无关或随压力的增加而降低；空穴掺杂型超导体的Tc一般随压力的增大而提高，或成非线性关系，即当Tc达到极大值后，若继续增压，则Tc或保持不变或下降。

超导材料高温超导机理深入揭示

超导材料高温超导机理深入揭示超导材料是一种极具科学和工程应用潜力的材料，具有零电阻和完美的磁场排斥性能。

然而，超导材料的高温超导机理一直是科学界的一个谜。

近年来，科学家们通过一系列研究和实验证据，逐渐揭示了高温超导机理的一些重要性质和特征。

高温超导是指在相对较高的温度下（液氮温度以下），材料表现出与传统超导材料相似的零电阻特性。

与低温超导相比，高温超导的发现引起了广泛关注，因为它们更容易制备并且更适用于实际应用。

在过去的几十年里，科学家们一直在努力寻找高温超导的机理。

最早的高温超导材料是铜氧化物（cuprate）超导体，也称为“氧化铜超导体”。

通过实验证据，科学家们发现，高温超导发生在材料的晶格结构中存在强烈的电子-原子相互作用时。

最初的研究表明，高温超导可能与材料的电子-原子相互作用导致了“配对”现象有关。

在超导状态下，电子会以一种特殊的方式排列，形成所谓的“库伦对”。

库伦对是由两个电子组成的，它们处于自旋相反的状态，并通过晶格振动中的声子相互作用来维持。

声子是晶体中原子振动的一种量子，它可以传递能量和动量。

在高温超导材料中，声子的振动模式对超导性质起着关键作用。

随着技术的进步和研究方法的改进，科学家们进一步深入研究了高温超导的机理。

他们发现，除了电子-原子相互作用和声子的贡献外，磁性也在高温超导中起着重要作用。

具体来说，磁场对高温超导的发展和维持具有显著的影响。

科学家们通过研究发现，在高温超导材料中，存在着一种称为“细缝”或“弱连接”的结构。

这些细缝是由超导材料中的磁场分布导致的。

在高磁场下，超导材料会发生相变，形成细缝，使得电流局部流动，并且导致超导性能下降。

在低磁场下，超导材料的超导性能则会得到恢复。

这一结构特征使得高温超导材料在磁场作用下表现出了特殊的超导行为。

进一步研究表明，磁场和粒子之间的相互作用对高温超导的机理也具有重要影响。

科学家们发现，高温超导材料中的电子可能会受到磁场的驱动，形成一种称为“费米面调整”的现象。

高Tc超导电性产生的机理

高Tc超导电性产生的机理陈羽陈超易翔在1911年，荷兰莱登实验室的卡莫林•昂尼斯发现纯汞在4.2K失去电阻，即超导电性，这一划时代的发现立即在世界范围内引起了凝聚态物理，理论物理，材料科学等领域的研究热潮。

由此发现很多的元素，合金等都具有超导性。

然而近半个世纪无数科学家的努力，超导转变温度最高为23.15K，物质是Nb3Ge。

根据由Bardeen，Cooper，Schrieffer三人建立的微观电声子理论，科学家推断，超导转变温度不可能超越30K。

在发现超导现象相隔75年后，又一划时代的发现被贝德诺茨和米勒实现。

两个研究者第二年便获得诺贝尔奖。

正是他们的发现才开创了从他们那时到今天的热情不减的超导相关研究。

他们的发现是，在通常情况下类似陶瓷的绝缘体在30K左右没有了电阻。

这不仅在超导研究上具有里程碑的意义，更重要随着研究进展，液氮温区的铜氧化物超导材料也被华人和华裔和其他科学家发现。

随着研究的深入，超导材料的类别和数量急骤增加，超导转变温度也不断被刷新。

然而超导研究中实际转变温度早已超越30K，而且确定部份超导超导转弯温度大于30K超电性机理是电声子机制。

在最近的研究中，一个虽明显而又简洁但十分重要，结论被提出来。

这一结论便是超导材料的分类方法，历来分类方法在科学研究中都不仅是研究的基础，也是研究的分水岭，在生物学，病理学，历史学等都有核心作用。

超导材料新的分类方法以元素结合的方式将以组成复杂，性质差异巨大的十分繁杂而种类繁多的材料分成了两类：金属键超导材料和化学键超导材料。

通过分类方法可以清楚的知道，高温超导材料全是化学键超导材料，既然是化学键超导材料，那么化学中化学键理论自然可以用来研究分析这类材料的相关性质。

在化学键化合物中，元素与元素相结合的物质体系，元素的电子被分为成键电子和非成键电子，这些成键电子和非成键电子在超导电性中的角色和作用是不同的，如图1所示。

图1这样正是由于成键电子和非成键电子在超导电性中的作用不同才使高温超导材料的超导转变温度具有较高的值。

超导、超流和波动超导的特征研究

陕西理工学院学报（自然科学版）
第２７卷
动量空间来看，当无电流时（珀对内两电子的总动量为０Ｆｒｉ以原点为中心，对态是库）ｅｍ球配（ｆ，）设想整个动量分布在动量空间中整体地位移了＿，一，／于是（２ｄｒ，Ｉ）一的配对态就变动
系统研究】，这些现象都属于无阻输运。随着研究的深入，一种新的无阻输运现象被发现，称之为波动超导。超导（ｕｅｏｄｃｏ）超流（ｕｅｆｗ、ＪＳｐｒｎｕｔｎ、ｃｉＳｐｒｏ）波动超导（ｌｕｔｇＳｐｒｎｕｔｎ都是无阻输 — ｌＦｕａｎｕｅｃｄｃｏ）ｔｉｏｉ
２１年９月０１第２７卷第３期
陕西理工学院学报（自然科学版）
ＪｕｎｌｆｈａｘＵｉｅｉｆｅｈｏｇＮｔａＳｉｃｄｔｎｏｒａｏａｎｉｎｖｒｔｏｃｎｌｙ（ａｕｌｃｎｅＥｉｏ）ＳｓｙＴｏｒｅｉ
收稿日期：０１５１２１－．７０
（２）
作者简介：民（９６，，黄新１５一）男陕西省洋县人，陕西理工学院教授，主要研究方向为近代物理；陈羽（９８，，１一）男陕西５
省勉县人，陕西理工学院高级实验师，主要研究方向为高温超导机理。
运的物理现象，无论是在理论研究还是实际应用，对它们的深人研究都有极为重要的意义。在本文中，我们用物理学的基础原理研究了无阻输运的物理现象，提出区域等势是无阻输运的基础，这对全面理解

超导材料综述

超导材料综述●前言超导的发现和高温超导材料的成功开发是20 世纪科技进步的重大成就之一, 它的突破性进展将导致一次新的工业革命。

超导现象从1911年发现至今正好100年,在这百年历史中超导材料的物质结构及性质逐渐清晰。

随着超导材料载流能力和临界磁场强度等性能不断改善,超导材料和应用产品也将大面积普及,将从根本上改变人类的用电方式,给电力、能源、交通以及其他与电磁有关的科技业带来革命性的发展。

●超导材料的定义具有在一定的低温条件下呈现出电阻等于零以及排斥磁力线的性质的材料。

现已发现有28种元素和几千种合金和化合物可以成为超导体。

●超导材料的发展历程超导体, 即具有零电阻和完全抗磁性的导体, 是1911 年由荷兰物理学家卡米林·昂内斯( H. K. Onnes ) 首次发现的。

1908 年7 月10 日荷兰莱顿实验室在昂内斯领导下终于把地球上尚未被液化的最后一个自然界气体——氦气液化了。

莱顿实验室在制成液氦的基础上, 再用减压降温, 获得了4K 到1K 的极低温区, 从而具备了研究极低温下物性问题的基本条件。

正是在这一背景下, 1911 年4 月昂内斯在实验中发现: 当冷却到氦的沸点时( 4. 2K) 电压突然降到零, 并于1913 年正式提出了超导电性的概念。

20 年以后, 德国的迈斯纳(W. M eissner ) 和奥赫森费尔德( R. Ochsenfeld) 发现, 当物体进入超导态后, 超导体的磁导率为零, 即超导进入一种完全抗磁性的状态。

【1】1973年，发现超导合金――铌锗合金，其临界超导温度为23.2K，这一记录保持了近13年。

1986 年4 月，IBM 公司苏黎世实验室的科学家阿历克斯·缪乐（K.Alex Mǖller）和乔治·贝诺兹（J.Georg Bednorz）发现了Tc达38K 的La-Ba-Cu-O 超导体，标志着氧化物高温超导研究的开始。

高温超导体通常是指在液氮温度（77K）以上超导的材料。

铜氧化物高温超导机理

铜氧化物高温超导机理超导材料是一种在低温下表现出极低电阻和排斥磁场的奇特物质。

长期以来，科学家们一直在寻找能够在更高温度下实现超导的材料。

铜氧化物（Cuprate）就是其中一种具有高温超导性能的材料。

铜氧化物高温超导机理的研究是一个复杂而令人着迷的领域。

虽然我们对其完全理解仍然有限，但已经取得了一些重要的进展。

铜氧化物高温超导的机理可以通过以下几个方面来解释。

铜氧化物是一种复杂的晶体结构，其中铜离子和氧离子以特定的方式排列在一起。

当材料被冷却至超导临界温度以下时，铜氧化物中的电子会形成所谓的库珀对（Cooper pair）。

库珀对是由两个电子组成的，它们之间通过晶格中的振动子（phonon）相互吸引而形成。

这种电子之间的相互吸引力是超导性的根本原因之一。

铜氧化物中存在一种称为“伪间隙”（pseudogap）的现象。

伪间隙是指在超导临界温度以上但仍然较低的温度下，材料中的一部分能级缺失。

这种缺失使得材料中的电子无法形成库珀对，从而导致超导性消失。

对伪间隙的理解对于研究铜氧化物的高温超导机理至关重要。

第三，研究人员发现，在铜氧化物中引入掺杂（doping）可以显著影响其超导性能。

通过控制掺杂的类型和浓度，可以使材料的超导临界温度大大提高。

这表明掺杂改变了材料中的电子结构，从而影响了超导性。

铜氧化物中的电子行为还受到晶格畸变和电子自旋的影响。

晶格畸变是指晶体结构中的微小变形，它会改变电子的能级分布。

电子自旋是指电子围绕自身轴旋转的性质，它会影响电子之间的相互作用。

这些因素的相互作用复杂而多样，对铜氧化物的高温超导机理产生了重要影响。

总的来说，铜氧化物高温超导机理是一个充满挑战和机遇的领域。

通过对材料结构、电子行为和掺杂效应等方面的研究，我们逐渐揭示了其中的奥秘。

随着科学技术的不断进步，相信我们对铜氧化物高温超导机理的理解将会不断深化，为超导技术的发展提供更多可能性。

【正式版】超导体与超导现象PPT

超導現象的完全抗磁性
1933年，德國物理學家邁斯納（Walther Meissner）發現了超導體的完全抗磁性，即當超導體處於超導狀態時，超導體內部磁場為零，對磁場完全排斥，即邁斯納效應。但當外部磁場大於臨界值時，超導性被破壞。
超導現象的進一步發現
1952年，科學家發現了合金超導體矽化釩1。952年，科學家發現了合金超導體矽化釩。1986年1月，德國科學家伯德諾零電阻和抗磁性是超導體的兩個重要特性。
年諾貝爾物理學獎。1987年，美國華獲得了1987年諾貝爾物理學獎。
1952年，科學家發現了合金超導體矽化釩。
裔科學家朱經武以及中國科學家趙忠賢超導現象不會發生在貴金屬像是金和銀，也不會發生在大部分的磁性金屬上。
超導現象不會發生在貴金屬像是金和銀，也不會發生在大部分的磁性金屬上。
相繼在釔－鋇－銅－氧系材料上把臨界巴丁、庫珀、施里弗因此獲得1972年的諾貝爾物理學獎。
1957年，美國物理學家約翰·巴丁、庫珀（Leon Cooper）、施里弗（Robert Schrieffer）提出了以他們名字首字母命名的BCS理論，
底，鉈－鋇－鈣－銅－氧系材料又把臨用於解釋超導現象的微觀機理。
即使接近絕對零度時，純樣的銅也仍然保有電阻值。
界超導溫度的記錄提高到125K。從 1986年－1987年的短短一年多的時間里，臨界超導溫度提高了近100K。
想化的「全導特性」來理解。
超導體是什麼<二>
超導現象可在各種不同的材料上發生，包括單純的元素如錫和鋁，各種金屬合金和一些經過佈塗的半導體材料。超導現象不會發生在貴金屬像是金和銀，也不會發生在大部分的磁性金屬上。
在1986年發現的銅氧鈣鈦陶瓷材料等系列，即所謂的高溫超導體，具有臨界溫度超過90 度Ｋ的特質，基於各種因素促使學界又再度燃起研究的興趣。對於純研究的領域而言，這些材質呈現一種現象是目前理論所無法解釋的。而且，因為這種超導狀態可在較容易達成的溫度下進行，尤其若能發現具備更高臨界溫度的材料時，則更能實現於業界應用。

1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

2005年12月陕西理工学院学报D ec .2005第21卷第4期 Journa l o f Shaanx i U niversity of T echnology V o.l 21 N o .4[文章编号]1673-2944(2005)04-0092-03Cu 、O 同位素效应与高Tc 超导体超导电性机理陈羽1, 黄新民2(1.陕西理工学院化学系, 陕西汉中 723000;2.陕西理工学院物理系, 陕西汉中 723000)[摘要] Cu 元素、O 元素在铜氧化物高Tc 超导体中对超导电性的产生,超导转变温度的变化,掺杂元素的特征效应具有决定性作用。

对Cu 元素、O 元素的性质特征认识,成键特点,以及在铜氧化物高Tc 超导体中的同位素效应清楚的理解,对全面揭示高T c 铜氧化物超导体超导电性机理具有关键作用。

通过分析Cu 元素、O 元素在铜氧化物超导体中的同位素效应,得出了高Tc 铜氧化物超导电性的机理仍是电声机制,CuO 2平面上的Cu 元素,O 元素的声子直接参于电声子配对,CuO 2平面上的Cu 、O 元素的键态的声子模对电声配对具有决定性作用。

[关键词] 同位素效应; 高Tc 铜氧化物超导体; 超导电性机理[中图分类号] O4 [文献标识码] A收稿日期:2005-09-02作者简介:陈羽(1959)),男,陕西勉县人,陕西理工学院高级实验师,主要研究方向为超导实验工程及材料。

自高Tc 超导电性被发现以来[1],有关这类新型高Tc 铜氧化物超导体的高Tc 微观机理研究一直是研究者极为关注的研究课题[2]。

根据一些实验结果,相继提出了许多的理论模型。

但是,至今没有一个理论能够全面彻底地解释高T c 起源机理[3]。

除了实验上要取得一些无可争议的关键性结果,更重要的是找出关键性问题。

Cu 元素、O 元素在高Tc 铜氧化物超导体中是最重要的两个元素[4],也是被研究得最广泛的两个元素[5],对Cu 、O 元素在高Tc 铜氧化物超导体中的作用[6]、键型[7]、同位素效应[8]以及相关作用已有定论性的结果。

本文通过Cu 、O 元素对高T c 铜氧化物超导体的同位素效应的实验结果的分析讨论,首次得出高Tc 铜氧化物超导电性机理是电声机制,CuO 2平面上的元素Cu 元素、O 元素的声子直接参于电声子配对,CuO 2面上Cu 、O 键态的声子模对电声配对具有决定性作用。

1 高T c 铜氧化物超导体中的同位素效应研究1.1 氧的同位素效应研究高Tc 铜氧化物超导电性被发现后,初期大量的同位素效应研究主要是对氧的同位素效应的研究。

1987年)1988年期间所得出的氧的同位素效应A 平均0.2,在La 系和Y 系[9],这个结论成为当时提出高Tc 铜氧化物超导电性机理不同于BCS 理论的描述的依据[10]。

1989年,由Y.J .U e m ura 等[11]做了一项极为有意义的研究,得出了磁场穿透深度与超导载流子密度及有效质量的关系,即,1/K 2W n s /m *,这里K 为磁场穿透深度,n s 为超导载流子密度,m *为有效质量,为研究同位素效应寻求了一种精确而便于操作的方法。

Jan ice .H.N icke l 等[12]研究了~95%的18O 在YBa 2Cu 3O 7超导体中CuO 2面[O2、O3]位置,16O 在[O4]和链位置[O1],结果指出声子参与YBa 2Cu 3O 7成对机制,这些参与配对的声子不仅是铜氧面上的氧原子的声子,也包括顶角位置的氧原子[O4]。

J .P .Franck 等[13]小组在对La 2-x Sr x CuO 4超导体中铜元素的同位素效应的研究得出的:对于x =0.15,A Cu =0.15,A O =0.11;对x =0.125,A Cu =0.93,A O =0.91,他们认为铜、氧的声子频率影响了超导体的转变温度。

Guo-m eng Zhao 等[15)17]系统的研究了YBa 2Cu 3O 6.94、Y 0.7Pr 0.3Ba 2Cu 3O 7、YB a 2Cu 3O y 超导材料O 的同位素效应和Cu 的同位素效应,他们认为:高Tc Y 系铜氧化物超导体中,CuO 2面上的O 、Cu 元素的声子在电声成对机制中起着重要作用。

D.Zech 等[14]在对YB a 2Cu 3O 6+x 超导体进行了位置第4期陈羽,黄新民Cu、O同位素效应与高T c超导体超导电性机理选择O的同位素效应研究,他们得出的结果是:超过80%的同位素效应值来源于CuO2面。

J.H o fer 等[18]对La2-x Sr x CuO4单晶用文献[11]的方法,研究了O元素的同位素效应,认为:铜氧面上的晶格振动对La2-x Sr x CuO4超导体的高Tc超导电性起着重要的作用。

R.Khasanov等[19]对比研究文献[11]的方法,对YBa2Cu3O7-D超导体CuO2面上的氧元素的同位素效应进行了研究,得出了同位效应同其他研究小组类似的结论。

1.2Cu元素的同位素效应研究在高Tc铜氧化物超导体中,Cu元素的同位素效应,A Cu最初的数据来源于W eber c s模型处理La-Sr -Cu-O的理论结果,A Cu=0.165[9]。

J.P.Franck等[13]在La2-x Sr x CuO4超导体系,分别对x=0.15和x =0.125组样品对Cu元素的同位效应做了详细的研究,发现A Cu与A O密切相关,对x=0.15的样品A Cu =0.15,A O=0.11,而x=0.125的样品A Cu=0.93,A O=0.91,从A Cu变化可以看出,A Cu值大小也与空穴掺杂相关,并且从A Cu值分析得出了CuO2面上的Cu元素声子参与成对机制。

Guo-M eng Zhao 等[16]研究了YB a2Cu3O y超导体在y=6.6时,Cu铜元素的同位素效应A Cu,得出了A Cu U0.37且y=6. 94,A Cu趋于减少到零甚至略为负值,A Cu的值在y=6.6时与A O值相同,并有同样的Tc,他们由此得出铜氧面上的铜离子如同铜氧面上氧元素,它们声子都参与了成对机制。

J.H ofer研究组[18]在对欠掺杂La2-x Sr x CuO4单晶样进行O同位素效应与平面穿透深度研究中得到:x=0.080,K-2ab(0)=-10(2)%; x=0.086,K-2ab(0)=-8(1)%,并且认为原因在于铜氧面的有效质量m*ab,由此,他们认为铜氧面晶格振动对超导电性起源是重要的。

R.Khasanov研究组[19]在YB a2Cu3O7-D最佳掺杂进行O同位素效应和铜氧面穿透深度的研究中也得到v K ab/K ab=2.8(1.0)%在4K,v m*ab/m*ab=5.5(2.0)%,他们也认为超导载流子是与晶格振动相关的。

2高T c铜氧化物超导体的超导电性机理由1的讨论笔者认为:高Tc铜氧化物超导电性的机制仍是电声机制,高Tc铜氧化物超导体中CuO2平面上的Cu元素的声子,O元素声子同时参于了高超导电性的起源;CuO2面上Cu、O键态声子模对电声配对具有决定作用。

Szczesniak.R等[20]就二维晶格上电声子机制的超导电性起源的问题研究中指出:既是同位素效应较小,超导电性仍可由电声子机制起源。

Fan.J.D和M alozovsky.Y.M[21]提出一种新的方法用于描述低温超导电性和高温超导电性的起源机制,他们指出这种新的方法和概念都在BCS理论的框架内。

在早期的低温超导体研究中,也发现了同位素效应A值在0.2左右的电声机制的超导体[22]。

对于掺杂C60普遍认为超导电性起源于电声机制,而碳的同位素效应A c=0.37[23]。

2001年被日本科学家发现M gB2超导体,超导电性起源按BCS理论处理,硼的同位素效应A B=0.26?0. 03[24]。

而在高温超导电性起源的研究中,由于初期同位效应研究中测定的值普遍较小,很多科学提出一系列解释同位效应值小的机制及相关的高温超导电性起源的机理。

随着研究的深入,同位素效应的研究取得了极大的成功,这为认识高温超导电性起源机制打下了很好基础。

3结论通过讨论高Tc铜氧化物超导体中CuO2面上的铜元素、氧元素的同位素效应,根据无可争议的结论性的实验结果,我们首次提出了在高Tc铜氧化物超导体中超导电性机理仍是电声配对机制,高Tc铜氧化物超导体中CuO2面上的Cu元素,O元素声子直接参于电声子配对,CuO2面的Cu与O的声子模对电声配对具有决定性作用。

有关电声子机制如何能产生高Tc的研究工作正在进行中。

[参考文献][1]J G eorz Bedno rz,K A lexM u ller.P erovsk it-type-the ne w approach to high T c superconduc ti v ity[J].R ev ie w s ofM odernPhysics,1988,60(3):5851[2]F ador F Ba l ak i rev,Jonathan B B tts,A l bertM i g llotr,l e t a.l S i gna t ure of opti m al doping i n H a ll-e ffect measure m ents ona h i gh-te mperature superconduc t o r[J].N ature,2003,42(21):912)914.##93[3]M ichae lN o r man.H ave Cuprates E arned T he ir S tripes[J].Sc i ence,2004,303(26):1985)1986.[4]黄新民,陈羽.Cu、O元素的性质与高T c超导氧化物[J].陕西工学院学报,2004,20(1):74)77.[5]周午纵,梁维耀.高温超导基础研究[M].上海:上海科学技术出版社,1999.166)208.[6]韩汝珊.高温超导物理[M].北京:北京大学出版社,1998.[7]章立源.超导理论[M].北京:科学出版社出版,2003.[8]Shi m ada D,T suda N.O n the i so tope i n T c f o r cuprate s uperconducto rs[J].Physica le,2002,371(1):52)56.[9]J P Carbo tte.Properties o f boson-exchange superconductors[J].R ev ie w s o f M odern P hysics,1990,62(4):1027)1158.[10]E fftrati ons,M anousak i s.T he Sp i n-1/2H e i senbeng antiferrom agnet on a square lattice and its applica ti on t o t he cupra teox ides[J].R ev ie w s o fM odern Phy si cs,1991,63(1):1)62.[11]Y J U emura,G M Luke,B J Stern lieb,et a.l U niversa l correlations bet w een T c and ns/m*(carr i e r density over effecti v ie M ass)i n h i gh-T c cuprate superconductors[J].Phys i ca lR ev ie w L etters,1989,62(19):2317)2320.[12]Jan i ce H N icke,l D ona l d E M o rris,JoelW A ger III.L ocus o f pa iri ng i ntercti on in YBa2Cu3O7by s ite-se l ec tive oxygeni so tope sh ift18O i n Cu O2laye rs,Phys i ca lR ev ie w L etters,1993,70(3):81)84.[13]J P F ranck,S H a rker,J H B rew er.Copper and O xygen Isotope Effects i n L a2-x SrCu O4[J].Physical R ev ie w L etters,1993,71(2):283)286.[14]D Zech,H ke ller K Conder,et a.l Site-selective oxygen i so tope effect i n opti m a l L oped YBa2Cu3O6+x[J].N at ure,1994,371(20):681)683.[15]G uo-M eng Zhao,Donald E M orr i s.O bserva ti on o f a possi b l e oxygen isotope effect the effecti ve m ass o f carr i ers i nY Ba2Cu3O6.94[J].P hysica lR ev i ew B,1995,51(22):16487)16490.[16]Guo-M eng Zhao,Joe lW A ge r III,Donald E M orris,e t a.l S ite dependence of l a rge oxgen isotope effect i n Y0.7P r0.3Ba2Cu3O6.97[J].Phys i ca lR ev ie w B,1996,54(21):14982)14985.[17]Guo-m eng Zhao,V i dula K r itika r,K K S i ngh,et a.l Large copper iso t ope effect i n oxygen dep leted Y Ba2Cu3Oy:I m po r-tance o f Cu-do m i nated[J].Physica l R ev ie w B,1996,54(21):14956)14959.[18]J H ofer K Conder,T Sasagaw a,et a.l Oxygen-Isotop effect on t he in-phane P enetration i n underdoped Laz-x SrxCuO4si ng l e c rysta l s[J].Physicsl R ev i ew L ette rs,2000,84(18):4192)4195.[19]R Khasanov,D G E shchenbo,H L uetkens1D irect O bservati on o f the O xyg en Isotope E ffec t on t h In-P lane M agneticF i e l d P enetra tion D epth in O pti m a ll y Doped YBa2Cu3O7-D[J].Physical R eview Le tter,2004,92(5):057602)257602.[20]R Szcgesn i ak,M M i erze je w sk,i J Z i e li nsk,i et al1M odificati on o f t he i so tope effect by t he V an H ove s i ngular ity o f e lectronson a t w o-di m ensi onal lattice[J].Soli d state Comm un i cations,2001,117(6):369)371.[21]F an J D,M a l o zovsky Y M1A unified desc ri ption of high-and l ow-T c superconducti v ity[J].Phys i ca l C,2001,364(11):50)58.[22]P G德让纳.金属与合金的超导电性[M].北京:科学出版社出版,1980.[23]吕劲,章立源,周云松.关于掺杂C60超导体超导电性的一种可能机制[J]1低温物理学报,1995,17(4):259)264.[24]戴闻,冯庆荣,高政祥.M gB2中的超导电性[J]1自然科学进展,2002,12(9):897)902.Cu,O isotope effect and h i gh T c copper ox i de supercondcti v it yC H E N Yu,HUANG X i n-m i n(Shaanx iUn iversity of Techno logy,H anzhong723000,Ch i n a) Abst ract:The high Tc superconductivity o ri g i n s,Tc change,bond characteristics and the spec ifc property of the ele m ents i m pure are decided w ith the copper e le m ent and oxygen ele m ent i n the high Tc copper ox ide superconductors.Basic ana l y sis of the experi m ent resu lts of the copper isotope and oxygen iso tope is m ade and t h e high T c superconducti v ity m achan i s m is phononsm ediation electrons contribution to the pairing m echanis m.The copper phonons and oxygen phonons on CuO2plane take part in the e lectron-phonon pair. The phonons m odes on the bond the copper and oxygen on CuO2plane is i m portant to t h e e l e ctr on-phonons pa ir.K ey w ords:iso tope;high T c copper oxdie superconductor;superconductiv ity m echan is m#94#陕西理工学院学报第21卷。