高温铜氧化物超导体中费米弧和费米口袋共存

铜氧化物高温超导体电子结构与临界温度关系研究陈宁1，季飞1，范本勇1,汪纯1，李福燊11北京科技大学材料科学与工程学院无机非金属系(100083)E-mail: nchen@摘 要：量子化学电子结构计算（CASTEP方法）结果发现，对于所有已发现的27个铜氧化物超导体系，铜氧面的最近邻阳离子A（内层p轨道）与O离子（内层2s轨道），在E f以下约20e V深处，均存在着的内层轨道作用，这种作用产生的内层耦合电子分布在铜氧面上的相对强度与超导临界温度（T c）成正比。

这一定量关系证明，内层轨道是导致高温超导现象最重要原因之一；同时还揭示，处于最外层轨道上的载流子与内层轨道耦合的联系可能是通过铜氧面上O的内层2s轨道的改变来实现的。

关键词：电子结构、氧化物超导体引言高温超导体有许多令人吃惊的性质，从发现高温超导现象至今十几年的研究热潮中，人们已经在确证、充实及理解那些奇特的现象上花费了巨大的精力。

这些课题任务之所以极其重大的，除了巨大的实际应用价值外，在凝聚态物理理论上也是非常特别的，因为这些体系中电子的行为与通常费米液体行为的金属有很大不同，电子-电子强关联效应似乎占据非常重要的部分。

但是为什么这些体系具有强关联呢？传统的研究中我们忽略了哪些重要的因素呢？因此，我们首先要搞清楚这些体系的电子结构特点。

自高温超导体问世以来，就有很多科研小组对氧化物超导体的电子结构进行了深入研究。

徐建华等[1]、Pickett等[2]用能带理论对La2CuO4体系（La系）进行了计算。

虽然不同的研究组在计算时使用的晶格参数、收敛精度等略有差别，但所得结果在大体上是一致的。

计算结果表明，La的5d带处于E f以上1e V处，而它的4f带则处于E f以上约3e V处。

O的2s带和La的5p带则分别处于E f以下（约-20~-14e V处）。

因而在E f附近，主要是Cu的3d和O的2p形成的一个十分复杂的p-d杂化带。

此外，对于YBa2Cu3O7（Y系）至少有Krakauer、Massidda以及Mattheiss等三个不同的研究小组3]计算了这种体系的能带结构。

均匀费米气体-概述说明以及解释1.引言1.1 概述费米气体是一种特殊的量子气体，由一类称为费米子的粒子组成。

费米子具有一个重要的特性，即遵循费米-狄拉克统计。

根据费米统计，两个具有相同自旋的费米子无法占据相同的量子态，即所谓的泡利不相容原理。

这导致了费米气体的一个显著特征：它们的粒子在一个给定的量子态上是排斥的，这也被称为费米子的反对称性。

费米气体在许多领域中都有重要的应用。

在凝聚态物理中，均匀费米气体是研究高温超导和冷原子气体物理的基础。

由于费米气体的特殊性质，它们在低温下展现出许多奇特的现象，如费米凝聚和BCS超导。

此外，费米气体在天体物理学、核物理学和粒子物理学中也有广泛的研究。

本文将介绍均匀费米气体的基本概念、物理性质和理论模型。

首先，我们将给出费米气体的定义和特征，包括费米-狄拉克统计和泡利不相容原理。

接着，我们将探讨费米气体的物理性质，例如压强、能量和热容等。

最后，我们将介绍一些常用的理论模型来描述费米气体的行为，如自由费米气体模型和紧束缚模型。

通过对均匀费米气体的研究，我们可以更好地理解和解释许多不同领域中的物理现象。

同时，均匀费米气体也为实验物理学和理论物理学提供了一个重要的研究对象。

本文旨在系统地介绍均匀费米气体的基本知识和最新研究进展，以促进对这一领域的深入理解和探索。

1.2 文章结构文章结构:本文将按照以下结构进行阐述和讨论均匀费米气体的相关内容：1. 引言部分：在引言中，我们将对均匀费米气体进行概述，包括其定义、特征以及一些基本的物理性质。

同时，我们将明确文章的目的和目标，为读者提供一个整体的了解和预期。

2. 正文部分：正文将分为多个小节，分别讨论定义和特征、物理性质以及理论模型等方面的内容。

2.1 定义和特征：在这一小节中，我们将详细介绍均匀费米气体的定义和特征。

我们将从微观和宏观的角度出发，解释费米气体的基本概念，并探讨其在实际系统中的应用和意义。

2.2 物理性质：这一小节将重点讨论均匀费米气体的物理性质。

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。

铜氧化物高温超导体中的电子有序态铜氧化物高温超导体的发现至今已经有30 年的历史，然而其超导态形成的微观机制依然有待解决，这成为现代凝聚态物理学中最重要、也是最具有挑战性的问题之一。

高温超导领域中一个较为普遍接受的观点是，铜氧化物超导体是掺杂莫特绝缘体，是典型的强关联电子体系。

在未掺杂的母体中，CuO2面中的铜离子为二价(Cu2+，3d9电子态)，因此在每个Cu 晶格上有一个未成对的d 电子。

从能带论的观点来看，这将形成一个半填满的能带，因此应该是金属。

然而，由于同一个格点上双占据的d 电子之间强烈的库仑排斥作用，这个母体成为莫特绝缘体，并由于超交换作用而形成反铁磁长程有序态。

随着化学掺杂引入的载流子浓度增加，反铁磁长程序被逐渐压制，铜氧化物体系会发生一个绝缘态到金属态的转变，并进而产生超导态。

此后随着掺杂浓度继续升高，其超导转变温度逐渐达到一个最大值(对应于最佳掺杂)，然后过掺杂区又会下降直至最终消失。

电子之间的强关联性在铜氧化物的物理中起到至关重要的作用，特别是在欠掺杂区域的赝能隙态。

近年来，除了反铁磁莫特绝缘相和超导相这两个确定的电子态，高温超导体相图中其他几种新奇的有序态渐次为各种实验手段所发现。

例如在相图中的欠掺杂区域，一系列实验表明电子可能形成自旋、电荷、或者库珀对的有序态或者涨落。

这些有序态主要发生在母体反铁磁长程序逐渐被压制、高温超导态逐渐增强的过程中，大多对应于赝能隙态产生的温度以下的区域。

关于这些有序态的起源仍然没有定论，人们提出了各种各样的可能性，例如费米面叠套(nesting)引起的失稳、条纹序、自旋密度波态等等。

理论研究表明，这些来自于不同自由度的有序态，包括电荷密度波(CDW)和库珀对密度波(PDW)，与高温超导相是紧密纠缠在一起的。

研究清楚这些有序态的起源及其与赝能隙态和超导态的关联，对于我们理解掺杂莫特绝缘体中高温超导相的产生机制，将会有重要的意义。

接下来，我们主要从实验的角度简单介绍高温超导体中的电荷有序态和库珀对密度波的研究历史与现状。

费米面嵌套费米面嵌套是一种在凝聚态物理学中常见的现象，它描述了电子在晶体中的运动和排布方式。

费米面是能量空间中的一个曲面，它将填充态和未填充态分隔开来。

费米面嵌套指的是两个费米面之间的相互作用，这种相互作用可以导致一些有趣的物理现象。

费米面的定义和性质费米面是指在动量空间中，能量等于费米能级的所有电子的集合所形成的曲面。

费米能级是指在零温下，能够被电子填充的最高能级。

费米面的形状和性质取决于晶体的结构和电子的能带结构。

费米面具有以下性质：1.费米面是闭合的曲面，它将填充态和未填充态分隔开来。

填充态是指能量小于费米能级的态，未填充态是指能量大于费米能级的态。

2.费米面的形状取决于晶体的对称性和电子的能带结构。

在一些晶体中，费米面可能是球形的，而在其他晶体中，费米面可能是复杂的形状，如多个分离的曲面或扭曲的形状。

3.费米面的形状可以通过实验技术进行测量，如角度分辨光电子能谱（ARPES）和电子衍射。

费米面嵌套的物理现象费米面嵌套指的是两个费米面之间的相互作用。

当两个费米面之间的相互作用很强时，会出现一些有趣的物理现象。

1.能带重建：费米面嵌套可以导致能带重建，即原来的能带结构被改变。

在费米面嵌套发生时，填充态和未填充态之间的相互作用可以导致能带的重新排列。

这种重新排列可以改变材料的电导率和磁性等性质。

2.密度波形成：费米面嵌套可以导致密度波的形成。

密度波是指电子密度在空间中出现周期性的变化。

费米面嵌套可以引起填充态和未填充态之间的电荷密度波的形成。

这种电荷密度波可以影响材料的电子传输和磁性等性质。

3.超导性：费米面嵌套可以促进超导性的产生。

在一些材料中，费米面嵌套可以引起电子之间的库伦相互作用的增强，从而导致超导态的出现。

超导态是指在低温下电阻为零的状态。

实验观测和理论解释费米面嵌套的实验观测主要依赖于角度分辨光电子能谱（ARPES）和电子衍射等技术。

这些实验技术可以测量费米面的形状和能带结构，从而验证费米面嵌套的存在和性质。

超导体悖论全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：超导体悖论作为物理学上一个颇具争议性的问题，一直以来都困扰着科学家们。

超导体是一种在极低温下能够完全消除电阻的材料，其内部会出现一种称为“超导电流”的特殊电流。

虽然超导体的电阻为零，但其内部仍会存在着磁场。

这就带来了一个悖论：超导体内部如何同时存在零电阻和磁场这两种看起来矛盾的物理现象？要理解超导体悖论，首先需要了解一些基础的物理知识。

在经典物理学中，超导体的电阻为零是很容易理解的。

在超导态下，电子能够以一种协同的方式移动，形成一个统一的电子波，这种波称为“库珀对”。

库珀对具有很高的流动性，电子之间几乎没有碰撞，因此电子在超导体中可以自由地传导，从而形成了零电阻的特性。

当我们考虑超导体内部的磁场时，就会遇到问题了。

根据麦克斯韦方程组，磁场与电流之间存在一个耦合关系。

当磁场改变时，会产生感应电流，这会导致电流的流动，从而导致电阻。

理论上来说，超导体内部的磁场应该能够打破超导态，使其失去零电阻的特性。

这就是超导体悖论的核心所在：超导体内部如何能够同时存在零电阻和磁场？科学家们提出了许多理论来解释这一问题，但至今尚未找到一个令人满意的答案。

其中之一是“伦敦方程”，该方程认为超导体内部的磁场会被限制在一个很小的区域内，而不会影响整个超导体的零电阻特性。

另一个解释是“费米液体理论”，该理论认为超导体内部的自旋迹道可以抵消磁场的影响，从而保持零电阻。

尽管有这些理论来解释超导体悖论，但问题仍然存在。

实验观测显示，当外加磁场增加到一定程度时，超导体确实会失去超导态而出现电阻。

这表明超导体内部的磁场确实会影响其零电阻特性，而不是像理论预言的那样被完全屏蔽或抵消。

这给解决超导体悖论带来了新的挑战。

为了解决这一悖论，科学家们需要进一步研究和理解超导体内部的物理过程。

他们需要找到一种更全面的理论框架，能够同时解释超导体的零电阻和磁场行为。

这可能需要深入探讨超导体的微观结构和电子行为，以寻找到一个统一的解释。