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。

Yttrium atoms are yellow, Barium atoms are purple, Copper atoms are blue and Oxygen atoms are red;
【the picture was generated using BIOSYM(TM)ห้องสมุดไป่ตู้】
YBCO 在铜氧化合物超 导体中,由于YBCO体 导体中,由于 体 系在结构上具有完整 面和Cu-O链 的CuO2面和 链 因而是理想的基础研 究对象, 究对象,也一直是人 们关注的焦点之一。 们关注的焦点之一。
铜氧化物超导体的结构
一般而言，氧化物超导体都是钙钛矿型结构（ 一般而言，氧化物超导体都是钙钛矿型结构（Perovskite Structure）派生出来的， Structure）派生出来的，人们称之为有缺陷的钙钛矿型化 合物。 合物。钙钛矿型结构的化合物一般都具有理想的配比化学式 ABO3【张其瑞.高温超导电性[M].浙大出版社】 A代表具有较大离子半径 的阳离子 B代表半径较小的过渡金 属阳离子 A和B离子的价态之和为 +6,以保持电中性条件的 +6,以保持电中性条件的 成立
量处于6.5~7.0之间是， YBCO为正交超导相；当氧含量处 之间是， 为正交超导相； 量处于 之间是 为正交超导相 之间， 为不超导的四方相。 于6.5~6.0之间，YBCO为不超导的四方相。 之间 为不超导的四方相
为正交晶系YBa2Cu3O7 图(a)为正交晶系 为正交晶系
为正交-四方相变 图(b)为正交 四方相变 为正交
【G. Xiao, F.H. Streitz, A. Gavrin, Y.W.Du, and C.L.Chien,Phys. Rev. B,35(1987), 8782】

1.1超导的发现9
1.1.1 超导物理之父— 海克·卡末林·昂内斯
1.1.2 液化氦气成功为超导的发现奠定基础
1.1.3. 首次发现超导
1.1.4 零电阻效应的证实
1.2超导材料的特点10
1.2.1超导的零电阻效应................................................
1870年,卡末林-昂内斯进入格罗宁根（Groningen）大学学习,第二年获科学学士学位。在格罗宁根大学,他学习了物理学和数学.次年转人德国海德堡（Heidelharg ）大学,在这里曾有向化学家罗伯特·威廉·本生（Robert Wilhelm Bunsen）及物理学家基尔霍夫（Kirchhoff）请教学习的机会。他是在基尔霍夫私人实验室工作的两名学生之一。
第一章 超导.1 超导物理之父— 海克·卡末林·昂内斯
1853年9 月21 日海克·卡末林·昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）出生于荷兰的格罗宁根（Groningen）。他的父亲拥有一制瓦厂, 但他的母亲艺术素养颇佳, 深深影响了他。他的姐夫是当时Liden（地名）有名气的画家。卡末林一昂内斯年轻时也曾涉猎诗歌。
改革开放以来我国社会主义市场经济体制逐步建立，综合国力日益增强，人民生活水平大大提高，然而在这快速发展的同时一些深层次的矛盾与问题日益积累和加深，致使我国的可持续发展面临着诸多困境。一、一次能源资源面临枯竭，相关要素资源严重短缺。目前我国探明可开采的石油储量约21亿吨预计还可开采11.3年，煤炭1145亿吨预计还可开采45年，天然气1.88万亿立方米预计还可开采27.2年（数据来源：BP世界能源统计2008）。二、资源消耗过大，环境严重恶化，面临巨大的温室气体减排压力。科学观测表明，地球大气中二氧化碳的浓度已从工业革命前的280ppm（280毫升/立方米）上升到了2008年的386ppm。很多科学家将400~450ppm设为大气中二氧化碳的浓度上限，以避免“不可逆转的灾难性后果”。以上的数据表明我国（乃至全球）要实现可持续发展必须走低能高效之路，一方面最大限度地提高能源特别是不可再生能源的终端利用效率，另一方面大力开发利用新能源，寻找满足我国能源需求的终极解决途径。中国南方电力公司副总经理肖鹏曾在《中国电力工业变革与发展的战略选择》中强调要高度重视并加快高温超导技术的研发利用。他指出：高温超导技术是21世纪有可能为电力工业带来革命性变化的唯一高科技储备，也是未来新能源变革的重要技术支撑。

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。

Ｅ懈聊ｅ＾昭Ⅳｅ螂等杂志纷纷以“内嵌富勒
烯：笼中之笼”、“与俄罗斯套娃富勒烯共舞”和“金属富勒烯套娃”为题进行了报道。
维生素Ｃ开启诱导多能干细胞研究的新篇章
诱导多能干细胞（ｉＰＳＣ）转化效率过低一直是困 扰干细胞与再生医学应用研究的巨大瓶颈。广州生物 医药与健康院首次将研究的着眼点从细胞核内部因 子转移到细胞外培养条件，这个重大的革新性发现， 能够将原先的每ｌ万一ｌＯ万个细胞才能有１个细胞 转化为多能干细胞的低效率。提高１ ０００一１０ ０００倍。 ＆即＆ｅｍ ｃｅ口于２００９年１２月２４日在线发表了该项 成果，并且被选为２０１０年１月封面文章，这是来自中 国的科研成果第一次获此殊荣。此项研究成果开启了 干细胞研究的一个新的方向．在基础理论研究和应用 研究等领域都有着重要的作用。该研究成果将使人们 对维生素Ｃ的功效刮目相看，在人口健康、家畜繁殖、动物保护等领域都有着重要的作用。
№Ｍｒｅ上，在超导领域引起强烈反响。
高温铁基超导体超导机理研究取得新进展 最近一年多来物理所丁洪研究组。在前期研究工作基础上．和多个研究小组合作在铁
基超导体方面取得了一系列研究成果，其中最突出的是用多个有说服力的实验结果揭示了 反铁磁波矢相连的带间散射和费米面近似嵌套是导致铁基超导的最根本原因。
在最佳空穴掺杂的Ｂ％。Ｋ正ｅ２Ａｓ２样品中，他们发现超导配对强度随着内部的空穴型费 米面（ｄ）和电子型费米面的近似嵌套而增加，但外部非嵌套ｅ耶）。而在最佳电子掺杂的ＢａＦｅｌ．８５ＣｏｏｌＡｓ２样品中，费米面 近似嵌套条件从ｄ变到了Ｂ，从而ｐ费米面上的配对强度变大（爿¨Ｓ）。
病相关的胰淀素（√岫ｙｌｉｎ）的
组装机理．对于具有ｂｅｔａ片
层结构的多肽组装结构的解析和组装机理的解释提供了新的思路。在此工作基础上。他们 报道了一种利用分子调节剂有效调控淀粉样蛋白聚集的新方法。利用类分子伴侣的调节效 应不仅可以在分子水平上有效调控多肽的二维组装特性。而且可以调控多肽的三维聚集行 为。该研究从分子水平上揭示了多肽与分子调节剂相互作用的机理．为与淀粉样蛋白聚集 有关疾病的预防、药物设计和治疗提供了潜在的可行途径。有关研究成果发表在近期的

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。

4、BCS基态：在Cooper对提出之后，Bardeen等人提出超导 基态是电子按照Cooper对分布的状态，Schrieffer在此基础上 得出了BCS基态波函数为：
而由此得出的基态能量为：
能隙函数为：
BCS理论的一些推导结果：
1、能隙：
2、临界电流：
3、比热： 超导转变温度附近比热跳变 低温下
•基本性质
零电阻效应：目前最精确的测量设备仍然探测不到超导体的任何电阻 迹象。如果用测量的精度作为衰减量，当超导体环路内通入电流，电
流在线圈内持续的时间会超过100000年。
完全抗磁性：超导体放入磁场之后，会将磁通完全排出超导体 外。这也是区别超导体与理想导体的主要方法。 完全抗磁性与零电阻便是超导体最重要的两个性质。
•Ginzburg-Landau 理论
Ginzburg-Landau方程：基于Landau二级相变的理论基础上引入 了一个序参量ψ描述超导电子，再对自由能变分得到关于ψ的微分 方程。
核心思想：超导—正常态转变为二级相变。用 ψ 作为电子有效波 函数，而用其平方项表示超导电子密度。 G-L理论认为超导电子在空间不是均匀分布的，会随着空间位置 发生变化。而在超导电子波函数为小量时，可以将自由能进行级 数展开。 G-L理论适用范围：磁矢势与超导波函数随空间的变化很缓慢， 温度T在超导转变温度Tc附近。 当温度T远离Tc时，需要对G-L方程进行修正。
第二类超导体
第一类超导体
第二类超导体
混合态
Josephson效应
直流约瑟夫森效应：结两端的电压V＝0时，结中可存在超导电流，它是由超 导体中的库珀对的隧道效应引起的。只要该超导电流小于某一临界电流Ic，就
始终保持此零电压现象。

Abstract
On the basis of a two-orbital model (including d x 2 − y 2 and d z 2 orbitals), we perform a systematic study of the superconducting property in single-layered La2−x(Sr/Ba)xCuO4 and HgBa2CuO4+x by using the constrained-path Monte Carlo method. We find that the d-wave pairing correlation is strongly enhanced with increasing the energy difference ΔE between d x 2 − y 2 and d z 2 orbitals, which provides a reasonable explanation of higher superconducting critical temperature Tc in HgBa2CuO4+x than in La2−x(Sr/Ba)xCuO4. The similar spin correlations in the La- and Hg-based systems suggest that antiferromagnetism is not responsible for material-dependent superconductivity. Further analysis indicates that the hole density on the d x 2 − y 2 orbital increases with increasing ΔE, leading to a higher Tc in the Hg-based system with larger ΔE. Our results are useful for understanding the superconducting property in single-layered high-Tc cuprates.

A.乔治·索尔卡
B.赫伯特·克勒默
C.雅克·夏帕克
D.雅克·库恩
2.超导金属丝绳的关键特性是？（）
A.电阻率随温度降低而增加
B.电阻率随温度降低而减小
C.有序排列的晶格结构
D.非磁性
3.超导态的临界温度Tc通常由什么决定？（）
A.材料纯度
B.外加磁场强度
C.载流子浓度
D.以上都是
4.以下哪种材料是典型的低温超导体？（）
（2）计算超导电缆的临界电流和临界磁场。
（3）讨论超导电缆在建设过程中可能遇到的技术难题及解决方案。
标准答案
一、单项选择题
1. B
2. B
3. D
4. C
5. D
6. D
7. B
A.减少温室气体排放
B.降低噪音污染
C.提高空气质量
D.以上都是
23.以下哪种材料不属于低温超导体？（）
A.银线
B.铅
C.钇钡铜氧（YBCO）
D.铜氧化物
24.超导金属丝绳的临界电流Ic与材料几何尺寸的关系是怎样的？（）
A.随丝绳直径增加而增加
B.随丝绳长度增加而增加
C.与丝绳几何尺寸无关
D.先增加后减小
10.超导金属丝绳的冷却方式与材料的超导温度无关。（）
11.超导金属丝绳在磁场中的临界磁场Hc1与外加磁场强度成正比。（）
12.超导金属丝绳的磁通量子化现象与电流方向无关。（）
13.超导金属丝绳的临界电流不受冷却方式的影响。（）
14.超导金属丝绳在能源传输中的应用可以提高电网的稳定性。（）
15.超导金属丝绳的临界电流与材料的几何尺寸无关。（）
五、主观题（本题共4小题，每题5分，共20分）

2010.5.7 4:55:09 PM
科研进展
构半导体纳米材料，研制出具有SERS活性 和生物敏感性的电学/光学多功能传感器。 英国皇家化学会、英国物理学会在网页显 著位置对上述成果给予高度评价。此外， 研究组发现了纳米结构表面荧光共振能量 转移的放大效应，设计出纳米结构表面的 荧光共振能量转移和光诱导电子能量转移 双向可逆的荧光开关，结合纳米表面的选 择性分子识别，实现了对痕量爆炸物气氛 和农药残留的快速检测，相关论文在Chem.
量子计算研究
中国科学技术大学杜
江峰研究组和香港中文大学刘仁保等专家合
利用最优动力学解耦的固态系 统电子自旋共振实验示意图
中国科学院年报2010 13
DA10040204-2-p1-15-cs3.indd 13
2010.4.26 10:45:10 AM
科研进展
在Nature 发表。Nature 指出，该研究“被证 明是一种可以帮助人们理解并且有效对抗量 子信息流失的一个重要资源”，“向实现量 子计算迈出的重要一步”。
Eur-J 发表。
囚禁汞离子微波频标研究
武汉物
理与数学研究所囚禁离子研究组在高性能汞离 子微波频标研究中，在国内首次实现囚禁汞
Chem.Eur-J报道纳米敏感 材料及仿生器件研究
离子微波频标闭环锁定，并连续运行十多个小 时。初步测试表明，稳定度达5.6×10-13/1000 秒、2.2×10-13/4096秒。与现行原子频标相 比，囚禁离子频标具有更高的准确度、稳定 度、相对体积小等特点，目前只有少数发达 国家研制成功。
高维拟线性波方程可控性研究
学与系统科学研究院姚鹏飞研究组为解决 变系数波方程可控性的著名难题，首次创 造性地引入黎曼几何方法，并将其与非线 性偏微分方程理论相结合，得出了高维拟 线性波方程在任意平衡态附近的局部可控

致力自主研发做世界超导研究的领路者记中国科学院物理研究所研究员、超导国家重点实验室主任周兴江超导是指某些物质在极低温度条件下电阻降为零的性质，1911年由荷兰物理学家H·卡茂林·昂内斯发现，并且许多金属具有超导电性。

这种在一些材料中会产生的零电阻、完全抗磁性的奇特且吸睛的物理现象，吸引着众多世界各国的物理学家们不断研究和探寻。

在众多探索者中，有这样一位科学家，他带领团队孜孜不倦地探索着超导世界，并取得了世界瞩目的成绩。

他就是我国著名物理学家周兴江。

超导领域的优秀探索者周兴江，1966年生，江苏淮阴人，研究员，博士生导师，中国科学院物理研究所研究员，超导国家重点实验室主任；清华大学学士、硕士；1994年中科院物理所博士，1995-1997德国Stuttgart马普固体所洪堡学者；1997-2004年美国斯坦福大学同步辐射实验室物理学者，兼美国Berkeley国家实验室先进光源的束线科学家；2003年因”对高温超导体的角分辨光电子能谱深入研究”获得美国先进光源的 David A. Shirley ”杰出科学成就”奖；2004年入选中科院”百人计划”；2005年获“国家杰出青年基金”；2006年获茅以升北京青年科技奖；2008年获得首届周光召基金会”杰出青年基础科学奖；2013年荣获“2013年度华人物理学会亚洲成就奖（AAA，RobertT.PoePrize）”，以表彰他在发展光电子能谱技术和对超导研究的杰出贡献；2015年，获得了“第三世界科学院TWS物理奖”，该奖项至今只有9位国内学者获奖，除周兴江以外，前8位均为院士；2016年1月8日，在国家科学技术奖励大会上，他领衔完成的“真空紫外激光角分辨光电子能谱系统研制和相关科学问题研究”被授予国家自然科学奖二等奖。

周兴江长期从事对高温超导材料等先进材料的探索，光学性质和电子结构的研究。

他使用高分辨率角分辨光电子能谱对高温超导体等先进材料的研究取得重要成果。

摘要迄今（2010年）距发现高温铜氧化物超导体已25年，各派观点百家争鸣。

高温氧化物超导体所涉及的物理内涵异常丰富，随着掺杂程度的变化它展现出反铁磁性、半导导电行为、超导电性、强关联电子系统以及新型金属行为等。

在这里着重介绍高温超导理论中的Anderson 的空穴子（holon ）和自旋子（spin ）理论，Schrieffer 的自旋袋(spin bag)机制，邻近反铁磁的超导理论，以及Varma 的“边缘”费米液体理论等。

并在最后介绍了一些关于高温超导的最新研究进展。

1．Anderson 非费米液体高温超导理论主张高温铜氧化物超导体正常态是非费米液体的代表人物是P.W.Anderson 。

1987年他提出：高温铜氧化物超导体的母体绝缘相是共振价键态或称量子自旋液体。

这一理论是基于高温铜氧化物与反铁磁的邻近性，邻近金属-绝缘体相变，绝缘磁相为低自旋，具二维性和载流子密度低等特点提出的。

该理论的基本突出点是：认为电荷和自旋自由度明显的分开，这与费米液体的基本点不同。

Pauling 于1938年首先提出金属的共振价键理论。

Pauling 理论认为，在相邻原子上，自旋相反的两轨道电子形成共价键，而这些共价键可以在两个以上的位置之间共振（RVB ）。

1973年Anderson 在针对反铁磁体的奈耳态(Neel state)和spin-peierls 态的讨论中提出了RVB 态新的绝缘体；他认为至少在二维三角格子、自旋S=1/2的反铁磁体中的反铁磁基态，可能是Bethe 在反铁磁线链上提出的单重态配对（singlet ）态类似体。

Anderson 进而提出，经高阶能量修正计算表明，诸单重态配对的移动或“共振”使其状态更稳定。

1987年Anderson 最为基本假设提出：母化合物La 2CuO 4的绝缘态是共振价键态（RVB 态），在共振价键态中预先存在有最近邻自旋单重态配对，在以少量二价离子（Sr 2+,Ba 2+等）掺杂后使原母化合物系统金属化，它们就对产生超导电性起作用。

超导“小时代”（2829）：费米海里钓铁鱼高温超导新通路科学网罗会仟博客（收藏有删减）姜尚因命守时，立钩钓渭水之鱼，不用香饵之食，离水面三尺，尚自言曰：“负命者上钩来”！——《全相武王伐纣平话》(作者不详)凝聚态物理学研究的进展如同在费米海中钓鱼，多少年来，科学家在费米海钓到了各种各样的“鱼”——以各种电子状态命名的新材料。

2008年2月18日，日本科学振兴机构宣布发现“新型高温超导材料”，是一类含铁砷层状化合物LaOFeAs（后写作LaFeAsO），它的临界超导温度高达26 K。

由于临界温度在20 K以上的超导体非常稀少，所以这绝对是费米海中的一条大鱼。

发现这个新型超导体的是东京工业大学西野秀雄（Hideo Hosono）团队。

西野秀雄能够做成“超导姜太公”，绝非偶然。

他是日本科学界鼎鼎大名的材料科学家，他们原初研究目标是寻找透明导体。

一般来说，许多透明材料都是绝缘体，比如常见的玻璃、金刚石、塑料、氧化铝等。

如果能找到可导电的透明玻璃，它摇身一变就可以成为显示器。

西野带领他的团队搜索各种具有层状结构的氧化物材料。

2000年，他们合成了LaOCuS体系，并把它做成了透明的半导体材料，但距离导体还有一步之遥。

从2000年到2006年，他们先后合成了LnOCuS、LnOCuSe、LaOMnP等材料，主要研究这些材料的透明度和导电性，甚至还申请了专利。

2006年他们终于得到意外收获——LaOFeP体系存在很好的金属导电性，而且电阻测量表明这类材料具有3 K左右的超导电性。

为了进一步移除其中的氧，他们用F元素替代O元素，发现超导的临界温度有所提升。

作为一名材料学家，西野秀雄没有执拗地去把这类FeP材料搞成透明化，而是顺其自然去探索可能的超导电性。

果不其然，两年后即2008年，他们又发现了LaONiP体系同样具有超导电性，并于2月23日正式报道了一类新型超导材料——LaOFeAs体系。

LaOFeAs本身并不超导，而是经过F替代掺杂引入电子后，该材料超导临界温度达到了26 K，实现了超导探索的新跨越。

2024年北京市高考适应性测试-全真演练物理（基础必刷）学校：_______ 班级：__________姓名：_______ 考号：__________（满分：100分时间：75分钟）总分栏题号一二三四五六七总分得分评卷人得分一、单项选择题（本题包含8小题，每小题4分，共32分。

在每小题给出的四个选项中，只有一项是符合题目要求的）(共8题)第(1)题如图所示是工业上疏浚河道的船只。

其参数性能如下表所示：发动机最大功率最大提升高度单次开挖泥沙最大量 1.74吨最大输送量则该船只开挖一次泥沙对泥沙做的功最大约为（ ）A．B．C．D．第(2)题如图所示为“高温”超导电缆，它能在左右电阻降为零，其输电损耗主要来自于循环冷却系统，如果用其替代普通电缆输电，可大大降低电能损失。

某小型水电站发电机的输出功率为200kW，发电机的输出电压为250V，普通电缆总电阻为。

假定该水电站改用超导电缆输电，保持输送电压不变，输电损失的功率为160W，若该损耗是普通电缆损耗的25%，则（）A．水电站的输送电压为250V B．超导电缆中的输送电流为800AC．普通电缆输电电线上损失的电压为8V D．采用了高压输电，且升压变压器匝数比为1:100第(3)题范德格拉夫静电加速器由两部分组成，一部分是产生高电压的装置，叫作范德格拉夫起电机，加速罩（即金属球壳）是一个铝球，由宽度为D、运动速度为v的一条橡胶带对它充电，从而使加速罩与大地之间形成稳定的高电压U。

另一部分是加速管和偏转电磁铁，再加上待加速的质子源就构成了一台质子静电加速器，如图中所示。

抽成真空的加速管由多个金属环及电阻组成，金属环之间由玻璃隔开，各环与电阻串联。

从质子源引出的质子进入真空加速管加速，然后通过由电磁铁产生的一个半径为b的圆形匀强磁场区域引出打击靶核。

已知质子束的等效电流为，通过电阻的电流为，质子的比荷。

单位面积上的电荷量叫做电荷面密度。

下列说法不正确的是（）A．若不考虑传送带和质子源的影响，加速罩内的电场强度为零B．若不考虑传送带和质子源的影响，加速罩内的电势大小等于UC．要维持加速罩上大小为U的稳定电压，喷射到充电带表面上的电荷面密度为D．质子束进入电磁铁，并做角度为的偏转，磁感应强度第(4)题如图所示，小木块m与长木板M之间光滑，且小木块与长板质量不相等，M置于光滑水平面上，一轻质弹簧左端固定在M的左端，右端与m连接。