固体理论讲义七

氧化物高温超导体

1.概 1.概 况超导材料的发展历程： 超导材料的发展历程： 1911年 年 Onnes在4.2K发现 有超导电性。 在 发现Hg有超导电性。 发现 有超导电性 之后人们已发现了千余中常规超导体 千余中常规超导体， 之后人们已发现了千余中常规超导体，包括元素超导体及合金与化 合物超导体。 合物超导体。

1973年 在Nb3Ge超导薄膜中观察到 c=23.2K的转变温度。 年 超导薄膜中观察到 的转变温度。 超导薄膜中观察到T 的转变温度 1986年 Müller和Bednorz在 1986年 Müller和Bednorz在La2-xSrxCuO4中观察到Tc=35K的转变温度。 中观察到T =35K的转变温度 的转变温度。 其它各种类型的超导体： 其它各种类型的超导体： 基超导体) 铁磁超导体 (FeAs基超导体) 基超导体 反铁磁超导体( 反铁磁超导体(GdMo6S8) 有机超导体 重费米子超导体( 重费米子超导体(UPt3), m*≥200me ≥200m

液氢的温度~21K, 液氮的温度为 液氮的温度为~77K。 液氢的温度 。

图上列出的氧化物高温 超导体都是空穴型高温 超导体都是空穴型高温 超导体。 超导体。 1989年 日本学者在 年 日本学者在Nd 基氧化物中用Ce4+离子 基氧化物中用 取代Nd 离子， 取代 3+离子，获得了 第一例电子型超导体 第一例电子型超导体 Nd2-xCuxCuO4 (Tc≈20K) )

2. 结构与相图的共同特征1. 存在 存在CuO2导电层 铜氧化合物结构的共同特征。 导电层—铜氧化合物结构的共同特征 铜氧化合物结构的共同特征。

CuO2层对超导电性的产生起主要作用。 对超导电性的产生起主要作用。

复杂的铜氧化物可以简化为两类结构单元：导电层； 复杂的铜氧化物可以简化为两类结构单元：导电层；电荷库 可以简化为两类结构单元

2. 存在绝缘性的反铁磁母体化合物 相图的共同特征 存在绝缘性的反铁磁母体化合物—相图的共同特征 所有新发现的铜氧化合物高温超导体都可以认为是有某些母体化合物经掺 所有新发现的铜氧化合物高温超导体都可以认为是有某些母体化合物经掺 铁磁绝缘体。 杂或改变氧含量形成的，而这些化合物均是反铁磁绝缘体 杂或改变氧含量形成的，而这些化合物均是反铁磁绝缘体。

La 214( x = 0) : La2CuO4 , TN = 300 K Y 123( x = 0) : YBa2Cu3O6 , TN = 460 K Nd 214( x = 0) : Nd 2CuO4 , TN = 250 K

BCS超导体的正常 超导体的正常 超导体 态为费米液体 费米液体， 态为费米液体，而 超导体的正常态 高Tc超导体的正常态 非费米液体。 为非费米液体。

3. 高温超导体中超导态的基本属性1. 超导态仍然 超导态仍然Cooper对的相干凝聚态 对的相干凝聚态 对的 载流子对总体的相干凝聚。 超导仍然是 ( k ↑, k ↓) 载流子对总体的相干凝聚

。 2. 配对的对称性 主要是各向异性的 波配对 配对的对称性—主要是各向异性的 主要是各向异性的d波配对 BCS超导体属于各向同性的 波配对。 超导体属于各向同性的s波配对 超导体属于各向同性的 波配对。

在二维BZ中 d 波的能隙函数可表示为： 能隙函数可表示为 在二维 中， x 2 y 2 波的能隙函数可表示为：

(k ) ~ (k k ) = cos 2φk ,

^

^ 2 x

^ 2 y

φk = arctan(k y / k x ),

^

^

其中， ≡ k / | k | k

^

→

→

3. 极端的 类超导体 极端的II类超导体

ξ (0) ~ 1nm4. 复杂的同位素效应

TC ~ M α ,

α =

ln Tc ln M

同位素指数 非常小

BCS超导体 α≈ 超导体 α≈0.5

同位素指数依赖空穴和掺杂浓度 同位素指数依赖空穴和掺杂浓度 说明配对的主要机制不一定是声子的互作用

5. 不同于 不同于BCS超导体的低温特性 超导体的低温特性

比热 穿透深度 核自旋-点阵驰豫率 核自旋 点阵驰豫率 6. 氧化物超导体沿导电层的直流电阻率普遍地具有线性温度行为 氧化物超导体沿导电层的直流电阻率普遍地具有线性温度行为

ρ ab (T ) = αT + ρ 0 T ρ (T ) ~ 5 T普通金属

(T >> θ D ) (T << θ D )

4.弱掺杂区正常态膺隙的存在 4.弱掺杂区正常态膺隙的存在 所谓膺隙是指部分形成能隙 所有弱掺杂的铜氧化物高温超导体的正常态中均存在膺隙。 所有弱掺杂的铜氧化物高温超导体的正常态中均存在膺隙。 膺隙 这是弱掺杂区正常态的一个基本属性

铜氧化物高温超导体在正常态存在膺隙。 铜氧化物高温超导体在正常态存在膺隙。 说明正常态已存在配对 Cooper对 配对( 说明正常态已存在配对(Cooper对)。 但只有在T 之下才能形成 才能形成Cooper对之间 但只有在 c之下才能形成 对之间 的相位相干，形成超导凝聚。 的相位相干，形成超导凝聚。 配对与超导凝聚不是同时发生。 配对与超导凝聚不是同时发生。 不是同时发生

超导体的配对与超导凝 但BCS超导体的配对与超导凝 超导体的 是同时发生的。 聚是同时发生的。

高温超导机理的争论的焦点是： 高温超导机理的争论的焦点是： 形成Cooper对的作用力的来源 对的作用力的来源 形成 目前受人们关注的是P. 目前受人们关注的是 A. Lee的规范场理论 的规范场理论 他认为在二维强关联电子体系中存在电荷与自旋分离两种元激发 他认为在二维强关联电子体系中存在电荷与自旋分离两种元激发 (Phys. Rev. Lett. 1997, 78: 4111)