铜氧化物超导体Bi2Sr2CaCu2O8+δ 多体相互作用的超高能量分辨和时间分辨 角分辨光电子能谱研究

自发现30 多年来,铜氧化物的高温超导机理仍未得到解释。传统超导电性起源于电 子–声子相互作用形成的电子配对,研究传统超导体中的多体相互作用为BCS 理论提供了有 力的证据。目前已证实铜氧化物高温超导体中存在着电子配对,但是引起配对的机制仍不清 楚。因此,对铜氧化物高温超导体中的多体相互作用研究是揭示高温超导机理的关键。角分辨 光电子能谱是研究固体电子结构最直接的技术手段,随着其分辨率的不断提升,在研究高温超 导体的多体相互作用中日益发挥重要的作用。近年来兴起的时间分辨角分辨光电子能谱在常规 角分辨光电子能谱的基础上增加了独特的时间维度,从而成为研究多体相互作用动力学的有力 手段。本文详细地介绍了我们利用超高能量分辨和时间分辨角分辨光电子能谱在铜氧化物超导 体Bi2Sr2CaCu2O8+δ 中多体相互作用的研究,包括在节点区域、反节点区域扭折的研究,多体 相互作用的动量依赖关系,配对电子自能的提取以及库珀对在激光泵浦下的受激辐射现象。     

重整化平均场理论及其在铜氧化物高温超导材料中的应用

对铜氧化物高温超导体的研究是凝聚态物理中最重要的问题之一. 理论研究上的困难在于铜氧化物高温超导材料中单占据条件所导致的强关联效应. 铜氧化物高温超导材料可以用t-J 模型进行描述, 而上述的单占据条件则体现于t-J 模型中的 Gutzwiller 投影算符. 重整化平均场理论(RMFT) 是一种处理这类由 Gutzwiller 投影算符所导致的强关联效应比较有效的方法. 本文首先对铜氧化物高温超导材料进行简单的介绍. 然后我们将重点介绍Gutzwiller 近似. 最后我们会介绍重整化平均场理论, 以及其在铜氧化物高温超导材料和其他一些强关联材料中的应用.     

高温超导体电子结构和超导机理的角分辨光电子能谱研究

超导是一种奇异的宏观量子现象.100多年来,已发现的超导体主要分为两类:以金属或者合金为代表的常规超导体以及以铜氧化物和铁基高温超导体为代表的非常规超导体.常规超导体的超导机理能被BCS超导理论完美解释,但高温超导体的超导机理至今仍未达成共识,已经成为凝聚态物理领域中长期争论且充满挑战的重大科学问题.从实验上揭示非常规超导材料的微观电子结构,是理解其奇异正常态和超导电性机理、建立新理论的前提和基础.角分辨光电子能谱技术,由于可以实现对材料中电子的能量、动量和自旋的直接测量,在高温超导研究中发挥了重要的作用.本文综述了我们利用角分辨光电子能谱技术在铜氧化物和铁基高温超导体电子结构和超导机理研究中取得的一些进展,主要包括母体的电子结构、正常态的非费米液体行为、超导态的能带和超导能隙结构以及多体相互作用等.这些结果为理解铜氧化物和铁基高温超导体的物性及超导机理提供了重要的信息.     

铁基高温超导体电子结构的角分辨光电子能谱研究

铜氧化物超导体和铁基超导体是人类相继发现的两类高温超导家族,它们的高温超导机理是凝聚态物理领域中长期争论但悬而未决的重大问题.对铁基超导体广泛而深入的研究,以及与铜氧化物高温超导体的对比,对于发展新的量子固体理论、解决高温超导机理、探索新的超导体以及超导实际应用都具有重要意义.固体材料的宏观物性由其微观电子结构所决定,揭示高温超导材料的微观电子结构是理解高温超导电性的前提和基础.由于角分辨光电子能谱技术具有独特的同时对能量、动量甚至自旋的分辨能力,已成为探测材料微观电子结构的最直接、最有力的实验手段,在高温超导体的研究中发挥了重要作用.本文综述了在不同体系铁基超导体中费米面拓扑结构、超导能隙大小和对称性、轨道三维性和选择性、电子耦合模式等的揭示和发现,为甄别和提出铁基超导新理论、解决高温超导机理问题提供重要依据.     

铜氧化物超晶格和高Tc超导体的维度问题

铜氧化物高温超导体具有典型的层状结构和很强的各向异性，因而对于铜氧面之间的耦合性质以及它们与超导电性的关系在相当一段时间内是高温超导研究的热门话题，利用真空镀膜的方法制成超晶格是研究这些问题的有效手段。文章简要介绍了高温超导体超晶格在探讨高温超导体维度问题方面的主要结果和最新进展。     

铜氧化物高温超导体中的电子有序态

铜氧化物高温超导现象自30年前被发现以来,对现代凝聚态物理的发展产生了极其重要的影响,然而其微观机制至今依然是一个谜。近年来,多种实验手段的研究结果发现,在铜氧化物高温超导体中电子除了形成库珀对,还可能形成多种其他新奇的有序态,例如自旋有序态、电荷有序态以及库珀对密度波等。这些有序态的起源及其与赝能隙态和超导态的关联对于理解高温超导机理可能具有重要的意义。文章将主要从实验的角度对铜氧化物超导体中的电子有序态做一个概述。     

高温超导体组合薄膜和相图表征高通量方法

铜氧化物超导体和铁基高温超导体是已知的两类高温超导体,研究高温超导机理是如今超导领域最具有挑战性的前沿课题.构建高温超导的高维精确相图、寻找决定超导转变温度的关键物理量可以为高温超导机理做好实验铺垫.对于铜氧化物高温超导体,多种自由度的相互关联与耦合使其相图呈现出复杂性与多样性.现有的研究方法在构建高维“全息”相图及获取定量化物理规律等方面面临着难以克服的困难,而材料的高通量制备与表征技术可以在相图空间实现参量的线扫描甚至面扫描,有望快速建立可靠的高温超导高维相图和高温超导关键参量数据库,并从中提取重要的统计物理规律.本文从阳离子掺杂、母体氧掺杂、双电层晶体管(静电场/电化学)、磁场等几个调控维度,回顾了主要基于输运手段获得的铜氧化物电子态相图,介绍了基于脉冲激光沉积技术和分子束外延技术的组合薄膜生长方法以及与之匹配的跨尺度选区输运测量技术,展示了高通量技术在高温超导研究中的初步应用.高通量实验技术与超导研究结合,逐步形成了新兴的高通量超导研究范式,将在构建高维精确相图、突破高温超导机理、推进超导材料实用化等方面发挥不可替代的作用.     

高温超导研究面临的挑战

自1986年铜氧化物高温超导体发现以来,高温超导研究取得了丰硕的成果,确定了高温超导材料的相图和超导配对的对称性,发现了赝能隙、电荷自旋分离、线性电阻、强超导位相涨落等大量新的物理现象。但是,高温超导机理依然还是一个谜,高温超导材料中发现的大量反常量子现象也不能在已有的固体量子理论的框架下得到解释。要解决高温超导问题,必须发展新的实验探测技术和新的量子多体理论及计算方法。特别是要发展能够直接调节和探测电子与固体中各种元激发相互作用的实验探测技术,从相互作用的源头来直接探测并判定高温超导电子配对的机理。     

浅析电子型掺杂铜氧化物超导体的退火过程

铜氧化物高温超导体的发现, 打破了基于电声子相互作用BCS理论所预言的超导转变温度极限, 掀开了高温超导材料探索和高温超导机理研究的序幕. 根据掺杂类型的不同, 铜氧化物超导材料可以分为空穴型掺杂和电子型掺杂两类. 受限于样品, 对电子型掺杂铜氧化物的研究工作远少于空穴型掺杂体系. 本文简要回顾有关电子型掺杂铜氧化物超导体近期研究成果, 通过对比电子型掺杂和空穴型掺杂铜氧化物的相图来阐明电子型掺杂铜氧化物的研究对探索高温超导机理的必要性, 并特别针对电子型掺杂样品制备中的关键因素“退火过程”展开讨论. 结合课题组最新实验结果和相关实验报道我们发现电子型掺杂铜氧化物超导体在制备过程中除受到温度和氧分压的影响外, 退火效果还受到界面应力的强烈调制. 在综合考虑样品生长过程中温度、气氛及应力等多种因素的基础上, 探讨了“保护退火”方法导致电子型体系化学掺杂相图变化的起因.     

高温超导量子干涉器中的约瑟夫森结

超导量子干涉器(SQUID)是以约瑟夫森结为核心元件的极其灵敏的磁通-电压转换器.在最近20年间,超导电子学界利用多种铜氧化物高温超导材料,制造出了高温超导约瑟夫森结乃至高温超导量子干涉器(高TcSQUID);特别是,利用YBa2Cu3O7-δ(YBCO)制出了多种高温超导约瑟夫森结,并进而制成了具有一定实用性的高TcSQUID.文章主要是对高TcSQUID中所使用的高温超导约瑟夫森结进行评述.     

同时具有CuO_2层和Fe_2Se_2O层的新型结构Pr_4CuO_7Fe_2Se_2的设计与电子结构研究

铜氧化物高温超导体和铁基高温超导体的发现,打破了基于电声耦合机理的BCS所预测的超导转变温度极限,使得人们对于超导材料的研究进入新的阶段.两者具有相似的层状结构,在掺杂引入载流子的情况下能够产生超导现象.本文报道基于已有的铜氧化物超导体Pr2CuO_4和具有类超导体结构的Pr2O_3Fe_2Se2系列化合物,设计出一系列超导候选材料Pr_4CuO_7Fe_2Se_2,并对其电子结构进行了基于密度泛函理论的第一性原理计算研究.计算的能带结构和态密度表明,Pr_4CuO_7Fe_2Se_2整体表现出弱导电性,与已有超导体类似;具有明显的各项异性,同样为层状结构,Fe_2Se_2O层和CuO_2层均表现出导电性,被Pr2O_2层分离开,其中费米能级附近Fe_2Se_2O层对态密度的贡献较大,Pr2O_2层几乎无导电性,z轴方向则表现出绝缘体特性.新设计结构的整体表现如同Pr2CuO_4和Pr2O_3Fe_2Se2的结合,但是CuO_2层和Fe_2Se_2O层的活跃能级区域又有所不同,这就使得同一环境下,单一物质中,对比研究两种层状结构的物理表现成为一种可能.     

YBa_(2-x)Sr_xCu_3O_y体系的正电子湮没辐射一维角关联谱研究

通过对YBa_(2-x)Sr_xCu_3O_y高温超导体系正电子湮没辐射一维角关联谱的测量,并结合超导临界温度Tc、氧含量以及晶体结构的综合分析,发现:Sr的替代,使体系的正交化程度减弱,T_c系统地下降,氧含量基本不变,也没有影响Cu-O链的电子结构,但却引起了Cu-O面电子结构的较大变化。据此,作者认为Cu-O面的局域电子结构是1:2:3相高温超导体中高温超导电性的决定因素。     

探索非常规高温超导体

近年来,在理解铜基和铁基非常规高温超导体共性的基础上,提出了非常规高温超导体电子结构基因的概念,指出实现高温超导,需要"参与强反铁磁超交换耦合的d电子轨道独立于其他轨道单独出现在费米能级附近".本文总结这方面的进展,讨论几类满足高温超导基因的结构以及和此类基因匹配的可能材料,探讨寻找非常规高温超导体新体系的可能性.     

铊系高温超导体的化学、晶体结构,材料特征及生产工艺

本文回顾了铊系高温超导体的发现及人们在合成不同的铊系高温超导材料方面取得的成果,并从晶体结构和化学成分两个方面论证了铊系高温超导材料的多样性和丰富性.在化学组成上,铊系高温超导家族是最大的超导家族.铊系高温超导体的晶体结构类型几乎包括了所有铜基氧化物高温超导体具有的晶体结构.高质量高性能的铊系高温超导材料的制备方法也在文中进行了论述.     

关于我国超导研究近况

最近十年来,我国科学家在超导研究和开发上做出了较多成果,累计发表学术论文2000多篇。在探索新的超导材料,研究高温超导材料的电磁性质、高温超导体的弱连接效应,发展铜氧化物材料的实用成材技术,薄膜技术,发展高温超导电子器件等方面,都做出了有先进水平的成果,有些方面处于世界前列。我国科学家研     

在(100)SrTiO3上用PLD制备YBa2Cu3O7-δ/Eu2CuO4/LaNiO3三层结构

钙钛矿结构的金属氧化物LaNiO3与高温超导体YBa2Cu3O7-δ有着相近的晶格常数，并且有良好的导电性．我们在(100)SrTiO3基片上，用脉冲激光沉积法(PLD)成功的制备了单取向的LaNiO3，其表面起伏的均方根为1nm，电阻温度特性呈金属性．在此基础上，我们又原位制备了YBa2Cu3O7-δ／Eu2CuO4／LaNiO3三层结构．实验分析表明，高温超导薄膜YBa2Cu3O7-δ单一取向，临界温度在85K以上，超导转变宽度小于1．5K．这一结构对于研究高温超导体的准粒子注入和采用SIS或SINIS结构构成高温超导约瑟夫森结等方面有着重要意义．     

空穴掺杂铱氧化物Srn+1IrnO3n+1 (n=1,2)的角分辨光电子能谱研究

近年来, 与铜氧化物高温超导体具有类似电子结构的5d 轨道 Ruddlesden-Popper 类型铱氧化物由于体系中库伦排斥和自旋轨道耦合之间的合作效应被人们广泛探究. 其中, 金属绝缘体转变的关键影响因素是该方向的核心研究问题, 该结果对推进掺杂莫特绝缘体体系的研究具有重要作用. 因为铱氧化物与铜氧化物在单能带哈伯德模型的次 近 邻 跃 迁 项 具 有 不 同 符 号, 因 此 空 穴 掺 杂 铱 氧 化 物 类 比 电 子 掺 杂 铜 氧 化 物. 我 们 将 空 穴 掺 杂Ruddlesden-Popper 类型铱氧 化 物 系 统 依 据 几 种 不 同 的 掺 杂 元 素 进 行 分 类, 分 别 介 绍 其 角 分 辨 光 电 子 能 谱(ARPES) 探测到的电子结构, 对其中金属绝缘体转变类型进行了总结, 并对该领域中的未来研究方向做出了展望.     

Bi_2Sr_2Ca(Cu_(1-x)Zn_x)_2O_(8 δ)单晶体的扫描隧道显微谱

198 6年 ,ＩＢＭ苏黎世实验室的两位科学家因研制成功扫描隧道显微镜 (ＳＴＭ )而被授予诺贝尔奖 ;同年 ,同是这个实验室的Ｂｅｄｎｏｒｚ和Ｍ櫣ｌｌｅｒ发现了铜氧化物高温超导体 ,为此 ,他俩于次年也获得了诺贝尔奖 .最近 ,来自美国加州大学的Ｐａｎ等利用ＳＴＭ完成了一项有关高温超导机理的重要研究 .他们的研究对象是Ｚｎ掺杂Ｂｉ - 2 2 12单晶体 .通过拓扑成像和隧穿谱的测量 ,研究者们发现 :在杂质原子Ｚｎ格点的周围存在“十字样”的局域杂质态———这是该效应被预言以来首次获得的实验观察 .尽管高温超导体的组分、结构复杂多样 ,…     

高温超导体在未来聚变装置中的应用

简要地介绍了磁约束托卡马克装置中用超导磁体代替常规磁体的发展方向 ;叙述了可能用在聚变中的两类高温超导材料 ,并讨论了托卡马克磁体对高温超导体的特殊要求 ;描述了高温超导体的聚变应用进展 ;介绍了高温超导电流引线以及 A- SSTR2反应堆高温超导环场 (TF)线圈的概念设计     

不含稀土元素的高温超导体

氧化物高温超导材料La2-xMxCuO4-y(M为Ba,Sr或Ca)和ReBa3Cu3O7-y或大部分稀土元素)的发现,是超导电性研究的一个重要的里程碑.这类材料晶体结构的特点是含有二维Cu-O2平面层,人们认为高温超导电性与此密切相关.因此,晶体结构中含有这种Cu-O2平面层的新材料可望是高温超导体.最近,人们用Bi或T1替代上面两类材料中的稀土元素,合成出了新的稳定的高温超导材料,从而在这个以Cu-O2平面层为结构特征的高温超导家族中又添加了新的成员. 1987年五月,法国Caen大学的C.Michel和B.Raveau等人报道了他们的发现[1]:在接近Bi2Si2Sr2Cu2O7 y成…