高压下富氢化合物的结构与奇异超导电性

在富氢化合物中,一方面由于非氢元素的存在会对氢的子晶格产生化学预压作用,这些体系比纯氢更容易金属化.另一方面由于含氢量较多,富氢化合物可能会具有像金属氢那样较高的超导转变温度,有望成为超导家族的新成员—–氢基超导体.高压下富氢化合物的结构及超导电性已成为物理、材料等多学科的研究热点,最近理论和实验发现硫氢化合物在高压下的超导转变温度达到200 K,创造了高温超导新纪录,进一步推动了人们对富氢化合物超导电性的研究.本文主要介绍了近年来高压下几种典型富氢化合物的结构、稳定性、原子间相互作用、金属化及超导电性,希望未来能在富氢化合物中寻找到具有更高超导转变温度的超导体.     

一种反常的小样品超导转变曲线

本文介绍了我们在用电阻法测量小样品T_c时获得的一种反常超导转变曲线,并对造成这种超导转变曲线畸变的原因做了分析.     

高压下二元富氢超导体的实验研究进展

自从1911年著名物理学家Onnes发现超导电性以来,人们不断努力提高超导转变温度,室温超导体是人类追逐的百年梦想。在近百年的研究历程中,铜基超导体、铁基超导体及麦克米兰极限MgB₂超导体的发现不断刷新了人们对超导领域的认知,也增强了人们进一步提高超导转变温度和挖掘高温超导机制的信心。最近,理论预测并被实验验证的新型富氢化合物显示了高温乃至室温超导电性的巨大潜力,成为室温超导体的最佳候选体系之一。值得注意的是,高压下硫氢化物和镧氢化物均具有超过200 K的超导转变温度,引领了富氢化合物的研究热潮,涌现了一些重要的理论和实验成果。本文聚焦于目前富氢化合物超导体的实验研究进展,从不同氢结构单元及氢成键特征的角度总结和归纳新型富氢化合物的晶体结构性质及超导性能。主要介绍了5种在实验上成功获得的富氢化合物超导体：间隙型、离子型、共价型、笼型及分子型。通过对比分析不同类型的富氢化合物超导体,总结出一些影响超导转变温度的普适规律,并提出目前实验上亟待解决的问题和未来主攻的实验方向。     

探索新型高温超导材料碳化硼的研究

碳化硼是一种非常重要的非金属材料.它具有优良的力学,热学以及微电子学性质.这使得碳化硼在微电子学、核物理、军事以及空间技术上具有广泛的应用.根据程开甲的超导双带理论,具有双带结构的材料适于构成高Tc材料,尤其是四价元素特别适合超导化合物的生成.因此碳化硼是一种潜在的新超导材料.这里采用等离子体化学气相沉积的方法制备了碳化硼的薄膜,并进行了适当的金属掺杂.通过核磁共振、透射电镜等物理测量,分析讨论了其物理性质,得出碳化硼可能具有超导特性.     

一种新的简易共蒸Nb_3Sn膜的制备及其电子显微术(TEM)研究

一种新的简易共蒸发技术,成功地制备了超导化合物 Nb_3Sn薄膜,临界温度T_c为18K。用该膜为电极材料制作的Nb_3Sn-Pb隧道结,具有典型的直流I-V特性曲线并测得Nb_3Sn膜的能隙值为 3.1meV。电子显微术(TEM)观察研究表明,这种新的简易共蒸术制备的高T_cNb_3Sn膜,是单相的A15型超导化合物Nb_3Sn,具有共蒸A15型超导化合物微结构的基本特征,高分辨电子显微术(HREM)观察到大范围内(500A)Nb_3Sn的二维晶格条纹象。     

高T_c A-15超导化合物的物理冶金

在现有的各类超导体中,A-15化合物具有最高的超导转变温度T_c,近年来,人们对此类超导体主要在以下几方面开展研究工作。1.从理论上探讨A-与超导化合物具有高T_c的物理机制,推测T_c可能有的最高值;2.总结经验规律,通过适当外推,估计T_c可能有的最高值;3.研究T_c与组织结构之间的关系,探明影响T_c的因素;4.研究进一步提高T_c的途径和使T_c在18K以上的化合物成为可供工程应用的超导材料。     

串联SQUID和不同圈数Washer输入线圈SQUID的制备与表征（英文）

超导量子干涉放大器常被用于读出微弱的磁通以及电流信号,可以将微弱信号转化成为大的电压信号.但是对于单个超导量子干涉放大器而言,其输出电压太小不能直接与室温放大器相连,我们考虑将相同参数的超导量子干涉放大器串联到一起,使其输出电压足够大并达到可直接与室温放大器连接的要求.我们已经制备并测试了约瑟夫森结,过阻尼约瑟夫森结,不同输入线圈的单个超导量子干涉放大器以及既有调制线圈又有反馈线圈的串联超导量子干涉放大器,获得了较好的伏安特性曲线,调制曲线以及将调制曲线进行傅里叶变换后的幅频特性曲线.通过分析约瑟夫森结的伏安特性曲线可知我们的制备工艺流程比较稳定.制备与测试超导量子干涉放大器对于以后将其应用于读出微弱信号领域具有重要的意义.     

微波表面电阻TC90方案的测量精度实验分析

由于超导薄膜的表面阻抗Rs这一参量对超导微波元件的设计和开发有很重要意义,测量超导薄膜的表面阻抗Rs也就非常重要.目前国际上制定了高温超导薄膜在微波波段上表面阻抗Rs电特性的标准测量方案:IEC/TC90.此方案采用介质杆谐振器法测量表面阻抗的原理,使用蓝宝石介质杆和超导膜组成的谐振器法测量超导膜的Rs.本文分析了各个测量量对标准测量方案的测量精度,分析了在12GHz微波频率下,系统的各个实际部件的加工误差.认为频谱曲线的测量误差,即背景误差对最终测量结果Rs的影响是主要的.     

韧性A-15超导材料的唯象理论分析

众所周知,A-15型超导材料Nb~3Sn等在超导特性上此合金型超导材料NbTi更加优越。但是,由于A-15型A_3B是脆性化合物,存在临界电流密度随形变退化问题,所以严重障碍它在大型实用超导磁体上的使用。随着大型实用超导磁体的发展,对工作温度和工作场强要求不断提高,探索韧性A-15超导材料研究工作的现实重要意义是十分明显的。 C.C.Tsuci首先提出含A-15丝富铜的韧性超导体问题,现在发展成为一种新型的制备A-15超导材料的工艺方法。基于不连续的V_3Ga在Cu基体中微料之间有一定的耦合超导电流这一实验事实,本文对得到韧性A-15超导材料的可能性和设计判据进行了唯象的理论分析。     

超导氧化物La1.85Sr0.15CuO4/超高分子量聚乙烯复合材料的输运性质

采用热压法获得了具有不同混合比例的超导氧化物La1.85Sr0.15CuO4/超高分子量聚乙烯导电复合材料,并利用x射线衍射、扫描电子显微镜和标准四引线方法对复合材料的结构和低温电输运性质进行测量.实验结果显示,超导氧化物La1.85Sr0.15CuO4颗粒随机分布在聚合物本体中,相互间没有连接构成网络结构.在正常态下,复合材料的电阻-温度变化曲线给出类半导体行为.但对应于超导氧化物La1.85Sr0.15CuO4的超导转变温度Tc处,复合材料的电阻-温度变化曲线出现了极小值.室温下电阻率ρ随外加电场强度E的变化曲线测量结果表明,ρ-E曲线为一线形关系,随着电场强度E增加,电阻率ρ下降.文中对可能存在的导电机制进行分析,结果表明隧道贯穿模型可以很好地解释复合材料的导电机制.另外,外加电场强度E对复合材料的电输运特性有明显的影响.     

MgB2超导晶须的研究

本文报道了用混合物理化学气相沉积法(hybrid physical-chemical vapor deposition,简称为HPCVD)在铜衬底上生长出了MgB2超导晶须.这些晶须几乎都是以垂直或接近垂直于衬底表面生长,互不接触.M～T测量给出了这些MgB2晶须的磁超导转变温度是39.0 K,但无法测得其具有超导转变温度值的R～T曲线.经过与铜衬底MgB2超导膜的相关数据比较和计算也确认了这些MgB2超导晶须的确实性.     

新型铁基超导体材料的研究进展

文章主要介绍了碱金属插层法合成新型铁基超导体的研究进展.通过采用碱金属K对FeSe层状材料插层的方法,得到了一种新型的铁基超导体K0.8Fe1.7Se2,并对该材料的晶体结构与物性进行了研究.结果表明,该化合物的超导转变温度达到30K,这是FeSe体系在常压下的最高超导转变温度.同时,观察到该体系中存在转变温度为43K的超导相,但未得到纯相.通过磁性元素Co的掺杂研究,进一步加深了对K0.8Fe1.7Se2体系超导演化规律的认识.该超导体的发现对深入认识铁基超导体的超导机理,探索具有更高超导转变温度的铁基超导体具有重要意义.     

基于补偿法的超导单元交流损耗测量系统设计

交流损耗是影响超导电力装置运行稳定性和成本的关键因素之一.本文提出了一种基于电压补偿法的大载流超导单元交流损耗测量方法,通过串联在回路中的大电流补偿线圈,抵消超导单元的感性电压来实现.在系统设计上,通过数据采集卡和运动控制器,获取超导单元、补偿线圈的电压信号,同时控制步进电机拖动补偿线圈.通过相位的对比计算,实现精确定位补偿,从而测量超导单元的交流损耗.最后,在不同频率下,测量了0.2 m长、110 kV/1.5 kA的高温超导电缆样缆的交流损耗,得出的交流损耗曲线与计算结果基本吻合.实验结果表明,采用补偿线圈的交流损耗测量系统具有自动检测、定位和测量功能,可以实现具有大电流容量超导单元交流损耗的准确测量.     

化学溶液法制备Bi-2212超导厚膜及表征

在柔性衬底上制备的Bi-2212(Bi2Sr2CaCu2O8+x)超导厚膜在高场低温下有高的临界电流密度、可塑性好、易加工成材等特点,因而有广阔的应用前景.所以制备低成本、高性能的Bi-2212厚膜技术已经成为此类高温超导材料实用化的关键.本文系统的研究了采用Bi系超导粉前驱化学溶液的方法进行Bi-2212超导厚膜的制备和表征.对制备超导厚膜过程中的关键步骤做了系统的研究,主要包括局部熔融烧结温度、固相烧结温度、匀胶机最高转速、涂层的厚度等对超导转变温度和转变宽度的影响.我们得出最佳的烧结温度和固相温度分别是888℃、845℃,并发现随着匀胶机转速和涂层厚度的增加,超导膜的转变温度逐步提高,当最高转速为4000r/min,涂层厚度设定为七层,制备出的超导膜R～T曲线的第二个相转变点消失了.制备出的超导膜的转变温度在90K左右.与此同时还进行了XRD、SEM测试表征.最终可以得到均匀平整无裂纹的高质量Bi-2212超导厚膜.     

La的超导电性

对La的超导实验数据分析表明,La的超导机制仍是BCS电声作用机制.La的T_c较高的决定性因素是平均电声矩阵元〈I~2〉高,而能带结构中的d,f杂化效应是导致La的〈I~2〉高的关键.利用这些有利因素探索制备La的超导合金或化合物是值得重视的途径.     

原子簇La8-xBaxCuO6的原子磁矩和自旋极化的电子结构研究

利用MS-Xα方法研究了化合物La2-yBayCuO4的原子磁矩和自旋极化的电子结构.理论计算得到母相氧化物La2CuO4的Cu原子磁矩为0.37μB,与实验值0.48±0.15μB基本一致. 研究结果显示, 由于Ba原子对部分La的替代,使构成化合物的基本原子簇La8-xBaxCuO6的点群对称性降低,分子轨道简并度解除,轨道杂化效应增强,减弱了氧化物的(准)二维特性,导致Cu-O层与其近邻原子层的耦合增强,因此影响了原子层间的电荷迁移方向,对Cu-O层中载流子的性质有重要影响. 由于Ba掺杂在化合物中产生的空穴,不仅进入O格点,也同时进入Cu格点,对Cu-O层上Cu和O原子价态、磁矩以及电子态密度分布有重要影响. 研究结果认为,由于掺杂产生的空穴对化合物超导电性的影响具有两面性:初期掺杂有利于产生超导电性;当掺杂较多时抑制超导电性. 这是导致La214体系的超导转变温度Tc随掺杂量y的变化(即Tc-y拱形曲线)的一个重要原因.     

铜氧超导电声耦合失效及强关联耦合实验证据

铜氧高温超导丰富的物理属性使BCS理论遇到严峻挑战.一系列关于电子及空穴载流子的理论和实验研究结果显示,"电声耦合"在铜氧超导电性中失效.如铜氧超导的转变温度Tc与价电子密度之间构成非单调"钟形"曲线分布,而"电声耦合"下两者之间则表现为单调指数关系.同时,Hall效应实验揭示Tc与空穴载流子浓度的关系也为"钟形"轮廓.两类实验结果一致表明,无论是空穴配对还是电子配对,铜氧超导Cooper对配对机制不符合"电声耦合"特征.另外,关于铜氧超导拆对能隙的研究,目前已获得丰富的实验结果,飞秒激光和光子反射谱测量显示,拆对能隙分别达到1.5eV左右及1.2~2.1eV,只有电耦合才能达到如此大的耦合强度.因此,电耦合的"激子"可能是建立铜氧超导微观机制的合理途径.Ginzburg早年设想的高温超导激子模式或许在铜氧化合物中实现.     

铜氧超导电声耦合失效及强关联耦合实验证据

铜氧高温超导丰富的物理属性使BCS理论遇到严峻挑战.一系列关于电子及空穴载流子的理论和实验研究结果显示,"电声耦合"在铜氧超导电性中失效.如铜氧超导的转变温度Tc与价电子密度之间构成非单调"钟形"曲线分布,而"电声耦合"下两者之间则表现为单调指数关系.同时,Hall效应实验揭示Tc与空穴载流子浓度的关系也为"钟形"轮廓.两类实验结果一致表明,无论是空穴配对还是电子配对,铜氧超导Cooper对配对机制不符合"电声耦合"特征.另外,关于铜氧超导拆对能隙的研究,目前已获得丰富的实验结果,飞秒激光和光子反射谱测量显示,拆对能隙分别达到1.5eV左右及1.2~2.1eV,只有电耦合才能达到如此大的耦合强度.因此,电耦合的"激子"可能是建立铜氧超导微观机制的合理途径.Ginzburg早年设想的高温超导激子模式或许在铜氧化合物中实现.     

MgB_2/B/MgB_2约瑟夫森结的制备与直流特性

本文采用MgB_2薄膜的混合物理化学气相沉积制备技术和金属掩膜版工艺,以B膜为势垒层在单晶Al_2O_3(0001)基底上制作了纵向三明治结构的MgB_2/B/MgB_2约瑟夫森结.应用标准四引线法对该超导结的R-T曲线和不同温度下的直流I-V曲线进行了测量研究.实验结果表明,制作的MgB_2/B/MgB_2约瑟夫森结超导开启温度为31.3 K,4.2 K时临界电流密度为0.52 A/cm~2,通过对直流特性I-V曲线的微分拟合,清晰地观测到MgB_2的3D带的能隙?π为2.13 meV.     

关于自旋电子的一些为什么——浅谈与超导电性对抗的磁性元素Fe,Co,Ni为什么形成化合物就超导了?

在近20年来的凝聚态物理研究中,人们在铜基氧化物中发现了高温超导电性,在锰基钙钛矿中发现了巨磁电阻效应,以及近年来发现由铁、钴、镍等传统认为与超导对抗的元素组成化合物后可以形成超导.这些不同的体系有着迥然不同的物理行为,却具有一个共同的特征:这些铜、锰、铁、钴、镍基化合物都是3d电子材料.那么,同为3d电子,为什么在不同的环境中表现出完全不同甚至对抗的行为?文章对这些现象提出了一系列为什么,并对其进行了探讨.