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.     

非常规超导体及其物性

1986年高温铜氧化合物超导体的发现开辟了超导研究的新纪元,人们开始大量探索具有非常规超导机制的新型超导材料,以期发现具有更高超导转变温度的超导体。文章将结合作者多年来的研究,简要介绍具有代表性的非常规超导体材料家族及其物性,以及对非常规超导体材料研究的未来展望。     

超导材料的发展与研究现状

新型超导材料一直是人类追求的目标。该文主要从超导材料的探索与发现、制备技术、基础研究面临的挑战等几个方面来探讨超导材料的发展与研究现状。     

新型铁基超导体角分辨光电子能谱研究

最近发现的新型122结构的铁基超导体掀起了铁基高温超导研究的又一轮热潮.文章利用角分辨光电子能谱实验手段,研究了这类新型铁基材料的电子结构、费米面拓扑和超导能隙.实验结果表明,其在布里渊区中心的能带结构及费米面与其他铁基超导体存在明显差异,并导致嵌套在粒子-空穴通道的费米面消失.另外,在布里渊区边缘的电子型费米面发现了较强的并且有各向同性的超导能隙.这些结果对可能的超导配对机制提出了严格的限制.     

超导微观理论及其进展浅说

一、引 言 从1911年发现金属的超导现象到1957年超导微观理论的建立,经过了将近半个世纪。在这期间,一大批杰出的物理学家在实验和理论方面作了艰苦的努力和广泛的探索,逐步揭示出产生超导性的微观机制与物理图象,使人们对超导现象的认识逐步深化.再借助于40年代后期开始研究、50年代初期发展起来的量子场论方法,在1957年由巴丁(Bardeen)、库珀(Cooper)、施里弗(Schrieffer)三人共同创立了近代超导微观理论.这就是著名的BCS理论. 本文将扼要地介绍关于超导性的基本实验结果,实验及理论的研究怎样引导人们去认识这一重大的物理问题,介绍B…     

超导微观机制的一种可能模式

介绍了高温超导体(主要是铜氧化物超导体)微观机理的研究现状以及取得的新进展。以此为基础,提出了超导微观机制的一种可能模式,即无论是低温超导还是高温超导,乃至正在探索的室温超导,都应该是几种单一相互作用机制(如电子声子机制等)共同作用的结果。在不同的温度区域,对不同的超导材料,起主导作用的机制应有所不同,从而我们可以将不同温区和不同材料的超导行为,用这种统一的混合机制(或称复合机制)来解释。     

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.     

封面说明

新型层状水合物超导体Na0 .3CoO2 ·1.3H2 O具有和高温超导体类似的层状结构 ,其晶体结构是由载流子库层 (Na -H2 O)和具有正六角结构的CoO6 超导层组成 .该超导体很容易在空气中失去晶格内的水分子从而失去超导电性 ,实验证明了水在该超导体中起着关键作用 ,这在超导材料研究中尚属首例 ;并且由于它在超导电性和结构上都类似于高临界温度超导体 ,所以引起了科学界的广泛关注 .封面大图为Na0 .3CoO2 ·1.3H2 O超导体的扫描电子显微镜 (SEM )图 ,该图清楚地显示沿c轴方向超导材料呈现层状结构特征 .小图是该样品的会聚束电子衍射图 ,…     

低维超导材料中的量子振荡现象

低维超导材料由于具有尺度接近量子临界尺寸的优势,能够观测到显著的超导量子振荡效应,因此成为研究超导量子振荡效应的优异平台.由于这些量子振荡效应的周期、振幅、相位与磁通涡旋的量子化及运动方式、超导电子的配对机制、特定外部条件下超导体中的涨落和激发现象密切相关,并且它们还能直观地反映超导材料的几何结构对其超导物性的影响,因此对低维超导体中振荡效应的研究直接反映了超导体的本质规律,成为研究材料超导机制的一种重要手段,有着深邃的物理内涵和丰富的研究价值.本文将探讨三类能够在低维超导材料中观测到的典型超导量子振荡效应:利特尔-帕克斯效应、磁通涡旋运动导致的振荡效应和韦伯阻塞效应,从研究手段、理论预期、实验现象以及实验结果诸方面综述其中所揭示的深刻物理规律,并展望低维超导体的量子振荡效应在量子计算、器件物理和低温物理等领域的应用价值.     

新型交生结构自掺杂铁基超导体

铁基高温超导体的基本结构单元是反萤石型Fe₂X₂层（X为磷族或硫族元素）,因此,设计具有Fe₂X₂层的新化合物成为探索铁基超导材料的有效途径.本文在回顾铁基超导体结构特征和基本结构类型的基础上,归纳总结了铁基超导体块层结构设计的基本原则;着重介绍迄今发现的几类具有层状交生（intergrowth）结构的新型自掺杂铁基超导材料.     

Review of superconductivity in BiS2-based layered materials

In 2012, a new layered superconductor where BiS₂ layer is the superconducting layer was discovered. So far, seven types of BiS₂-based superconductors and two related superconductors have been discovered. In this article, the diversity of the crystal structure and the physical properties of the BiS₂-based superconductors are reviewed. Furthermore, notable characteristics of superconductivity in the BiS₂ family are introduced. The prospects for raising T_c in this family are proposed on the basis of experimental and theoretical studies.     

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.     

Electronic structure, magnetism and superconductivity of layered iron compounds

The layered iron superconductors are discussed using electronic structure calculations. The four families of compounds discovered so far, including Fe (Se, Te) have closely related electronic structures. The Fermi surface consists of disconnected hole and electron cylinders and additional hole sections that depend on the specific material. This places the materials in proximity to itinerant magnetism, both due to the high density of states and due to nesting. Comparison of density functional results and experiment provides strong evidence for itinerant spin fluctuations, which are discussed in relation to superconductivity. It is proposed that the intermediate phase between the structural transition and the SDW transition in the oxy-pnictides is a nematic phase.     

Fluctuation conductivity in superconducting MgB2

According to the crystal structure of MgB₂ and band structure calculations, quasi-two-dimensional (2D) boron planes are responsible for the superconductivity. We report on critical-field and resistance measurements of 5.6-μm-thick MgB₂ films grown on a sapphire single-crystal substrate. Resistivity measurements yield a temperature dependence of the fluctuation conductivity above the critical temperature, which agrees with the Aslamazov-Larkin and Maki-Thompson theory of fluctuations in layered superconductors, indicating a quasi-two-dimensional nucleation of superconductivity in MgB₂.     

Workshop on fast structural changes

Copper-oxide (cuprate) high-temperature superconductors are doped Mott insulators. The undoped parent compounds are antiferromagnetic insulators, and superconductivity occurs only when an appropriate number of charge carriers (electrons or holes) are introduced by doping. All cuprate materials contain CuO₂ planes (Figure 1a) in their crystal structure; the doped carriers are believed to go into these CuO₂ planes, which are responsible for high-temperature superconductivity. High-temperature superconductors are characterized by their unusual physical properties, both in the superconducting state (below the superconducting transition temperature T_c) and in the normal state (above T_c). Since the discovery of high-temperature superconductivity in 1986 [1], these unusual physical properties and the mechanism of superconductivity have been prominent issues in condensed matter physics [2].     

ZrNCl薄层中基于固体离子导体场效应管的电场诱导的超导电性

场效应晶体管(FET)可以通过电场可逆调控材料的载流子浓度,是一种控制二维材料系统电学性质的有效方法.最近,作者实验室发明了一种新的场效应晶体管器件,它利用固体离子导体(SIC)作为栅介质,通过电场驱动锂离子进出样品来调控样品的载流子浓度,从而控制样品的物理性质和相变.在本论文中,作者利用这种新型的固体离子导体基场效应管器件(SIC-FET)成功地调控了ZrNCl薄层的电学性质.通过施加电场,将固体锂离子导体中的锂离子插入ZrNCl薄层样品中,实现了样品从绝缘体到超导体的转变,最佳超导电性的中点临界温度约为15.1K.实验结果表明,固体离子导体基场效应管器件具有在层状材料中引入载流子的优异性能,该器件将是寻找新的超导体和其他新奇电子相的有效途径.     

Universal behavior of the upper critical field in iron-based superconductors

The newly discovered iron-based high temperature superconductors have demonstrated rich physical properties. Here we give a brief review on the recent studies of the upper critical field and its anisotropy in a few typical series of the iron-based superconductors (FeSCs). In spite of their characters of a layered crystal structure, all the FeSCs possess an extremely large upper critical field and a weak anisotropy of superconductivity, being unique among the layered superconductors. These particular properties indicate potential applications of the FeSCs in the future. Based on the experimental facts of the FeSCs, we will discuss the possible mechanisms of pair breaking in high magnetic fields and its restrictions on the theoretical analysis of the superconducting pairing mechanisms.     

112型铁基化合物EuFeAs2的单晶生长与表征

铁基超导体中含有一类特殊的112型结构化合物,其层状结构中含有一层锯齿形的As链构型.本文报道了用CsCl助熔剂法生长新型铁基112型EuFeAs₂母体单晶的具体方法,以及对该单晶的结构和物性的详细表征.通过能量色散X射线能谱扫描对单晶样品进行的化学成分分析,以及单晶X射线衍射的结构解析,确定该单晶样品属于EuFeAs₂相,结构精修得到EuFeAs₂具有空间群为Imm2（No.44）的正交晶体结构,晶格常数分别是a=21.285（9）Å,b=3.9082（10）Å,c=3.9752（9）Å.通过低温电阻测量,发现在110 K附近和46 K附近存在两个异常电阻跳变.进一步分析表明,110 K附近存在两个邻近的相变,这两个相变与铁基母体材料中常见的结构相变和Fe²⁺的反铁磁相变相符合.结合磁化率测量分析,可知46 K附近的相变属于Eu²⁺的反铁磁相变.     

高压下氢基高温超导体研究的新进展

富氢材料被认为是室温超导体的最佳候选体系,是物理学、材料科学等多学科的热点研究领域之一。理论和实验研究发现的新型共价氢化物H3S和笼状氢化物LaH10的超导转变温度(T_c)均超过200 K,进一步推动了对富氢化合物超导电性的探索。最近,通过高压实验合成的碳质硫氢化物在288 K的室温下实现了零电阻,让人们看到了室温超导的曙光。本文结合课题组在此领域的主要成果,介绍了3类典型富氢化合物的结构及超导特性,包括近期首次在层状氢化物中发现的具有类五角石墨烯结构的富氢超导体HfH₁₀,其超导转变温度高达213~234 K。