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。     

二元富氢高温超导的实验研究进展

近室温富氢超导材料相关实验报道引发了科研人员对富氢超导的广泛关注,理论预测与实验探索新的富氢超导体及其物性研究已经成为目前超导领域的研究热点。本文结合课题组在富氢超导材料方面的实验研究工作,详细介绍了二元富氢超导体的实验研究进展。     

高压下富氢高温超导体的研究进展

近年来,高压强极端条件下的富氢化合物成为高温超导体研究的热点目标材料体系.该领域目前取得了两个标志性重要进展,先后发现了共价型H3S富氢超导体(Tc=200 K)和以LaH10(Tc=260 K,–13℃),YH6,YH9等为代表的一类氢笼合物结构的离子型富氢超导体,先后刷新了超导温度的新纪录.这些研究工作燃发了人们在高压下富氢化合物中发现室温超导体的希望.本文重点介绍高压下富氢高温超导体的相关研究进展,讨论富氢化合物产生高温超导电性的物理机理,展望未来在富氢化合物中发现室温超导体的可能性并提出多元富氢化合物候选体系.     

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.     

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。     

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.     

铁硒基超导材料实用化研究进展

由于铁基超导体含有铁磁性元素以及具有极高的上临界场等特性, 引发了科学家对其理论和实用化研究的热潮. 铁基超导体主要分为四个体系: “1111”体系、 “122”体系、 “111 ”体系和“11 ”体系. 其中, “11 ”体系中的 FeSe基超导材料由于结构简单、 单晶制备容易以及不含有毒元素等优势, 使其成为了研究铁基超导材料的热门体系, 同时也成为了新型实用化超导材料的研究热点. 本文在简要介绍铁基超导材料和 FeSe 基超导材料的基础上, 重点介绍了实用化 FeSe 基超导材料多晶块体、 线带材以及薄膜在制备工艺以及性能等方面的研究进展, 最后对其相关领域今后的发展做出展望     

离子注入超导体PdCu中的氢分布和超导临界温度

制造超导体钯铜合金的新方法是把铜注入钯,然后在室温下电解,将Pd-Cu合金再在液氮温度下注入氢,这样所得到的超导结构H/Pd₅₅Cu₄₅≈0.7可以达到最高的超导临界温度为17K。由于氢的浓度对该系统超导性的存在是关键,因此,我们仍用¹⁵N的共振核反应法研究这类合金中氢分布及其对超导临界温度的影响和作用。从而对探索这类超导体新方法提供有意义的信息。 关键词：     

高压下的铁基超导体:现象与物理

始于2008年的铁基超导体研究续写了高温超导发展史的新篇章.回顾过去十年对铁基超导体的研究,在理论、实验及应用方面都取得了辉煌的成绩,丰富了人们对高温超导电性的认识,为突破高温超导机理研究、最终实现超导材料的人工设计与更广泛的应用奠定了坚实的基础.本文主要介绍了通过高压实验研究手段在铁基超导体的研究中取得的一些重要进展及呈现出的新现象和新物理,例如压致超导现象、压力导致的超导再进入现象、压力对超导转变温度的提升效应、压力研究对铁基超导体超导转变温度的预测、相分离结构对超导电性的影响及反铁磁-超导双临界点的发现等.希望这些高压研究结果与本文报道的其他各类实验与理论研究成果一起,为全面、深入地理解铁基超导体勾画出一幅较为完整的物理图像.     

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.     

Two-dimensional organic superconductors studied by NMR under pressure

The (BEDT)₂X family of layered superconductors is one of the largest among nearly 50 organic superconductors currently known. One of the advantages of the organic compounds as prototype materials for studying the mechanisms of superconductivity is their relatively high sensitivity to hydrostatic pressure. We review recent NMR studies of these compounds using NMR under liquid and gas pressure. We focus on the low temperature part of the phase diagram where the physics is controlled by electronic correlations leading to a competition between magnetism and superconductivity. This interplay between different ground states is shown by the observation of a pseudo-gap and antiferromagnetic fluctuations and can be finely tuned by the application of pressure. Using a gas pressure system gives the unique possibility of sweeping the pressure at low temperature. Recently we used this technique to study the AF-SC boundary and established the existence of a first order transition line between the superconducting and antiferromagnetic states. This revised version was published online in July 2006 with corrections to the Cover Date.     

利用单轴压强下的电阻变化研究铁基超导体中的向列涨落

铁基超导体中普遍存在着反铁磁、超导和向列相,因此研究向列相的性质及其与反铁磁、超导的关系对于理解铁基超导体的低能物理及高温超导电性具有非常重要的作用.所谓向列相是指电子态自发破缺了晶格的面内四重旋转对称性而形成的有序态,从而导致样品的某些物理性质出现了两重的各向异性.我们通过自主研发的单轴压强装置,可以在低温下原位改变压强,测量电阻的变化,从而得到向列极化率.本文介绍了我们利用该装置在最近几年研究铁基超导体的向列相和向列涨落所取得的一些成果,包括详细研究了BaFe_(2-x)Ni_xAs_2体系中的向列量子临界点及其量子临界涨落,并提出了基于向列涨落强弱调节的铁基超导体统一相图.这些结果表明,向列相及其涨落与反铁磁和超导均有很强的耦合,对于理解铁基超导体中磁性和超导电性非常关键.     

压力下碱金属铁硒基超导体中的现象与物理

在凝聚态物理研究中, 压力作为对物质状态调控的独立变量得到了广泛的应用. 压力对发现物质的新现象、新规律及对其形成机理的理解和对相关理论的验证起到了重要的作用, 尤其在超导电性的研究中取得了巨大的成功. 文章简要的介绍了通过利用压力手段对具有相分离结构的碱金属铁硒基超导体A_xFe_2-ySe₂ (A=K, Rb, Tl/Rb)开展的系列研究所取得的实验结果, 以及其他一些文献中报道的在此方面的主要实验与理论研究工作, 包括压力导致的超导再进入现象和其产生的量子临界机理、其特有的反铁磁绝缘体相在该类超导体实现超导电性中的作用、化学负压力对超导电性的影响、构成该类超导体的反铁磁序与其寄居的超晶格的关系等.     

Unusual superconductivity and its physical properties

Physical properties are discussed, which, in principle, would allow us to distinguish between nontrivial superconductivity and superconductivity of the ordinary type thus establishing its superconducting class. These properties are: the anisotropy of the upper and low critical fields, the magnetization curve, some peculiarities of the penetration depth, the impedance behaviour etc. It is pointed out that these superconductors could possess some magnetic properties. The role of defects is investigated and, in particular, the possibility of the magnetization in these superconductors which originates from the presence of ordinary defects. The problem of nontrivial superconductivity is discussed in connection with available experimental data concerning new materials with the so-called “heavy fermions”.     

LaO1-xFxBiS2 层状材料超导电性研究

层状材料一直是超导研究领域的热点材料, 陆续有数十种新型的层状超导材料被不断发现, 从至今为止超导转变温度最高的铜氧化物材料, 到铁基超导, 再到诸多新型的层状材料, 学者们关于超导微观机制的理解也在随之更新, 从取得成功的 Bardeen-Cooper-Schrieffer 经典理论到至今无法解释的非常规超导机制, 研究之路从未停止. 本文将研究利用助熔剂法合成的 LaO1 -xFxBiS2 材料的结构、 电阻、 磁化率等性质, 并与国际社会上已存在的研究成果进行对比, 同时从晶体结构、 压力效应、 体超导电性、 临界温度、 微观机制五个方面, 对近年发现的镧系铋硫基层状超导材料的研究情况进行讨论.