金属薄膜和超导体

来自中国和美国的科学家用量子工程技术，制造出厚度仅有20～30个原子的铅晶体薄膜，然后测试了这些薄膜进入超导态的转变温度，发现转变温度随薄膜的厚度有规律地改变，膜越薄，超导转变温度越高．一篇相关的研究评述指出，有些金属（比如银）的大块状态不超导，这些结果提出了将这些金属用量子工程技术转变为超导体的可能性。     

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。     

形形色色的超导体

 第一类超导体第一类超导体主要包括那些在室温下表现出导电性的金属和合金,按照BCS理论,它们需要温度降到极低,足以充分减慢分子振动,从而使电流不受阻碍。BCS理论认为,电子以“库帕对”的方式相互协作,以此相互帮助来克服分子的阻碍,这正有些像赛车在赛道上相互拖拽而跑得更快。科学家称这一过程为声子媒介耦合,因为由晶格形变产生的声包是库帕对的耦合媒介。第一类超导体是以“软”超导体为特征的,是最早被发现的,要求在最低的温度下才具有超导电性,它们表现出向超导态的急剧转变(见图1),以及良好的抗磁性--完全排斥磁场的能力。     

电工所率先研制出新型铁基超导体线材

在科技部、国家自然科学基金委和中科院的支持下,中科院电工所应用超导重点实验室马衍伟研究小组采用传统的粉末装管方法,首次成功研制出转变温度达25K的铁基镧氧铁砷线材．这是世界上第一个将铁基超导材料加工成超导线材的工作,对于强电应用具有重要意义．     

石墨插层化合物超导体研究进展

本文介绍了石墨层间化合物(GICs)超导体的发展及超导电性,重点结合GICs超导体的研究进展,特别是具有高超导转变温度(Tc=11.5 K)CaC6的研究,系统地分析和总结了当前GICs超导电性的研究现状,并对GICs超导体的发展进行一些展望.     

神奇的超导

电阻起源于载流子(电子或空穴)在材料中运动过程中受到的各种各样的阻尼.按照材料的常温电阻率从大到小可以分为绝缘体、半导体和导体.绝大部分金属都是良导体,他们在室温下的电阻率非常小但不为零,在10^-12 mΩ·cm量级附近.自然界是否存在电阻为零的材料呢？答案是肯定的,这就是超导体.当把超导材料降到某个特定温度以下的时候,将进入超导态,这时电阻将突降为零(图1),同时所有外磁场磁力线将被排出超导体外,导致体内磁感应强度为零,即同时出现零电阻态和完全抗磁性.超导态开始出现的温度一般称为超导临界温度,表示为T_c.微观上来说,当超导材料处于超导临界温度之下时,材料中费米面附近的电子将通过相互作用媒介而两两配对,这些电子对将同时处于稳定的低能组态,叫“凝聚体”.在外加电场驱动下,所有电子对整体能够步调一致地运动,因此超导又属于宏观量子凝聚现象.对于零电阻态,实验上已经证实超导材料的电阻率小于10^-23 mΩ·cm,在实验精度允许范围内已经可以认为是零.如果将超导体做成环状并感应产生电流,电流将在环中流动不止且几乎不衰减.超导体的完全抗磁性并不依赖于超导体降温和加场的次序,也称为迈斯纳(Meissner)效应.一个材料是否为超导体,零电阻态和完全抗磁性是必须同时具有的两个独立特征.     

新型锕填充硼碳笼型化合物的超导电性

Ac元素作为锕系第一号元素,AcH₁₀的超导转变温度(T_c)达到251 K,是潜在的室温超导体。XB₃C₃(X表示不同的金属掺杂元素)是新发现的sp³笼型化合物,同时具有强共价特性和超导特性,是潜在的高温超导材料。采用第一性原理密度泛函理论,探索以XB₃C₃、XB₂C₄和XB₄C₂笼型结构为原型、引入Ac元素掺杂的AcB₃C₃、AcB₂C₄和AcB₄C₂的晶体结构、晶格动力学、电子性质和超导特性。研究发现:AcB₂C₄在0～200 GPa区间内难以合成;常压下AcB₃C₃表现为间接带隙半导体,带隙宽度约为1.154 eV。根据力学稳...     

(Hg,M)-1222相铜氧化合物的合成及其超导电性研究(M=W、Mo、Ti、V、Cr)

分别用固相反应和柠檬酸盐溶胶－凝胶法制备义组成为Sr2(Gd1.5Ce0.5)Cu2Oz的前驱物,再用真空烧结的方法合成了（Hg,M)－1222相铜氧化合物（Hg0.75M0.25)Sr2(Gd1.5Ce0.5)Cu2Oz(M=W,Mo,V,Cr,Ti)。溶胶－凝胶法同固相法相比混合更均匀,反应温度低,成相情况好,改进该方法后,用溶解度较高的Ce（NO3）3代替不溶于硝酸的CeO2,制得了纯1222相。研究了不同退火条件对样品电阻温度特性的影响的影响,发现高氧压退火有助于超导转变,M＝W,Mo时得到超导体,Tc(onset)在13－27K之间。     

百年超导,魅力不减

超导电性发现已有百年了,它已经成为物理学中的一个重要分支,与超导有关的诺贝尔奖已经授予了5次.超导电性的应用也已在许多方面发挥着不可替代的作用.100年虽然已经过去,但人们对超导研究的兴趣依然未减.例如,虽然很多一流的物理学家都在努力,但铜氧化合物超导体以及新发现的     

Bi-系铜氧化合物超导体无公度结构的发现——缅怀李方华先生

Bi-系铜氧化合物超导体的临界温度突破液氮温度后,在全世界又出现了研究热潮,包括中国科学院物理研究所。1988年初李方华先生和她的合作者杨大宇以及李建奇等,基于我们组的样品通过电子显微镜学研究发现超结构的存在并确定为无公度的结构调制。在整理成文后我建议投到正在创刊的《超导科学与技术》期刊。李先生同意了我的建议。     

高温超导铜氧化合物中间隙氧占位的分形结构

在包含有过渡金属的复杂氧化物中,许多材料表现出奇特的物理性质.从微观角度看,其起因在于：在低温下电子结成团队,以致于材料的性质由电子的集体行为（而非单电子行为）决定.对传统半导体材料来说,通常要求生长出几乎完美的晶体.我们今天蓬勃发展的信息产业正是建立在各类半导体优质晶体的基础之上.然而,对过渡金属氧化物来说,高质量晶体的制备决非易事.其中的困难除了元素种类多以外,还有一个     

反铁磁铜氧化合物中的磁致形状记忆

La2-xSrxCuO4(以下称LSCO)是最早发现的高温超导体之一.当x≈0.15时,它具有最高的超导转变温度,Tc=33K.对于x<0.02的轻度掺杂,材料的低温相是反铁磁绝缘体.在室温以上时,层状化合物LSCO晶格具有四方对称性;当冷却样品通过特征温度To,将发生从四方到正交的结构相变.此时,晶体发展出一种被称为孪晶的畴结构,被畴壁分开的相邻区域具有不同的晶轴取向.正交结构的晶格常数a=05339nm,b=0.5422nm,两者相差约1%.为了探求高温超导机理,LSCO曾被广泛深入地研究.由于在超导LSCO中根本不存在41meV反铁磁自…     

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.     

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.     

更快、更高、更强——2001年的超导研究

 在2001年,全世界的科技工作者为量子论诞生100周年和诺贝尔奖颁发100周年举行了一系列庆祝活动。在《科学美国人》杂志的一篇纪念文章中,作者列举了33项展示量子论神奇力量的重大发现,这其中有8项与超流-凝聚有关。它们是1911年超导电性的发现,1924年玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)的预言,1938年超流的发现,1957年BCS超导理论的提出,1973年核磁共振成像用于医疗诊断,1980和1982年整数和分数量子霍尔效应的发现,1986年铜氧化物高温超导体的发现和1995年BEC的实现。     

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     

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.     

CrAs——第一个Cr 基化合物超导体的发现

非常规超导体自发现以来便引起了凝聚态物理学家的广泛兴趣,诸如重费米子超导体,铜基高温超导体和铁基高温超导体等。这类超导体的一个基本特征是,当长程反铁磁序被抑制时会出现超导现象。而要破坏长程磁有序,除了掺杂不同元素以引入电荷载流子或者化学压力外,物理加压也是一种有效的调控手段。文章将介绍第一个Cr基化合物超导体——CrAs单晶通过物理加压首次实现超导电性的过程。当压力为8 kbar 时,超导临界温度出现在2 K,这时发生在常压下265 K的一级反铁磁相变被完全压制。在CrAs体系中,超导与反铁磁序之间的竞争关系说明CrAs是非常规超导体。CrAs的超导也为发现新型超导体打开了一扇大门。     

过渡金属化合物的核磁共振

过渡金属元素最外层电子分布在d或f轨函而形成多种多样的化合物结构,每个过渡金属原子都有一、二种具有核自旋的同位素,使其化合物显示丰富的核磁共振信息,通过这些磁化学及其它谱化学的信息,使科学家对分子内的协同效应的现象和原因有全面的认识,从而对催化剂和金属酶的活性机理有更深入的理解,最终可能引致理论和计算化学的革命,并为分子设计和定向合成创造条件。