中国科学技术大学高温超导物理研究新进展_1

1、从本学科出发，应着重选对国民经济具有一定实用价值和理论意义的课题。课题具有先进性，便于研究生提出新见解，特别是博士生必须有创新性的成果中国科学技术大学高温超导物理研究新进展 摘要在 中国 科学 技术大学建校50周年之际，文章作者对近年来中国科大在高温超导物理方面的最新 研究 进展情况作一介绍，包括新型高温超导材料探索研究和高温超导机理实验研究.在新型高温超导材料探索研究方面，文章作者首次发现了除高温超导铜基化合物以外第一个超导温度突破麦克米兰极限的非铜基超导体铁基砷化物SmO1-xFxFeAs，该类材料的最高超导转变温度可达到55K；中国科大还成功地制备出大量高质量的超导化合物单晶，包括Nd2-xCexCuO4,NaxCoO2,CuxTiSe2等.在高温超导机理实验研究方面，中国科大系统地研究了SmO1-xFxFeAs体系的电输运性质给出了该体系的 电子 相图；发现了在电子型高温超导体中存在反常的热滞现象和电荷-自旋强烈耦合作用；在NaxCoO2体系中也开展了系列的工作，并且首次明确了电荷有序态中小自旋的磁结构 问题 ；此外，还系统地研究了CuxTiSe2体系中电荷密度波与超导的相互关

2、系. 关键词:高温超导,铁基砷化物,自旋-电荷耦合,电荷有序,电荷密度波High|TcsuperconductivityresearchintheUniversityofScienceandTechnologyofChinaCHENXian|Hui(HefEiNationalLaboratoryforPhysicalSciencesatMicroscaleandDepartmentofPhysics,UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei,China)AbstractTocelebratethe50thanniversaryofthefoundingoftheUniversityofScienceandTechnologyofChina,abriefreviewispresentedofrecentresearchonhigh|Tcsuperconductivitythere. The searchfornewhigh|Tcmaterialsandexperimentalresearchonthemechanismofhigh|Tcs

3、uperconductivityledtoourdiscoveryoftheFe|basedarsenidesuperconductorSmO1-xFxFeAs, which isthefirstnon|copper|oxidesuperconductorwithatransitiontemperaturebeyondtheMcMillanlimit(39K),whilethehighesttransitiontemperatureinthissystemcanreach55K.AvarietyofsuperconductingsinglecrystalsincludingNd2-xCexCuO4,NaxCoO2andCuxTiSe2havebeensuccessfullygrown.Tounderstandthemechanismofhigh|TcsuperconductivitywehavesystematicallystudiedtheelectronictransportoftheSmO1-xFxFeAssystemandproposedacorrespondingelectr

4、onicphasediagram.Abnormalthermalhysteresisandspin|chargecouplinghavebeenfoundinelectron|typehigh|Tcsuperconductors.IntheNaxCoO2systemthemagneticstructureofthesmallmagneticmomentinthechargeorderedstatehasbeenclarified.TherelationshipbetweenchargedensitywavesandsuperconductivityintheCuxTiSe2systemhasalsobeenstudied.Keywordshigh|Tcsuperconductivity,Fe|basedarsenide,spin|chargecoupling,chargeordering,chargedensitywave1引言上世纪80年代末，高温超导铜氧化合物的发现引发了全球研究高温超导的热潮.至今，高温超导的研究已经有22年的 历史 ，在20多年的广泛研究中,人们积累了大量的实验

5、数据和 理论 方法 .到 目前 为止，虽然已经有许多很好的理论模型，但是高温超导机理问题仍然没有完全解决，许多实验的结果还存在争议.铜氧化物的奇特物理源自于电子的强关联效应，而且人们发现这种强关联效应是普遍存在于物质之中的，尤其是在d电子和f电子化合物中最常见.高温超导的研究也不再局限于认识高温超导电性本身，而是要理解强关联效应背后所有的物理现象以及如何建立研究强关联体系的范式.因而强关联体系中的超导现象也就成为高温超导的研究范围，并且吸引了人们极大的兴趣.我们的工作的重点就是围绕新的高温超导材料以及强关联超导材料开展的.这里我们将分为两个方面来介绍我们的工作进展，即新型高温超导材料探索和高温超导机理实验研究.2研究工作的进展情况新型高温超导材料探索新高温超导体的发现1986年，IBM研究实验室的德国物 理学 家柏诺兹与瑞士物理学家缪勒在层状铜氧化合物体系中发现了高于40K的临界转变温度1，随后该体系的临界温度不断提高，最终达到了163K2.该发现掀起了全球范围的超导研究热潮并且对经典的“BCS”理论也提出了挑战.德国物理学家柏诺兹与瑞士物理学家缪勒也因为他们的发现获得了1987年的诺

6、贝尔物理学奖.自从层状铜氧化合物高温超导体发现以来，人们一直都在致力于寻找更高临界温度的新超导体.然而到目前为止，临界温度高于40K的超导体只有铜氧化合物超导体.在非铜氧化合物超导体中，临界温度最高的就是39K的MgB2超导体3.但是该超导体的临界温度非常接近“BCS”理论所预言的理论值4.因此，寻找一个临界温度高于40K的非铜氧化合物超导体对于理解普适的高温超导电性是非常重要的，尤其是高温超导的机理到目前还没有得到类似于“BCS”一样完美的理论.在我们最近的研究中，我们在具有ZrCuSiAs结构的钐砷氧化物SmFeAsO1-xFx中发现了体超导电性5.我们的电阻率和磁化率测量表明，该体系的超导临界温度达到了43K.该材料是目前为止第一个临界温度超过40K的非铜氧化合物超导体.高于40K的临界转变温度也有力地说明了该体系是一个非传统的高温超导体.该发现势必会对我们认识高温超导现象带来新的契机.超导单晶的制备在高温超导的研究当中，单晶是获得本征信息的关键，重要的实验结果以及进展往往都是在单晶的基础上完成的，因而开展单晶的制备工作是高温超导机理研究的基础.多年来我们一直致力于高温超导单晶以

7、及新超导体单晶的工作，并取得很好的成绩.我们主要是利用传统的自助熔剂坩埚法、气相输运沉积法和光学浮区法等方法，成功地制备了电子型超导体Nd2-xCexCuO4,Pr2-x-yLayCexCuO4，空穴型超导体La2-x-yNdySrxCuO4以及新超导材料NaxCoO2和CuxTiSe2等其他强关联材料.这些材料的成功获得，为我们进一步开展深入的研究打下了坚实的基础.高温超导机理实验研究SmO1-xFxFeAs体系的电子相图研究最近，由于在铁基LaO1-xFxFeAs(x=)化合物中发现有26K的超导电性6，层状的ZrCuSiAs型结构的LnOMPn(Ln=La,Pr,Ce,Sm;M=Fe,Co,Ni,Ru；Pn=P，As)化合物引起了科学家很大的兴趣和关注7,8.今年3月，该类材料的超导临界温度在SmO1-xFxFeAs化合物中被首次提高到43K5，并在随后的研究中发现在该类材料中最高超导临界温度可达到54K9.这些重要的发现使得人们又重新对高温超导体的探索产生了极大的兴趣，并且为研究高温超导的机理提供了一个新的材料基础.近期初步研究表明，这类新超导体属于非传统超导体，电声相互作用并

8、不能导致如此高的临界转变温度10，强的铁磁和反铁磁涨落被认为是可能的原因1113，然而其机理还不是很明朗，其丰富的物理性质有待人们展开进一步深入的研究.研究表明，LaOFeAs母体化合物在150K会发生一个自旋密度波(SDW)转变.随着氟原子的掺杂，SDW会被压制而超导电性则被引入到系统中.系统地研究SDW和超导随氟掺杂的演变对认识其物理本质是非常重要的.因而我们系统地研究了氟含量x=0样品的电阻和霍尔系数，并且在此基础上给出了体系的相图.在母体化合物中，电阻和霍尔系数在Ts=148K都表现出反常，这与SDW的发生相一致.随着掺杂，Ts温度逐渐降低，这表明超导与SDW之间存在竞争.在x时，随着掺杂，发生了一个从高温线性行为到低温线性行为的转变.以上这些现象都表明，这个体系存在可能的量子相变.这些发现将对于我们认识这个体系的超导电性带来非常有用的信息.电子型超导体Nd2-xCexCuO4的研究Nd2-xCexCuO4(NCCO)是电子型铜氧化物超导体中的一个代表性体系，随着Nd被Ce的取代，电子被注入到CuO2面上，一个很明显的证据是霍尔系数(RH)和热电势(TEP)都为负值14.进一步

9、研究表明：在某一合适的掺杂范围内，NCCO和PCCO的输运行为是由电子和空穴两种载流子的竞争结果起作用1525.角分辨光电子谱实验得到的费米面的结果也直接支持了两种载流子共存的这一观点26.理论 计算 显示费米面能有效地用两能带体系来描述27,28.最近罗洪刚和向涛提出了dx2-y2对称的弱耦合两能带模型29，这个模型能很好地描述电子型铜氧化物超导体中超流密度s的异常的温度依赖行为.另外，Anderson30强调，在铜氧化物超导体中，输运行为由两种不同的散射时间所决定，其中tr(T-1)决定平面内电阻行为而霍尔角受H(T-2)所决定.其他的观点也认为霍尔角的余切正比于散射率的平方，而此散射率能通过零场的面内电阻直接得出31.因此，研究NCCO体系中霍尔角与面内电阻率的关系将是很有意思的事.我们系统测量了NCCO单晶中x，和的霍尔系数和欠掺杂到过掺杂区域的样品的热电势32.结果显示随着掺杂的增加，RH和TEP都发生符号从负到正的转变.霍尔角的研究表明，在x和的组分中，霍尔角的余切遵循T4的行为，而对x的样品，则是T2的行为.尽管这三个组分的电阻率在金属行为的温区几乎都是T2依赖关系，但其霍尔角的余切对温度依赖行为则表现出巨大的不同.这与空穴型的超导体有很大的不同.这种行为被认为是与费米面形状随掺杂的演化而紧密联系的.通过研究eRHx=V的行为，我们也试图从同一个角度来解释电子型掺杂NCCO和空穴型掺杂的LSCO这两个不同的体系中的RH的符号改变行为.我们认为，必须从两能带模型出发才能很好地解释RH和TEP的这种符号改变的行为.极欠掺杂反铁磁铜氧化物中电荷与Cu2+自旋磁矩之间具有很强的耦合作用，并且在此体系中观察到了许多奇特的现象3336.在电子型铜氧化物母体材料中(Pr2CuO4，Nd2CuO4)，自

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