高溫 こうおん 超 ちょう 導 しるべ (英語 えいご :High-temperature superconductivity ,High Tc )是 ぜ 一 いち 種 しゅ 物理 ぶつり 現象 げんしょう ,指 ゆび 一些具有較其他超 ちょう 導 しるべ 物質 ぶっしつ 相對 そうたい 較高的 てき 臨界 りんかい 溫度 おんど 的 てき 物質 ぶっしつ 在 ざい 液 えき 態 たい 氮的 てき 環境 かんきょう 下 か 產 さん 生 せい 的 てき 超 ちょう 導 しるべ 現象 げんしょう 。
性質 せいしつ [ 编辑 ]
高溫 こうおん 超 ちょう 導體 どうたい (High-temperature superconductors )是 これ 超 ちょう 導 しるべ 物質 ぶっしつ 中 ちゅう 的 てき 一 いち 種族 しゅぞく 類 るい ,具有 ぐゆう 一般的結構特徵以及相對上適度間隔的銅 どう 氧化物 ぶつ 平面 へいめん 。它們也被稱 しょう 作 さく 銅 どう 氧化物 ぶつ 超 ちょう 導體 どうたい 。此族類 るい 中 ちゅう 一 いち 些化合 かごう 物 ぶつ 中 ちゅう ,超 ちょう 導 しるべ 性 せい 出現 しゅつげん 的 てき 臨界 りんかい 溫度 おんど 是 ぜ 已 やめ 知 し 超 ちょう 導體 どうたい 中 ちゅう 最高 さいこう 的 てき 。
不同 ふどう 銅 どう 氧化物 ぶつ 在 ざい 常態 じょうたい (以及超 ちょう 導 しるべ 態 たい )性質 せいしつ 之 の 間 あいだ 具有 ぐゆう 共同 きょうどう 的 てき 特徵 とくちょう ;這些性質 せいしつ 中 ちゅう ,許多 きょた 無法 むほう 以金屬 きんぞく 的 てき 傳統 でんとう 理論 りろん 來 らい 解釋 かいしゃく 。銅 どう 氧化物的 ぶってき 一致性理論至今尚不存在,這項問題 もんだい 是 ぜ 未 み 知的 ちてき 領域 りょういき ,觸發 しょくはつ 了 りょう 許多 きょた 實驗 じっけん 方面 ほうめん 與 あずか 理論 りろん 方面 ほうめん 的 てき 研究 けんきゅう 工作 こうさく ;使 し 得 とく 搞懂這個現象 げんしょう 背後 はいご 的 てき 物理 ぶつり 學 がく 原理 げんり ,反 はん 而遠超過 ちょうか 開發 かいはつ 出 で 室溫 しつおん 超 ちょう 導體 どうたい 這項目標 もくひょう 。
歷史 れきし [ 编辑 ]
各 かく 类超导体的 てき 发现年 ねん 份与超 ちょう 导临界 かい 温度 おんど 一 いち 览。
銅 どう 氧化物 ぶつ 超 ちょう 導體 どうたい 在 ざい 實驗 じっけん 上 じょう 是 ぜ 由 ゆかり 卡爾·米 まい 勒 及約 やく 翰內斯·貝 かい 德 とく 諾 だく 爾 しか 茨 いばら 首 くび 度 ど 發現 はつげん ,不 ふ 久 ひさ 兩人 りょうにん 的 てき 研究 けんきゅう 成果 せいか 即 そく 受到1987年 ねん 諾 だく 貝 かい 爾 なんじ 物理 ぶつり 學 がく 獎的 てき 肯定 こうてい 。
1987年 ねん ,來 き 自 じ 臺灣 たいわん 的 てき 美國 びくに 物理 ぶつり 學 がく 家 か 吳 ご 茂 しげる 昆 こん 和 わ 朱 しゅ 經 けい 武 たけし 在 ざい 釔鋇銅 どう 氧 系 けい 材料 ざいりょう 上 じょう 把 わ 临界超 ちょう 导温度 おんど 提 ひさげ 高 だか 到 いた 90K以上 いじょう ,液 えき 氮的“温度 おんど 壁 かべ 垒”(77K)也被突破 とっぱ 了 りょう 。根據 こんきょ 權威 けんい 的 てき 科學 かがく 引文索引 さくいん 資料 しりょう 庫 こ Web of Science ,由 ゆかり 吳 ご 茂 しげる 昆 こん 為 ため 第 だい 一 いち 作者 さくしゃ (共同 きょうどう 作者 さくしゃ 包括 ほうかつ 休 きゅう 士 し 頓 ひたすら 大學 だいがく 朱 しゅ 經 けい 武 たけし )的 てき 論文 ろんぶん "Superconductivity at 93 K in a new mixed-phase Y-Ba-Cu-O compound system at ambient pressure (页面存 そん 档备份 ,存 そん 于互联网档案 あん 馆 )"自 じ 1987年 ねん 3月 がつ 於美國 びくに 物理 ぶつり 學會 がっかい 期 き 刊 かん 《物理 ぶつり 評論 ひょうろん 快報 かいほう 》發表 はっぴょう 以來 いらい 自 じ 2018年 ねん 已 やめ 獲 え 期 き 刊 かん 論文 ろんぶん 引用 いんよう 超過 ちょうか 五 ご 千 せん 多 た 次 つぎ ,這篇史上 しじょう 第 だい 一 いち 次 じ 超越 ちょうえつ 液 えき 態 たい 氮沸點 ふってん 「溫度 おんど 壁 かべ 壘 るい 」(77K, 絕對 ぜったい 零 れい 度 ど 以上 いじょう )而將超 ちょう 導 しるべ 溫度 おんど 從 したがえ 30K提 ひさげ 升 ます 到 いた 90K(攝氏 せっし 零下 れいか 183度 ど )以上 いじょう 的 てき 研究 けんきゅう 突破 とっぱ 自 じ 1911年 ねん 後 ご 七 なな 十多年的物理學研究瓶頸,為 ため 臨界 りんかい 溫度 おんど 高 だか 於77K的 てき 材料 ざいりょう 稱 たたえ 為 ため 高溫 こうおん 超 ちょう 導體 どうたい 下 しも 了 りょう 定義 ていぎ ,不 ふ 但 ただし 於當年 ねん 獲 え 矚目,也被指 ゆび 為 ため 超 ちょう 導體 どうたい 領域 りょういき 30年來 ねんらい 最 さい 重要 じゅうよう 的 てき 先驅 せんく 之 の 一 いち ,吳 ご 茂 しげる 昆 こん 團 だん 隊 たい 的 てき 發現 はつげん 對 たい 爾後 じご 超 ちょう 導體 どうたい 的 てき 科學 かがく 與 あずか 商業 しょうぎょう 應用 おうよう 頗具影響 えいきょう 。[1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] 1987年 ねん 底 そこ ,铊-钡-钙-铜-氧系材料 ざいりょう 又 また 把 わ 临界超 ちょう 导温度 おんど 的 てき 记录提 ひさげ 高 だか 到 いた 125K。从1986年 ねん -1987年 ねん 的 てき 短 たん 短 たん 一 いち 年 ねん 多 た 的 てき 时间里 さと ,临界超 ちょう 导温度 おんど 提 ひさげ 高 だか 了 りょう 近 きん 100K。
2015年 ねん ,物理 ぶつり 學者 がくしゃ 發現 はつげん ,硫化 りゅうか 氫在 ざい 極度 きょくど 高 だか 壓 あつ 的 てき 環境 かんきょう 下 か (至 いたり 少 しょう 150GPa ,也就是 ぜ 約 やく 150萬 まん 標準 ひょうじゅん 大氣 たいき 壓 あつ ),約 やく 於溫度 おんど 203K (-70 °C)時 じ 會 かい 發生 はっせい 超 ちょう 導 しるべ 相變 あいかわ [9] 。
2018年 ねん ,德 とく 国 こく 化学 かがく 家 か 发现十 じゅう 氢化镧在 ざい 压力170GPa,温度 おんど 250K(-23℃) 下 か 有 ゆう 超 ちょう 导性出 で 现[10] 。
2020年 ねん ,罗切斯特大学 だいがく 的 てき 朗 ろう 加 か ·迪 すすむ 亚斯(Ranga Dias)团队合成 ごうせい 了 りょう 含碳硫化 りゅうか 氢系统(carbonaceous sulfur hydride),在 ざい 267±10GPa 的 てき 压力下 か ,最大 さいだい 临界温度 おんど 达到287.7±1.2K(约15℃),使 し 得 え 超 ちょう 导临界 かい 温度 おんど 首 くび 次 じ 达到室温 しつおん ,但 ただし 2022年 ねん 遭遇 そうぐう 期 き 刊 かん 撤稿。[11] 。2023年 ねん ,该团队宣称 たたえ 在 ざい 一 いち 种由氢、氮、镥 组成的 てき 材料 ざいりょう 中 ちゅう 实现了 りょう 室温 しつおん 超 ちょう 导,且压力 りょく 相 しょう 对较低 てい ,约10kbar(约大气压力 りょく 的 てき 10000 倍 ばい ),远低于在室温 しつおん 工作 こうさく 的 てき 超 ちょう 导通常 つうじょう 所 しょ 需要 じゅよう 的 てき 数 すう 百 ひゃく 万 まん 个大气压[12] 。
可能 かのう 的 てき 理 り 论模型 がた [ 编辑 ]
高温 こうおん 超 ちょう 导和非常 ひじょう 规超导有两种具有 ぐゆう 代表 だいひょう 性 せい 的 てき 理 り 论。首 くび 先 さき ,弱 じゃく 耦合理 ごうり 论表明 ひょうめい 超 ちょう 导性源 げん 于掺杂系统中的 てき 反 はん 铁磁自 じ 旋涨落[13] 。根 ね 据 すえ 这个理 り 论,铜酸盐高温 こうおん 超 ちょう 导的配 はい 对波函数 かんすう 应该具有 ぐゆう dx2-y2 对称性 せい 。因 よし 此,确定配 はい 对波函数 かんすう 是 ぜ 否 ひ 具有 ぐゆう d 波 なみ 对称性 せい 对于测试自 じ 旋波动机制 せい 至 いたり 关重要 じゅうよう 。也就是 ぜ 说,如果高温 こうおん 超 ちょう 导 阶参数 すう (配 はい 对波函数 かんすう )不 ふ 具有 ぐゆう d 波 なみ 对称性 せい ,则可以排除 はいじょ 与 あずか 自 じ 旋涨落相关的配 はい 对机制 せい 。 (铁基超 ちょう 导体也有 やゆう 类似的 てき 论证,但 ただし 不同 ふどう 的 てき 材料 ざいりょう 特性 とくせい 允 まこと 许不同 ふどう 的 てき 配 はい 对对称 しょう 性 せい 。) 其次,存在 そんざい 层间耦合模型 もけい ,根 ね 据 すえ 该模型 がた ,层状结构由 よし BCS 型 がた (s 波 なみ 对称)超 ちょう 导体组成可 か 以自行 ぎょう 增强 ぞうきょう 超 ちょう 导性。 [14] 通 つう 过在每 ごと 层之间引入 にゅう 额外的 てき 隧道 すいどう 相互 そうご 作用 さよう ,该模型 がた 成功 せいこう 地 ち 解 かい 释了阶参数 すう 的 てき 各 かく 向 こう 异性对称性 せい 以及 高温 こうおん 超 ちょう 导的出 で 现。因 よし 此,为了解 りょうかい 决这个悬而未决的问题,进行了 りょう 大量 たいりょう 的 てき 实验,如光电子能 のう 谱、核 かく 磁共振 きょうしん 、比 ひ 热测量 りょう 等 とう 。 迄 まで 今 こん 为止的 てき 结果是 ぜ 模 も 棱两可 か 的 てき ,一 いち 些报道 どう 支持 しじ 高温 こうおん 超 ちょう 导的 d 对称性 せい ,而另一 いち 些报道 どう 支持 しじ s对称。这种浑浊的 てき 情 じょう 况可能 かのう 源 げん 于实验证据 すえ 的 てき 间接性 せい 质,以及样品质量、杂质散射 い 、孪晶等 とう 实验问题。
这个总结做了一个隐含的假设:超 ちょう 导特性 せい 可 か 以通过平均 へいきん 场理论来处理。它也没 ぼつ 有 ゆう 提 ひっさげ 到 いた 除 じょ 了 りょう 超 ちょう 导间隙 すき 之 の 外 そと ,还有第 だい 二 に 个间隙 すき ,伪间隙 すき 。铜酸盐层是 ぜ 绝缘的 てき ,超 ちょう 导体掺杂了 りょう 层间杂质,使 つかい 它们成 なり 为金属 ぞく 。可 か 以通过改变掺杂剂浓度来 らい 最大 さいだい 化 か 超 ちょう 导转变温度 ど 。最 さい 简单的 てき 例 れい 子 こ 是 ぜ La2CuO4,它由交替 こうたい 的 てき CuO2 和 わ LaO 层组成 なり ,纯时绝缘。当 とう 8% 的 てき La 被 ひ Sr 取 と 代 だい 时,后 きさき 者 しゃ 充当 じゅうとう 掺杂剂,为 CuO2 层提供 ていきょう 空 そら 穴 あな ,并使样品具有 ぐゆう 金属 きんぞく 性 せい 。 Sr 杂质还充当 とう 电子桥,实现层间耦合。从这张图片 へん 出 で 发,一 いち 些理论认为基本 きほん 的 てき 配 はい 对相互 そうご 作用 さよう 仍然是 ぜ 与 あずか 声 こえ 子 こ 的 てき 相互 そうご 作用 さよう ,就像在 ざい 具有 ぐゆう 库珀对的传统超 ちょう 导体中 ちゅう 一 いち 样。虽然未 み 掺杂的 てき 材料 ざいりょう 是 ぜ 反 はん 铁磁性 せい 的 てき ,但 ただし 即 そく 使 つかい 是 ぜ 百分之几的杂质掺杂剂也会在 CuO2 平面 へいめん 中 ちゅう 引入较小的 てき 赝隙,这也是 ぜ 由 よし 声 ごえ 子 こ 引起的 てき 。间隙随 ずい 着 ぎ 电荷载流子 こ 的 てき 增加 ぞうか 而减小 しょう ,并且当 とう 它接近 せっきん 超 ちょう 导间隙 すき 时,后 きさき 者 しゃ 达到最大 さいだい 值。然 しか 后 きさき 认为高 だか 转变温度 おんど 的 てき 原因 げんいん 是 ぜ 由 よし 于载流 りゅう 子 こ 的 てき 渗透行 ぎょう 为 - 载流子 こ 遵循锯齿形 がた 渗透路 ろ 径 みち ,主要 しゅよう 在 ざい CuO2 平面 へいめん 的 てき 金属 きんぞく 域 いき 中 ちゅう ,直 ちょく 到 いた 被 ひ 电荷密度 みつど 波 は 畴壁阻挡,在 ざい 那 な 里 さと 它们使用 しよう 掺杂剂桥跨 またが 越 えつ 到 いた 相 あい 邻 CuO2 平面 へいめん 的 てき 金属 きんぞく 域 いき 。当主 とうしゅ 晶 あきら 格 かく 具有 ぐゆう 弱 じゃく 键弯曲 きょく 力 りょく 时达到转变温度 おんど 最大 さいだい 值,这会在 ざい 层间掺杂剂处产生强 きょう 电子 - 声 こえ 子 こ 相互 そうご 作用 さよう 。 [15]
YBCO 中 ちゅう 的 てき D 对称性 せい [ 编辑 ]
提出 ていしゅつ 了 りょう 基 もと 于 YBa2Cu3O7 (YBCO) 三晶环通量量化的实验,以测试高温 こうおん 超 ちょう 导中有 ちゅうう 序 じょ 参 さん 数 すう 的 てき 对称性 せい 。当 とう 库珀对穿过约瑟夫森 もり 结或薄弱 はくじゃく 环节时,最 さい 好 こう 在 ざい 结界面 めん 处探测顺序 じょ 参 さん 数 すう 的 てき 对称性 せい 。 [16] 预计半 はん 整数 せいすう 通 どおり 量 りょう ,即 そく 自 じ 发磁化 か 只 ただ 能 のう 发生在 ざい d 个对称 たたえ 超 ちょう 导体的 てき 结上。但 ただし 是 ぜ ,即 そく 使 つかい 结实验是确定高温 こうおん 超 ちょう 导阶参 さん 数 すう 对称性 せい 的 てき 最强 さいきょう 方法 ほうほう ,结果也很模糊 もこ 。 J. R. Kirtley 和 わ C. C. Tsuei 认为模 も 棱两可 か 的 てき 结果来 き 自 じ 高温 こうおん 超 ちょう 导内部 ないぶ 的 てき 缺陷 けっかん ,因 いん 此他们设计了一个同时考虑清洁极限(无缺陷 けっかん )和 かず 脏极限 げん (最大 さいだい 缺陷 けっかん )的 てき 实验。 [17] 在 ざい 实验中 ちゅう ,在 ざい YBCO 中 ちゅう 清楚 せいそ 地 ち 观察到 いた 自 じ 发磁化 か ,这支持 しじ 了 りょう YBCO 中有 ちゅうう 序 じょ 参 さん 数 すう 的 てき d 对称性 せい 。但 ただし 是 ぜ ,由 ゆかり 于 YBCO 是正 ぜせい 交的,它可能 かのう 固有 こゆう 地 ち 混合 こんごう 了 りょう s 对称性 せい 。因 よし 此,通 つう 过进一步调整他们的技术,他 た 们发现 YBCO 中 ちゅう 存在 そんざい 约 3% 的 てき s 对称性 せい 混合 こんごう 物 ぶつ 。 [18] ]此外,他 た 们发现在四方 しほう Tl2Ba2CuO6 中 ちゅう 存在 そんざい 纯 dx2-y2 阶参数 すう 对称性 せい 。 [19]
自 じ 旋波动机制 せい [ 编辑 ]
尽 つき 管 かん 这些年来 ねんらい ,高温 こうおん 超 ちょう 导的机 つくえ 制 せい 仍然存在 そんざい 很大争 そう 议,主要 しゅよう 是 ぜ 由 よし 于缺乏 けつぼう 对这种强相互 そうご 作用 さよう 电子系 けい 统的精 せい 确理论计算 さん 。然 しか 而,大 だい 多数 たすう 严格的 てき 理 り 论计算 さん ,包括 ほうかつ 现象学 がく 和 わ 图解方法 ほうほう ,都 みやこ 将 すすむ 磁涨落作为这些系统的配 はい 对机制 せい 。定性 ていせい 解 かい 释如下 か :
在 ざい 超 ちょう 导体中 ちゅう ,电子流 りゅう 不能 ふのう 分解 ぶんかい 为单个电子 こ ,而是由 よし 许多束 たば 缚电子 こ 对组成 なり ,称 しょう 为库珀对。在 ざい 传统的 てき 超 ちょう 导体中 ちゅう ,当 とう 一个电子穿过材料使周围的晶格扭曲时,就会形成 けいせい 这些电子对,从而吸引 きゅういん 另一个电子并形成束缚对。这有时被称 しょう 为“水 みず 床 ゆか ”效 こう 应。每 まい 个库珀对都 と 需要 じゅよう 一定的最小能量才能被置换,如果晶 あきら 格 かく 中 ちゅう 的 てき 热波动小于这个能量 りょう ,则该对可以在不 ふ 耗散能 のう 量的 りょうてき 情 じょう 况下流 りゅう 动。电子无阻力 りょく 流 りゅう 动的这种能力 のうりょく 导致了 りょう 超 ちょう 导性。
在高 ありだか Tc 超 ちょう 导体中 ちゅう ,其机制 せい 与 あずか 传统超 ちょう 导体极为相似 そうじ ,不同 ふどう 之 の 处在于,在 ざい 这种情 じょう 况下,声 こえ 子 こ 实际上 じょう 不 ふ 起 おこり 作用 さよう ,它们的 てき 作用 さよう 被 ひ 自 じ 旋密度 みつど 波 は 取 と 代 だい 。正 せい 如所有 しょゆう 已 やめ 知的 ちてき 常 つね 规超导体都 と 是 ぜ 强 きょう 声 ごえ 子 こ 系 けい 统一样,所有 しょゆう 已 やめ 知的 ちてき 高 だか Tc 超 ちょう 导体都 と 是 ぜ 强 きょう 自 じ 旋密度 みつど 波 なみ 系 けい 统,位 い 于磁跃迁附近 ふきん ,例 れい 如反铁磁体 たい 。当 とう 电子在高 ありだか Tc 超 ちょう 导体中 ちゅう 移 うつり 动时,它的自 じ 旋会在 ざい 其周围产生 せい 自 じ 旋密度 みつど 波 は 。这种自 じ 旋密度 みつど 波 は 反 はん 过来导致附近 ふきん 的 てき 电子落入由 よし 第 だい 一个电子产生的自旋凹陷(再 さい 次 つぎ 水 すい 床 ゆか 效 こう 应)。因 よし 此,再 さい 次 つぎ 形成 けいせい 了 りょう Cooper 对。当 とう 系 けい 统温度 おんど 降 くだ 低 てい 时,会 かい 产生更 さら 多 た 的 てき 自 じ 旋密度 みつど 波 は 和 わ 库珀对,最 さい 终导致超导。请注意 ちゅうい ,在高 ありだか Tc 系 けい 统中,由 ゆかり 于库仑相互 そうご 作用 さよう ,这些系 けい 统是磁性 じせい 系 けい 统,因 いん 此电子 こ 之 の 间存在 そんざい 强大 きょうだい 的 てき 库仑排斥 はいせき 。这种库仑排斥 はいせき 阻止 そし 了 りょう 库珀对在同 どう 一晶格位点上的配对。结果,电子的 てき 配 はい 对发生 せい 在 ざい 邻近的 てき 晶 あきら 格 かく 位置 いち 。这就是 ぜ 所 しょ 谓的 d 波 なみ 配 はい 对,其中配 はい 对状态在原点 げんてん 有 ゆう 一 いち 个节点 てん (零 れい )。
例 れい 子 こ [ 编辑 ]
高溫 こうおん 超 ちょう 導 しるべ 銅 どう 氧化物 ぶつ 超 ちょう 導體 どうたい 包括 ほうかつ YBCO (釔 -鋇 -銅 どう -氧 化合 かごう 物 ぶつ )等 とう ,都 みやこ 是 ただし 著 ちょ 名 めい 的 てき 突破 とっぱ 液 えき 氮的「溫度 おんど 壁 かべ 壘 るい 」(77K)的 てき 材料 ざいりょう 。
溫度 おんど (開 ひらき 爾 なんじ 文 ぶん )
材料 ざいりょう
超 ちょう 导体種類 しゅるい
300
常溫 じょうおん (27℃/80.6℉)
278
H2 S·CH4 (含碳硫化 りゅうか 氢系 けい 统,267±10 GPa高 だか 压)[11]
含碳硫化 りゅうか 氢系 けい 统
250
LaH10 (十 じゅう 氢化镧 ,170 GPa高 だか 压)[10]
氢基
203
H2 S (150 GPa高 だか 压)[9]
195
乾 いぬい 冰的 てき 昇華 しょうか 點 てん
138
Hg 12 Tl 3 Ba 30 Ca 30 Cu 45 O 127
銅 どう 氧化物 ぶつ
110
Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10 (BSCCO (英 えい 语 ) )
92
YBa 2 Cu 3 O 7 (YBCO )
77
液 えき 態 たい 氮的沸點 ふってん
43
SmFeAs(O,F)
鐵 てつ 基 もと
41
CeFeAs(O,F)
26
LaFeAs(O,F)
20
液 えき 態 たい 氫的沸點 ふってん
18
Nb 3 Sn
金屬 きんぞく 低溫 ていおん
10
NbTi
4.2
Hg(汞 )
1.7
C (以1.1度 ど 的 てき 偏 へん 转夹角 かく 相 しょう 叠的两层石墨 せきぼく 烯 )
石墨 せきぼく 烯超导
參 まいり 見 み [ 编辑 ]
参考 さんこう 资料[ 编辑 ]
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