浅谈高温超导物理研究进展及其展望

李生好 彭辉

（重庆工程职业技术学院，重庆400037）

浅谈高温超导物理研究进展及其展望

李生好 彭辉

（重庆工程职业技术学院，重庆400037）

本文分析和讨论了高温超导材料及其各种微观机制的研究进展，说明了高温超导体的机理研究依然是凝聚态物理中的前沿，其物理性质不同于常规金属，高温超导的微观机制仍然悬而未决，并对高温超导物理研究进行了展望。

高温；氧化物超导体；微观机制

1 引言

20多年前，高温超导铜氧化合物的发现引发了人们研究高温超导的热潮。到目前为止，在高温超导的广泛研究中，人们积累了大量的实验数据和理论方法。在这个超大研究领域，人们正在寻找适合高温超导的微观机理、继续提高超导的临界温度Tc，以及进行高温超导材料与器件的研制这几个方面的探索。也就是说，探索高温超导的微观机理，同时探索新型的超导材料，改善已有超导材料和器件的性能，降低成本，努力使之实用化。因此，本文对高温超导转变温度Tc的各种因素及其相应的微观机制和新型高温超导材料研究进行了探索和展望。

2 高温超导的研究进展

1986年4月，德国物理学家Bedners和瑞士物理学家Muller在LaBaCuO系氧化物陶瓷材料中发现超导电性，探测到了高于40K的临界转变温度，他们也因此获得了1987年的诺贝尔物理学奖。该发现掀起了全球范围的超导研究热潮，并且对巴丁、库珀和施里弗的BCS理论也提出了挑战。随后LaBaCuO系的临界温度不断提高，从而爆发了以中、美、日为中心的“超导战”。1986年11月，日本东京大学S.TanaKa等人验证了超导的另一性质即Meissner效应，并发现了LaSr2CuO系列超导体，同时认为这种高临界温度Tc的超导体是K2NiF4型；在S.TanaKa等人宣布合成LaSr2CuO系超导体后三天，中科院北京物理研究所赵忠贤等人宣布，在LaSr2CuO系超导体取得了起始转变温度Tonset= 46.6K的超导转变，并发现在70K有超导迹象的转变，打破了BCS理论中提出的超导临界温度Tc不大于40K的上限值。后来，人们又发现了BiSrCaCuO、TeBaCaCuO和YBaCuO等超导体，其中YBaCuO系超导体是最有希望在实际应用的超导材料。在超导材料方面，日本钢铁公司走在了前面，发明了一套淬火—熔化生长工艺，成功地克服了多晶体材料中晶界对临界电流密度Jc的限制，制出临界电流密度Jc在温度77K和磁场1T下Jc= 2.14×10^4A/cm^2的超导体材料。同时，美国斯坦福大学用环形激光点熔融获得取向BiSrCaCuO棒状样品，得到临界电流密度Jc=105A/cm^2。曾经的朱经武实验室在长有取向的烧结样品中剥离下一块约5mm的材料样品，得到Y1Ba2Cu3O7-8的临界电流密度Jc=7.15×10^4A/cm^2。

随后发现的n-型超导体，给了建立在空穴导电之上的两带模型一个巨大的挑战。对于是库仑排斥势u很大的多带的Hubbard模型，还是库仑排斥势u比较小的Fermi液体模型，来正确描述高温超导体现象，目前仍在研究中。对于超导材料的高Tc超导电性的起因，费米子和玻色子都不能完全解释，因此人们又提出了一种称为分散子的新的元激发，这种元激发是介于费米子和玻色子之间一种新的态，但到目前还没有定论。

3 高温超导转变温度Tc及其微观机理

3.1 现有超导理论不能解释高温超导现象

巴丁、库珀和施里弗于1957年找到了超导体的基态波函数，第一次提出超导微观BCS理论。以近自由电子模型为基础，在电子——声子作用很弱的前提下建立起来的理论并依此阐明超导电性本质的BCS理论，能非常成功地得到周期表中绝大部分超导元素的临界温度值和比热跳变，以及对迈斯纳效应、超导体的零电阻现象、约瑟夫森效应等给出很好的解释，但其在解释高温超导机制时遇到很大的困难。BCS理论所给出的超导材料上限临界温度不可能超过40K，可是高温超导材料的临界温度已经超过164K。这样温度下的热运动动能，使得电子无法实现库珀对，此时超导材料中晶格原子对电子的散射能改变电子的动量，从而形成电阻，这与材料无电阻的情况不相符，说明现有的BCS理论是不能解释高温超导机制的。那么BCS理论是否仍能加以修正后适用？如何修正抑或另建新理论？

3.2 高温氧化物现有的若干超导电性机制

就基本定型而论，可以分为非费米液体与费米液体两大派别。而BCS超导理论是在正常态为费米液体的框架内建立的。持非费米液体派观点的人认为不能在费米液体理论框架内描写高温氧化物超导材料，这是因为：高温氧化物超导体的正常态性质具有一系列反常现象；传统的BCS理论无法解释处于液氮温区的超导转变温度值；高温超导材料具有一些不寻常的根本性特点，如反铁磁的邻近性、截流子密度低、低维性等。而持费米液体派观点的人反驳认为：在高温铜氧化物超导体正常态性质上的反常现象并非独有；通过对BCS理论修正而得到处于液氮温区以上的超导转变温度值；基于局域密度近似的能带理论，在预测高温铜氧化合物超导体的费米面及其形状上获得了成功。

对于铜氧化物高温超导材料，其电子间存在很强的相互作用，电子特性已经偏离了常规的金属费米液体规律，高超导转变温度Tc、短的相干长度、强烈的各向异性以及正常态的不寻常特性引起人们的广泛研究，并先后建立了新的理论来理解高温超导种种奇异现象。当今出现的比较流行的理论有：

Anderson非费米液体高温超导理论，提出了共振价键态（RBV态）这一理论是基于高温铜氧化物的低维性；Varma等人的边缘费米液体理论（MFL），其系统与费米液体有所偏高，但偏离的行为较弱；Shrieffer自旋袋理论，从理论上说明由此可产生波配对的超导电性；Pines等人的近反铁磁费米液体理论，以邻近反铁磁性为基础，提出了自旋涨落模型；北京大学章立源教授1987年2月提出的双子系统（双成分）理论，所谓双子系统，一是退局域化的巡游载流子系统，另一个是为近局域的载流子系统等。

各理论之间有着一些差异，关于分歧之处是元激发的自旋与电荷自由度应不应该分开，共识之处有：首先，高温铜氧化物超导体中存在有掺杂而演化的局域化和退局域化的竞争过程；其次，关于能隙函数（或序参量）的对称性问题是以d波为主混有少量s波的混合波对称性；再次，高温铜氧化物超导体的正常态为是有赝隙的金属态。这些理论都不能解释所有的实验现象，关于高温超导的最终理论仍然在探索中。

笔者赞同在正常态为费米液体的框架内建立的BCS超导理论，认为可以通过加以修正后得到适用高温超导体机制，在声子耦合机制和其他未确定的机制进行某种形式的组合，如：认为有分散子或任意子等。

4 高温超导体的结论和展望

在中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室的近期研究中，发现了在具有ZrCuSiAs结构的钐砷氧化物SmFeAsO1-xFx的超导电性，磁化率和电阻率测量表明，此钐砷氧化物材料的超导临界温度达到了43K，是目前为止发现的临界温度超过40K的第一个非铜氧化合物超导体。这些重要的发现使得人们为研究高温超导的机理提供了一个新的材料基础。目前的研究结果表明，这类新超导体属于非传统的铜氧化合物超导体，其电声相互作用并不能导致相当高的临界转变温度，较强的铁磁和反铁磁涨落被认为是可能的原因，其中丰富的物理性质和特性有待人们进一步深入的研究，这也势必会对我们认识高温超导现象带来新的契机。

目前超导技术正处于飞速发展阶段，有些大项目已经或即将发挥巨大作用，取得巨大的经济效益，还有些项目处在研究开发阶段，但它的发展前景同样是十分诱人的。当前，人类将逐步转入超导技术开发时代，迫切要求人类对认识超导，并在理论研究上有进步。虽然高Tc超导材料的研究取得了很大进展，但仍然存在许多问题需要解决。比如当前一个突出的问题就是：对于所发现的高温超导体材料、掺杂C60及MgB2超导材料而言，BCS超导理论是仍然适用还是需要改造？新超导体材料的超导机制是什么机制？这些问题的研究目前均没有定论，都需要人们进一步地探索、解决。

[1]林德华等.探索高Tc超导新材料的可能途径[J].低温物理学报，2005，27（5）：586.

[2]车广灿等.漫谈新超导体的探索、方向、途径及方法[J].低温物理学报，2005，27（2），97.

[3]章立源，超导理论[M].北京：科学出版社，2003.

[4]Gao L，Xue Y Y，Chen F，etal.Phys.Rev.B，1994，50：4260.

[5]Chen X H，Wu T，Wu G，et al.Nature，2008，453∶761.

O511

A

1671-0037（2014）02-81-1.5

2014年2月20日。

重庆沙坪坝区软科学计划项目（201301）、重庆工程职业技术学院院级课题项目（RWB201327）。

李生好（1973-），男，博士，工程师/讲师，研究方向：电子信息。