高温超导体磁通钉扎和磁通动力学研究简介

超导态是一个宏观量子相干态,其载流子是库珀对.在没有外加磁场和电流的时候,这些库珀对的运动行为用统一的波函数ψ=ψ0eiφ进行描述,其相位φ在宏观尺度上是相同的.当磁场低于一定值的时候,在超导体的边界处穿透深度内会出现一个屏蔽电流来对抗外磁场的侵入,样品处于迈斯纳态.然而,当磁场超过一定值的时候,磁场会进入到超导体中,迈斯纳态被破坏掉,在超导体内形成超导区和正常区及其相应的界面.根据此时这个界面处能量的正负,把超导体分成Ⅰ类和Ⅱ类超导体,分别对应正和负界面能.目前发现的绝大多数超导体都是Ⅱ类超导体,因为界面能为负值,因此进入到超导体的磁场会分离成最细小的单元,以保证最大的界面面积,降低系统能量.该最小的磁通束被称为磁通量子,其磁通量是Φ0=h/2e(h为普朗克常数, e为电子电量).这些磁通线之间有一定的排斥力,因此它们会形成点阵.当外加输运电流的时候,这些磁通线会受到一个洛伦兹力作用而运动,但是运动就会造成能量的损耗,超导体就会因此失去电阻为零的优良品质.通过在超导体中引入一些缺陷、杂质或位错,就可以把磁通钉扎住,超导体仍然可以有零损耗特性,而这个特性可以用于超导体的强电应用.本文将对磁通钉扎和磁通动力学及其研究方法做一点简单介绍.

强关联铬基笼目超导体CsCr_(3)Sb_(5)

超导研究历经百余年仍长盛不衰[1—6]。早年发现,很多非磁元素金属单质及合金在低温下都是超导体(后来被称为常规超导体)。常规超导的微观机制来源于电子—声子耦合:超导体中传导电子借助晶格振动产生的声子形成有效吸引相互作用,从而发生两两配对;配对电子(又称“库珀对”)同时发生相位相干和量子凝聚,形成一种稳定的宏观量子态——超导态。描述常规超导体的微观理论被称为BCS理论[2]。由于磁性元素往往倾向于拆散库珀对,因而强磁性元素及其合金一般不会出现超导电性。

铁基超导体中的马约拉纳零能模及其阵列构筑

马约拉纳零能模服从非阿贝尔统计,其编织操作可用于构筑拓扑量子比特,是拓扑量子计算的基本单元,可从原理上解决量子计算中环境噪声带来的退相干问题.现有的马约拉纳零能模平台包括复合异质结构,如拓扑绝缘体/超导体、半导体纳米线/超导体或一维磁性原子链/超导体等,以及单一材料,如2M-WS_(2),4Hb-TaS_(2)和铁基超导体等.铁基超导体中的马约拉纳零能模具有材料平台简单、零能模纯净以及存活温度较高等一系列优势,引起了广泛关注.最近,大面积、有序和可调控的马约拉纳零能模晶格阵列在铁基超导体LiFeAs中被观测到,为未来的拓扑量子计算提供了一个理想平台.本综述首先回顾铁基超导体中马约拉纳零能模的实验观测,其中将重点介绍FeTe_(0.55)Se_(0.45),(Li_(0.84)Fe_(0.16))OHFeSe,CaKFe_(4)As_(4)和LiFeAs等材料体系.接着介绍给出铁基超导体中马约拉纳零能模关键性实验证据的一系列工作.然后进一步详细介绍近期LiFeAs中观测到有序和可调马约拉纳零能模晶格阵列的工作.最后给出总结和对未来马约拉纳领域研究的展望.

中山大学物理学院在镍基超导体的理论研究方面取得重大进展

中山大学物理学院姚道新教授团队在新型镍基超导体的多轨道模型和超导机理方面取得重大进展。2023年中山大学王猛教授团队与合作者(包含姚道新教授)发现了双层镍氧化物La3Ni2O7在14 GPa压力下出现了80 K(开尔文)的高温超导电性(Nature 621,493(2023)),引发了国际上的广泛关注,对其超导机理的破译迫在眉睫。姚道新教授团队通过密度泛函理论对结构相变前后的电子能带进行分析,发现影响La3Ni2O7超导电性的主要是镍的3dx2-y2和3dz2两个轨道,以及O的p轨道。姚道新教授团队基于镍的3dx2-y2和3dz2轨道建立了一个双层两轨道模型,有效地反映了新型镍基超导体的微观电子跃迁过程,给出了高压相的费米面和电子能带,体现了电子间的强关联效应。

镍基超导体中电荷序的实验研究进展

镍基超导体目前分为一价镍氧化物超导体和高压镍基超导体两个家族,其中电荷序的研究受到了广泛关注.这是因为电荷序是强关联电子体系尤其是铜氧化物超导体的研究重点之一,其不仅对于理解电子关联性有着重要意义,与非常规超导电性也有着潜在的联系,而镍基超导体的发现为电荷序与超导电性的研究提供了新的契机.本文总结了镍基超导体电荷序的实验研究进展,讨论了镍基超导体中电荷序的存在与否、具体构型以及微观性质等,以期为进一步深入研究该主题提供新的思路.

高压极端条件下的富氢高温超导体

自从在汞中发现4.2 K的超导转变温度以来,寻找室温超导体一直是凝聚态物理领域的研究热点。近年来,科学家在高压极端条件下发现了以共价型H_(3)S(T_(c)=203 K)和离子型LaH_(10)(T_(c)=250 K)、CaH_(6)(T_(c)=215 K)为代表的系列高温超导体,先后刷新了超导转变温度纪录,这些工作开启了学界在富氢化合物中寻找室温超导体的新篇章。本文重点介绍了目前高压下二元和三元富氢高温超导体的理论模拟以及实验制备和表征方面的相关研究进展,分析在富氢化合物中发现室温超导体面临的挑战和可能途径,为实现室温超导做出基础性贡献。

镍基高温超导体中的氧空位和配位空穴态

超导体在其临界转变温度(T_(c))以下具有零电阻和完全抗磁性,在输电、精密测量、核磁共振等领域具有重要的应用价值。1957年建立的BCS理论引入电子配对机制,在微观上圆满解决了超导机理问题[1],可是在BCS理论框架下,超导转变温度的上限估计为40 K,这被称为Mc Millan极限[2]。

美国研究发现存在于自然界的非常规超导体

美国艾姆斯国家实验室的科研团队发现了一种非常规超导体——密硫铑矿(miassite),是自然界中仅有的四种在实验室中生长后可作为超导体的矿物之一。相关文章发表在《通讯-材料》(Communications Materials)上。科研团队使用了三种不同的测试来确定这种矿物的性质。主要测试为“伦敦穿透深度”,可确定弱磁场从表面穿透超导体的距离。测试发现,在密硫铑矿中,这一长度随温度呈线性变化,表明它具有非常规超导体的特性。

我国科学家发现新型高温超导体

超导体因巨大应用潜力而备受关注,寻找新型高温超导体是科学界孜孜以求的目标。复旦大学物理学系赵俊教授团队利用高压光学浮区技术成功生长了3层镍氧化物,证实了镍氧化物中具有压力诱导的体超导电性,其超导体积分数达到86%,这意味着又一新型高温超导体被发现。该研究成果于北京时间2024年7月17日晚发表于最新一期《自然》上。

热超高压处理YBCO超导体的拉曼光谱

本文用激光拉曼光谱研究经热超高压处理的YBCO氧化物超导体材料的结构特征。光谱数据表明该工艺过程除了改善YBCO氧化物超导体的物理性能外还有利于YBCO微观构型中正交相的相结构更趋完整 ,晶格有序度的加强以及二维CuO2 网络的形成 。

含氟Y－Ba－Cu－O高温超导体稳定性与结构的研究

应用ＢａＦ２、ＣｕＦ２和ＹＦ３分别部分代换ＢａＯ、ＣｕＯ和Ｙ２Ｏ３制得了一系列带有氟元素的Ｙ－Ｂａ－Ｃｕ－Ｏ高温超导体样品，其中ＢａＦ２代换ＢａＯ的摩尔量可达４５％，样品的零电阻温度为８２．５～９３．５Ｋ。应用ＸＲＤ、ＤＴＡ、ＩＲ和化学方法研究了样品的结构和稳定性。初步实验结果表明，氟元素只有少量进入超导相，但含氟的Ｙ－Ｂａ－Ｃｕ－Ｏ超导体在水蒸气和二氧化碳中的稳定性则大大提高。

矿物形式的非常规超导体发现

据报道,美国艾姆斯国家实验室科学家发现了第一种非常规超导体,其化学成分在自然界中也能找到。密硫铑矿是自然界中仅有的4种在实验室培养后可作为超导体的矿物之一。研究表明,它的性质类似于高温超导体。这一发现进一步加深了科学家对超导性的理解,有望在未来带来更可持续、更经济的基于超导体的技术。

非常规界面超导体研制成功

美国加州大学河滨分校领导的多机构团队研制出一种新型非常规界面超导材料。该材料可用于量子计算,并成为“拓扑超导体”的候选材料。研究成果发表在新一期《科学进展》杂志上。拓扑超导体利用电子或空穴的非定域状态(空穴的行为类似于带正电荷的电子),以稳健的方式传输量子信息和处理数据。研究团队将三方碲(一种非磁性的手性材料)与在金薄膜表面产生的表面态超导体结合在一起,并在界面上观察到了具有明确自旋极化的量子态。

具有手性结构的新型超导体制成

据报道,日本东京都立大学研究人员通过混合两种材料,创造了一种具有手性晶体结构的新型超导体。新的铂—铱—锆化合物在2.2 K温度以下转变为超导体,使用X射线衍射可观察到其具有手性晶体结构。该技术方案有望加速对新型奇异超导材料的发现和理解。相关论文发表在最新一期《美国化学会杂志》上。科学家希望了解超导材料的奇异性质如何从其结构中产生,以及如何控制结构以获得理想的特性。

CICC超导体的设计及其稳定性

该文叙述ＣＩＣＣ超导体设计时的一些考虑，给出了导体稳定性的有关参数表达式。

利用强磁场探究低掺杂铜基高温超导体中赝能隙区域的电子特性

高温超导材料及其机理的研究是凝聚态物理学的前沿领域。高温超导的机理至今仍是物理学界面临的一个重大科学挑战,并且被《Science》杂志在2005年和2021年两次列为全球125个最前沿的科学问题之一。在强磁场的作用下,高温超导电性会受到抑制,而对其电子特性的深入研究,例如量子振荡研究[1],为揭开高温超导机理的神秘面纱提供了一种有效的途径。

铋系超导体熔融织构生长工艺的研究

研究了连续区熔定向凝固工艺对铋系织构生长的影响。结果表明：选择合适的粉末名义配比，在最高熔化温度为880℃、样品移动速度为8mm／h的条件下处理样品，能够制得高度取向的Bi－2212晶体。但通过对该工艺Bi－2223相织构生长过程的研究，发现这种方法不利于2223相织构的生成。

高温超导体电流引线的最佳运行方式和稳定性

随着高温超导材料研究的进展，高温超导体电流引线也从实验室走向了实际应用，成为了超导磁体系统的关键组成部分。本文分析综述了正确使用高温超导体电流引线的重要性和与高温超导体电流引线相关的稳定性问题。

稀土高温超导体开发应用进展

介绍了稀土超导体的主要类别及ＹＢＣＯ的主要性质。

高温超导体组合薄膜和相图表征高通量方法

铜氧化物超导体和铁基高温超导体是已知的两类高温超导体,研究高温超导机理是如今超导领域最具有挑战性的前沿课题.构建高温超导的高维精确相图、寻找决定超导转变温度的关键物理量可以为高温超导机理做好实验铺垫.对于铜氧化物高温超导体,多种自由度的相互关联与耦合使其相图呈现出复杂性与多样性.现有的研究方法在构建高维“全息”相图及获取定量化物理规律等方面面临着难以克服的困难,而材料的高通量制备与表征技术可以在相图空间实现参量的线扫描甚至面扫描,有望快速建立可靠的高温超导高维相图和高温超导关键参量数据库,并从中提取重要的统计物理规律.本文从阳离子掺杂、母体氧掺杂、双电层晶体管(静电场/电化学)、磁场等几个调控维度,回顾了主要基于输运手段获得的铜氧化物电子态相图,介绍了基于脉冲激光沉积技术和分子束外延技术的组合薄膜生长方法以及与之匹配的跨尺度选区输运测量技术,展示了高通量技术在高温超导研究中的初步应用.高通量实验技术与超导研究结合,逐步形成了新兴的高通量超导研究范式,将在构建高维精确相图、突破高温超导机理、推进超导材料实用化等方面发挥不可替代的作用.