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。

高压调控的磁性量子临界点和非常规超导电性

通过化学掺杂或者施加高压等调控手段抑制长程磁有序可以实现磁性量子临界点,在其附近往往伴随出现诸如非费米液体行为或者非常规超导电性等奇特物理现象.相比于化学掺杂,高压调控具有不引入晶格无序和精细调控等优点.利用能提供良好静水压环境的立方六面砧和活塞-圆筒高压低温测量装置,首先系统研究了具有双螺旋磁有序结构的CrAs和MnP单晶的高压电输运行为,分别在P_c≈0.8 GPa和8 GPa实现了它们的磁性量子临界点,并在P_c附近分别观察到T_c=2 K和1 K的超导电性,相继实现了铬基和锰基化合物超导体零的突破;然后,详细测量了FeSe单晶高压下的电阻率和交流磁化率,绘制了详尽的温度-压力相图,揭示了电子向列序、长程反铁磁序和超导相之间的相互竞争关系,特别是在接近磁有序消失的临界点P_c≈6GPa附近观察到T_c^(max)=38.5K的高温超导电性,表明临界反铁磁涨落对FeSe中的高温超导电性起重要作用.

自旋涨落与非常规超导配对

铜氧化物高温超导、铁基高温超导、重费米子超导和k-型层状有机超导等超导体的超导态都与磁性有序态相邻,且超导能隙在动量空间一般存在变号.因此,这些超导体的超导机理被认为有别于常规BCS超导中的电子交换声子导致的各向同性s-波配对.在这些非常规超导中,自旋涨落被认为是导致电子形成库珀对的主要起源之一.本文主要以铜基和铁基高温超导为例简要综述非常规超导中的自旋序和自旋涨落性质,二维哈伯徳模型中超导的起因及在解释铜基和铁基高温超导配对对称性的应用,以及与非常规超导紧密相关的中子自旋共振模性质和理论解释.我们认为,尽管磁性和超导性的相互影响已经过多年研究,但仍是当前一个富有挑战的活跃研究领域.

上海光机所在超导拓扑绝缘体CuxBi2Se3的非常规超导电性研究中取得进展

近日,中国科学院上海光学精密机械研究所微纳光电子功能材料实验室与复旦大学、北京高压科学研究中心、南京航空航天大学等合作,在超导拓扑绝缘体CuxBi2Se3的超导机理研究方面取得进展,成功生长出目前该体系最高超导转变温度的单晶样品(Tc=4.18K),进一步系统的电、磁输运性质研究表明该体系属于掺杂半导体家族中的非常规超导体,为铋硒基拓扑材料的超导机理研究作了重要补充。

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。

非常规超导体的核磁共振研究新进展

核磁共振作为一种重要的谱学研究手段,在非常规超导体的机理研究中发挥了极其重要的作用.近年来随着新型非常规超导材料的发现,对应的核磁共振研究也有了许多新的进展,这些工作对非常规超导电性的机理研究起到了积极的推动作用.本文将就核磁共振技术在奇宇称超导体、铜基高温超导体和笼目结构超导体这三类超导材料中的若干最新研究进展进行一个有针对性的概述和梳理.在奇宇称超导体研究方面,将重点介绍铬基超导家族A_(2)Cr_(3)As_(3)中铁磁量子临界点顺磁侧的超导相图的研究和自旋三重态超导的实验证据,非中心超导体YPtBi中反铁磁自旋涨落及非常规的自旋单态和自旋三重态混合的超导态的发现.在铜氧化物超导体和笼目结构超导体研究方面,将重点介绍YBa_(2)Cu_(3)O_(y)中强磁场诱导的电荷密度波序出现3倍晶胞(λ=3b)公度性的微观实验证据,笼目结构超导体CsV_(3)Sb_5中电荷密度波序和电子关联随压力的演化.希望本文对后续超导电性的机理研究、材料探索及实际应用能起到一些启示作用.

非常规超导材料电子结构和超导机制研究

非常规超导体的超导机制是凝聚态物理领域的核心科学问题,明确其超导机制对发展新的量子固体理论、探索新的超导体和超导应用具有重要意义。超导展现的宏观量子现象由其微观的电子结构决定,因此超导材料电子结构的研究对理解超导机制具有重要作用。从非常规超导材料的制备与物性研究入手,利用超高压极低温强磁场综合物性研究平台、球差校正高分辨透射显微技术、真空紫外激光角分辨光电子能谱技术等,结合强关联电子系统相关理论,系统研究非常规超导材料的电子结构和超导电性,结果发现一系列新的超导体,揭示许多实验原理,为理解非常规超导材料的超导机制提供了重要依据。

非常规超导体的中子散射研究

非常规超导机理仍然是一个未解之谜,它是凝聚态物理研究的重要课题。非常规超导电性大多发生在磁不稳态附近,所以确定非常规超导体的磁结构和磁激发行为对理解其超导机制非常关键。中子带有磁矩,是探测超导体磁性的有力工具。文章将以本课题组近年来开展的工作为例,介绍几种中子散射技术在研究非常规超导体的晶体结构和磁关联行为以及超导配对对称性方面的应用。

探索非常规高温超导体

近年来,在理解铜基和铁基非常规高温超导体共性的基础上,提出了非常规高温超导体电子结构基因的概念,指出实现高温超导,需要“参与强反铁磁超交换耦合的d电子轨道独立于其他轨道单独出现在费米能级附近”.本文总结这方面的进展,讨论几类满足高温超导基因的结构以及和此类基因匹配的可能材料,探讨寻找非常规高温超导体新体系的可能性.

超导电性理论特征

超导材料的种类非常广泛,有单质金属、合金材料、有机化合物、非金属单质、金属与非金属掺杂材料、金属氧化物等。从超导电性特征又分为非常规超导材料和常规超导材料。因此从超导电性的起源研究超导电性理论的特征具有重要的意义,既是重要的理论研究,又对合成、制备各种新型超导材料具有指导意义。分析研究了超导电性的本征特点,分别从超导的基本物理图像、同位素效应、超导转变温度计算公式表示等方面给出了常规超导体和非常规超导体的全面描述。同时理论上计算了一种有机复合超导材料。

四方相FeS超导体的高压调控研究

高压调控在提高铁基超导体的临界温度(T_(c))、揭示竞争电子序之间的联系以及超导机理等方面发挥了重要作用。大量的高压研究结果显示,不同的压力环境(静水压或非静水压)会造成材料物性的高压响应出现明显差异。目前,对四方相FeS超导体的高压研究结果仍存在分歧。为此,采用能够产生良好静水压环境的活塞-圆筒和六面砧压腔,详细测量了FeS单晶在0~11 GPa压力范围内的磁化率和电阻率,确认其T_(c)随压力升高而单调降低,压力系数dT_(c)/dp约为−1.5 K/GPa,即约3 GPa的压力可完全抑制超导。当FeS单晶在4~5 GPa发生四方-六角结构相变时,电阻率的温度依赖关系由金属行为转变为半导体行为,且电阻率随着压力升高而逐步增大,在11 GPa以内没有出现第2个超导相,因此不支持FeS在高压下具有两个超导相的结论。最后,结合微观晶体结构信息,对比讨论了等结构的FeSe和FeS的物性在高压下迥异响应的物理机制。

FeSe基超导体的探索与物性研究

自从2008年铁基超导体发现以来,人们探索并发现了一系列的铁基高温超导材料,其中FeSe基超导体因其具有的独特性质而引起了人们的广泛关注.本文主要介绍了两类新的铁基超导体,即水热合成法合成的(Li,Fe)OHFeSe及电化学插层方法合成的(CTA)_xFeSe的晶体结构及超导性质;对近年发展起来的利用电双层场效应晶体管技术以及固态离子导体调控FeSe的电子态性质的研究做了简要介绍.

拓扑材料中的超导

近来,人们在凝聚态体系中发现了由拓扑不变量定义的物相,其中最重要的有拓扑绝缘体、拓扑半金属和拓扑超导体等.这些物相的拓扑性质由非平凡的拓扑数描述,相应的材料被称为拓扑材料,具有诸多新奇的物理特性.其中拓扑超导体由于边界上有满足非阿贝尔统计的Majorana零能模,成为实现拓扑量子计算的主要候选材料.除了探索本征的拓扑超导体外,由于拓扑性质上的相似性,在不超导的拓扑材料中调制出超导自然成为了实现拓扑超导的重要手段.目前,人们发展了栅极调制、掺杂、高压、近邻效应调制和硬针尖点接触等多种技术,已经成功地在许多拓扑绝缘体和半金属中诱导出了超导,并对超导的拓扑性和Majorana零能模进行了研究.本文回顾了本征拓扑超导候选材料,以及拓扑绝缘体和半金属中诱导出超导的代表性工作,评述了不同实验手段的优势和缺陷、分析了其超导拓扑性的证据,并提出展望.

百年超导

克服地球引力束缚，自由地翱翔于蓝天白云间一直是人类的梦想。从绑上翅膀的“鸟人”到飞机、火箭、空间站，人类遨游天空的奇思妙想，不断被日新月异的科技所实现甚至超越。影片《阿凡达》向人们展现了梦幻般悬浮着的哈里路亚山，

铁基超导体的扫描隧道显微镜研究进展

铁基高温超导体自2008年发现以来,对其超导电性的研究一直是一个热门的课题.扫描隧道显微镜能够在原子尺度进行表面形貌和隧道谱测量,从微观角度研究电子态密度的信息,是研究超导的重要谱学手段.近年来,在铁基超导电性方面,扫描隧道显微镜实验已经积累了一些有价值的结果,本文进行了总结介绍.铁基超导体是多带多超导能隙的超导体,不同材料的费米面结构有很大的变化.扫描隧道显微镜证明,同时有电子和空穴费米面最佳掺杂的铁基样品超导能隙结构是无节点并带有能隙符号变化的s~±波.而进一步的实验发现在没有空穴费米面的FeSe基超导体中也存在能隙符号的相反,对统一铁基超导体的配对对称性提供了重要实验证据.此外,扫描隧道显微镜在研究铁基超导体的电子向列相、浅能带特性、可能的拓扑特性方面,提供了重要的实验数据.本文对上述相关内容进行了总结,并做了相应分析和讨论.

镍氧化物超导研究--非常规高温超导研究的重要启示

最近几年,镍基氧化物超导材料方面的研究进展吸引了广大科研工作者的密切关注,其原因是镍基超导的母体RNi O2(R为稀土元素)与铜氧化物高温超导母体之一Ca Cu O2具有相似的晶体结构,而且其最外层轨道电子排布(3d^(9))与众多的铜氧化物超导体的母体相似。因此,对相关镍氧化物进行深入的探索和研究,可以帮助我们进一步理解非常规高温超导的物理起源。文章对近年来镍基超导材料的发展进行了概述,主要包括镍基薄膜中超导电性的发现;112相的晶体结构和电子结构;薄膜生长条件的优化及相关研究进展和相图。最后,对镍基超导材料的发展给出简要总结和展望。

超导材料中发现新量子临界性

物理学家组织网报道称,利用固态核磁共振(ssNMR)技术,美国能源部艾姆斯实验室科学家在超导材料中发现一种新的量子临界性,有助于更好理解磁性与非常规超导性之间的联系。大多数铁—砷超导体都显示出磁性和结构(也被称为向列)转变,但这种转变在超导状态中起什么作用,让科学家很费解。此次,艾姆斯实验室制造的包含钙、钾、铁和砷以及少量镍的CaK(Fe1-xNix)4As4化合物,呈现出被称为刺猬自旋新磁态——无向列跃迁的晶体反铁磁态。

稀土化合物La_3Co临界点的热力学分析

对La3Co的超导转变温度随磁场的变化关系以及比热随温度的变化关系进行了热力学分析,得出了该材料在临界点的热力学临界磁场、吉布斯函数、熵以及比热突变的表达式。

重费米子材料与物理

作为典型的强关联电子体系,重费米子材料表现出丰富的量子基态,如反铁磁序、铁磁序、非常规超导、非费米液体、自旋液体、轨道序和拓扑态等.相比其他强关联电子体系,重费米子体系的特征能量尺度低,可以通过压力、磁场或掺杂等参量对不同量子态进行连续调控,因而是研究量子相变、超导及其相互作用的理想体系.本文简要介绍重费米子研究的发展历史和国内外研究现状,概述几类典型的重费米子材料,并简单阐述重费米子超导、量子相变和强关联拓扑态等前沿科学问题.

发现磁性氧化物异质结中的超导条纹相

非常规超导电性是凝聚态物理学领域重要的研究方向,目前学术界普遍认为非常规超导配对的形成与磁性密切相关.在铜氧化物和铁基高温超导体中,超导电性在相图中都发生在磁有序态附近,而超导与磁性的相互作用则会导致更为奇特的演生现象或物态.