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物理所利用比热手段证明氧化物超导体正常态有

  存在使用比热来证明氧化物超导体电子库珀对的正常状态的物理手段

  近日,中国科学院物理研究所的科学家利用熵守恒方法证明,氧化物超导体不符合BCS相变特征,并在近期发表的“物理评论”第103期,067002(2009)中发表。在物理学领域,氧化物高温超导体的问题配对机制仍然是一个谜。对于一般的超导体来说,超导态由于电子的配对和聚集而具有能带隙,很好地保护了超导凝聚态在有限温度下的超电流特性,导致零电阻和反磁性行为。与传统的超导体不同,氧化物超导体(特别是较少掺杂的样品)远远超出超导转变温度,发生了能隙(称为伪间隙),但是宏观超导在较低温度下发生(见图1)。从而激发了很多机制模型的生成。在许多模型中,可以从超导体中分离出一大类伪隙。据认为,由于某些有序的阶段,如电荷密度波的阶次,伪隙只能与超导相竞争费米面上的态密度。超导转变仍然满足Bardeen-Cooper-Schrieffer提出的基本图像(BCS)。相比之下,伪能隙与电子配对强度相关联的能级与超导转变温度以上的明确的Cooper配对相对应。由于超流体电子浓度太小,超导温度不是由配对强度决定的,而是由相位刚度决定的,超导转变为非BCS型。以前有一些实验指出,在超导转变温度以上,超导电性可能会有很大的波动,如能斯特(Nernst)实验等。然而,关于超导预对的这些结论还没有通过反映反射体性质的熵保守实验来证明。熵是一个基本的物理量物理系统的秩序程度。所有的物理相变过程,如果反映在熵上面,都是非常有说服力的。由于熵是一个状态量,与中间过程无关。例如,对于传统的超导体,在超导转变发生的地方,沿着超导路径或正常路径(在表面磁场被破坏之后),熵测量应该是相等的。所谓的熵保存。对于氧化物高温超导体来说,测量与超导相关的熵是非常困难的。首先,上临界磁场非常高。一般的实验室磁场(约10特斯拉)不足以破坏宏观的超导性。其次,与超导有关的熵很小,难以测量。因此,要实现这一目标,首先要有一系列高质量的单晶低温超导转变温度,实验室磁场(约10特斯拉)来杀死它的宏观超导电性,另外,比热测量的准确度足以测量超导熵的微妙变化。一些国际组织曾经测量过氧化物超导体中与超导电性有关的比热和熵。英国剑桥大学的Loram小组和瑞士的Junod小组都做了很好的比热测量,但没有关于超导压实前后的熵差的报道,因为样品条件如高临界磁场和测量精度。近年来,海虎等自然科学研究所的研究人员对非常规超导体的低能量准粒子激发性质进行了深入研究。为了完成目前的工作,他们坚持制备高温超导单晶氧化物,并获得了一系列高质量的氧化物超导体单晶掺杂Bi2Sr2-xLaxCuO6,并进行了系统的研究工作。这一系列的样品具有较低的超导转变温度,这有助于在较低的磁场下破坏宏观的超导电性。 J. of Crys的文章中描述了相关的研究。增长305(2007)222; Supercond。科学。 TECHNOL。 21(2008)125024;物理学。 Rev. Lett。 101,207002(2008)。另外,在现有商业手段的基础上,不断创新。克服了许多技术难题后,在测量比热,减少系统误差方面取得了重要进展,达到了实验精度的要求。生理学。 Rev. B 76,064512(2007); PNAS 104,15259(2007);物理学。 Rev. B 72,134507 Rev. B 79,174501(2009)。基于这两个条件,他们成功地测量了Bi2Sr2-xLaxCuO6(Bi-2201)单晶上与超导电性有关的熵的变化。首次从熵方面证明了低掺杂氧化物超导体BCS物理图像的满足:在正常状态下,已经存在一些电子库珀对,超导转变对应于相位相干性的建立。他们的典型结果如图2所示。图2(a)和2(b)显示了两个低掺杂Bi-2201单晶样品。图2(c)显示了与超导有关的比热数据是纯Nb。可以看出,过掺杂样品在超导转变附近具有非常陡峭的跃迁行为,这与常规超导Nb的数据非常相似,并且在超导转变温度下计算的熵也保持不变(图3(c))。然而,对于欠掺杂的样品,超导转变温度下的比热过渡非常短,远低于BCS理论预测的值。掺杂越少,比热转换的高度越短,有趣的是在转变温度以上的温度区域中仍然存在长尾巴。计算出的熵在超导转变温度下并不守恒(图3(c))。这项工作的一个重要发现是,当所有上述转换都被考虑在内时,熵自动保存(图3(c))。考虑到从过掺杂到未掺杂的连续过渡,可以得出结论,电子耗尽的样品已经存在于远超过超导转变温度的欠掺杂样品的区域中。根据从比热数据绘制的相图,见图4,可以看出,在超导体的转变温度以上的大面积上存在与超导有关的熵。这种非BCS图像将在很多方面改变对基本超导性的理解。超导混凝能量的概念需要重新定义。超导凝聚不仅可以包括由于在转变温度以下的超导转变而导致的能量节省,而且在正常状态下形成库珀对已经降低了系统相当大的能量。如图3(d)所示,对于超导转变温度为11K的样品,由于形成预配对而降低到正常状态以上的能量约占全部系统内聚能的一半!从熵的角度来看,这项工作表明氧化物超导体的超导合并是非BCS型的。即使正常状态是费米弧或费米袋状金属状态,所谓的尖端金属状态,在超导转变温度以下,在这些重新开放的假人中可能存在超导间隙,而不是简单地BCS型超导相变。

  关键词:2008年度文学2009年技术金属

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