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磁致高温超导电性的微观理论.PDF

发布:2017-08-04约1.82万字共5页下载文档
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磁致高温超导电性的微观理论 江金环* 北京工业大学应用数理学院,100124 摘要:本文提出四条理想化假设,建立了磁致配对高温超导体的微观理论。第一,高温超导体中只有极少 数电子(或空穴)参与超导导电,超导电子密度为2 ;第二,高温超导体中导致超导的相互作用是电子自 旋间的磁相互作用;第三,磁致高温超导体理论的物理态有:同格点双占据态 (↑↓,形成反铁磁绝缘相), 不同格点双占据态 (↑↓,形成超导相),单占据态 (↑或↓,形成正常态),和空位;第四,高温超导体中电 子(或空穴)的平均动能遵从能量均分定理。根据上述假设,给出了描述高温超导体的微观哈密顿量;推 导出了高温超导转变温度 和掺杂δ的抛物线型关系,解释了铜氧化物高温超导体的相图;确定了 和反铁 磁作用势能J (或临界磁场 )以及电子自由度 的关系。根据此理论计算,YBa Cu O 的Tc=92.8K ,其实 2 3 6.15 验值为92K ;La CuO 的 =40.3K ,其实验值为40K ;SmOF As 的 =58K ,其实验值为54K 。根据此理论 2 4 e 估计,二维薄层超导体比三维块状超导体的 高,并且SmOF As 的 可以达到116K。 e 关键词:磁相互作用;超导转变温度;高温超导体;微观理论 1.磁致高温超导理论的四个理想化假设 1911 年,Onnes 发现在4.2K 附近汞的电阻突变为零[1]。超导体失去电阻时的温度为超 导转变温度 。1914 年,Onnes 还发现超导态可以被外加磁场破坏[2]。当外加磁场大于临 界磁场 时,超导态被破坏而转变为正常态。1957 年,Bardeen 、Cooper 和Schrieffer 建立 了超导的微观BCS 理论[3] 。在BCS 理论中,费米面附近的电子通过电子-声子相互作用形 成束缚态(即Cooper 对),从而降低系统能量。电子两两配对后具有玻色子的特征,发生玻 色-爱因斯坦凝聚形成超导。到目前为止,所有的超导体中都证明存在Cooper 对,拆对是破 坏超导电性的主要原因[4] 。拆对所需能量即为Cooper 对束缚能,是BCS 超导能隙∆ 的两倍。 BCS 超导能隙是超导体重要的能量尺度,超导转变温度 由超导能隙∆所决定。由于电子-声 子机制所导致的超导转变温度不超过40K,因此这类超导体称为低温超导体。下面简单介绍 高温超导体的实验和理论进展。 1986 年,瑞士两位科学家Bednorz 和Müller 发现氧化物陶瓷材料的起始转变温度大约 为30K[5] 。同年,中国、日本和美国的三个独立小组研究结果表明确实在铜氧化物材料中存 在转变温度高于40K 的超导电性。超导转变温度在短时间内由40K 提高到了高压下的163K, 这类超导体称为铜氧化物高温超导体。目前铁基超导体的转变温度 已超过50K[6] 。铜氧化 物高温超导体在未掺杂时是反铁磁绝缘体,是强关联电子系统。典型的铜氧化物高温超导相 图为:高温超导材料在低掺杂 是反铁磁绝缘体,当掺杂达到一定浓度后超导才出现。最高  处的掺杂称为最佳掺杂; 开始时随掺杂浓度增加而升高(为欠掺杂区),达到最高 后, 随掺杂浓度的
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