氧化物超導(dǎo)體研究獲得新進(jìn)展


        氧化物高溫超導(dǎo)體的配對(duì)機(jī)理問題至今仍然是個(gè)未解之謎。對(duì)于一般超導(dǎo)體，由于電子的配對(duì)和凝聚，超導(dǎo)態(tài)均具有一個(gè)能隙，它很好地保護(hù)超導(dǎo)凝聚態(tài)在有限溫度下的超流特性，從而出現(xiàn)零電阻和抗磁行為。與常規(guī)超導(dǎo)體不同，氧化物超導(dǎo)體（尤其是欠摻雜樣品）在遠(yuǎn)高于超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，能隙已經(jīng)出現(xiàn)（被稱為贗能隙），但是宏觀超導(dǎo)特性在一個(gè)較低溫度出現(xiàn)（見附圖1），因此激發(fā)了很多機(jī)理模型的產(chǎn)生。在眾多模型中，一大類把贗能隙與超導(dǎo)隔離開來(lái)，認(rèn)為贗能隙只是由于某些有序相，如電荷密度波序，與超導(dǎo)相競(jìng)爭(zhēng)費(fèi)米面上的態(tài)密度，因此超導(dǎo)轉(zhuǎn)變?nèi)匀粷M足1957年Bardeen-Cooper-Schrieffer（BCS）所提出的基本圖像。而與之相對(duì)立的圖像則認(rèn)為贗能隙對(duì)應(yīng)著與電子配對(duì)強(qiáng)度相關(guān)的能量尺度，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度之上有預(yù)配好的庫(kù)柏對(duì)。由于超流電子濃度太稀薄，因此超導(dǎo)溫度不是由配對(duì)強(qiáng)度所決定，而是由相位剛度(phase stiffness)決定，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變是非BCS型的。此前，部分實(shí)驗(yàn)已經(jīng)指出，在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度之上，可能存在強(qiáng)的漲落超導(dǎo)電性，如能斯特實(shí)驗(yàn)等等。但是，這些有關(guān)超導(dǎo)預(yù)配對(duì)的結(jié)論一直沒有得到反映體性質(zhì)的熵守恒實(shí)驗(yàn)的證明。
        熵是反映物理系統(tǒng)有序度的基本物理量。一切物理相變過(guò)程，如果在熵上面反映出來(lái)，均具有很強(qiáng)的說(shuō)服力。由于熵是一個(gè)狀態(tài)量，因此與中間過(guò)程無(wú)關(guān)。比如，對(duì)于常規(guī)超導(dǎo)體，沿超導(dǎo)路徑或正常態(tài)路徑（加高磁場(chǎng)破壞超導(dǎo)后）測(cè)量熵，那么在發(fā)生超導(dǎo)轉(zhuǎn)變的地方，熵應(yīng)該是相等的，即所謂熵守恒。對(duì)于氧化物高溫超導(dǎo)體，測(cè)量與超導(dǎo)相關(guān)的熵是極其困難的。首先，上臨界磁場(chǎng)很高，一般實(shí)驗(yàn)室磁場(chǎng)（10特斯拉左右）不足以破壞宏觀超導(dǎo)電性。其次，與超導(dǎo)相關(guān)的熵值很小，難于測(cè)量。因此要達(dá)到這個(gè)目的，首先，要有超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度很低的系列高質(zhì)量單晶，實(shí)驗(yàn)室磁場(chǎng)（10特斯拉左右）即可殺滅其宏觀超導(dǎo)電性，再者，比熱測(cè)量精度要提高，足以測(cè)量出超導(dǎo)熵的細(xì)微變化。國(guó)際上有些小組曾經(jīng)測(cè)量過(guò)氧化物超導(dǎo)體中與超導(dǎo)相關(guān)的比熱和熵。英國(guó)劍橋大學(xué)的Loram小組和瑞士的Junod小組均做過(guò)比熱的精細(xì)測(cè)量，但是由于受到樣品條件（如上臨界磁場(chǎng)較高，測(cè)量精度等）限制，未見有關(guān)超導(dǎo)壓制前后的熵差的報(bào)道。
                                
        最近幾年來(lái)，中科院物理研究所聞?；⒌妊芯咳藛T深入研究非常規(guī)超導(dǎo)體的低能準(zhǔn)粒子激發(fā)性質(zhì)。為了完成目前的工作，他們堅(jiān)持氧化物高溫超導(dǎo)單晶的制備，獲得了系列摻雜的高質(zhì)量氧化物超導(dǎo)體單晶Bi2Sr2-xLaxCuO6，開展了系統(tǒng)的研究工作。這個(gè)系列樣品超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度較低，便于用較低磁場(chǎng)破壞宏觀超導(dǎo)。相關(guān)研究?jī)?nèi)容見文獻(xiàn)《J. of Crys. Growth 305 (2007) 222；Supercond. Sci. Technol. 21 (2008) 125024；Phys. Rev. Lett. 101，207002 (2008)》。另外，他們?cè)诂F(xiàn)有商用儀器基礎(chǔ)上，不斷革新，在克服了諸多技術(shù)問題后，在比熱測(cè)量精度和降低系統(tǒng)誤差方面獲得重要進(jìn)展，達(dá)到了對(duì)實(shí)驗(yàn)精度的要求。相關(guān)研究?jī)?nèi)容見文獻(xiàn)《Phys. Rev. B 70》等。在這兩個(gè)條件基礎(chǔ)上，他們?cè)贐i2Sr2-xLaxCuO6（Bi-2201）單晶上成功測(cè)量出與超導(dǎo)相關(guān)的熵的變化，第一次從熵的角度，證明欠摻雜的氧化物超導(dǎo)體不滿足BCS物理圖像：在正常態(tài)已經(jīng)有部分電子庫(kù)柏對(duì)存在，而超導(dǎo)轉(zhuǎn)變則對(duì)應(yīng)相位相干特性的建立。
        他們的典型結(jié)果顯示在圖2中。圖2(a)和圖2(b)顯示的是兩個(gè)欠摻雜Bi-2201單晶樣品，圖2(c)是過(guò)摻雜樣品與超導(dǎo)相關(guān)的比熱數(shù)據(jù)，圖2(d)顯示的是純Nb的數(shù)據(jù)?？梢钥闯?，非過(guò)摻雜的樣品在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變附近具有非常陡峭的轉(zhuǎn)變行為，與常規(guī)超導(dǎo)體Nb的數(shù)據(jù)非常類似，所計(jì)算的熵也在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度處守恒（圖3(c)）。但是，對(duì)于欠摻雜的樣品，其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度處的比熱跳變高度很矮，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于BCS理論預(yù)言的值。越到欠摻雜，比熱跳變高度越矮，有趣的是在轉(zhuǎn)變溫度以上很高的溫區(qū)仍然有一個(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)的尾巴。所計(jì)算的熵在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度處不守恒（圖3(c)）。本工作的一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)是，當(dāng)把超導(dǎo)轉(zhuǎn)變以上的部分均考慮在內(nèi)時(shí)，熵會(huì)自動(dòng)守恒（圖3(c)）。聯(lián)想到從過(guò)摻雜到欠摻雜的連續(xù)過(guò)渡規(guī)律，可以認(rèn)定，欠摻雜的樣品在遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的區(qū)域已經(jīng)存在電子庫(kù)柏對(duì)了。根據(jù)比熱數(shù)據(jù)所畫出的相圖（見圖4），可見在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度以上的大面積范圍內(nèi)有與超導(dǎo)相關(guān)的熵。這樣一個(gè)非BCS圖像將在很多方面改變對(duì)超導(dǎo)基本特性的理解，如超導(dǎo)凝聚能的概念需要重新定義。超導(dǎo)凝聚能不僅包含有轉(zhuǎn)變溫度以下由于發(fā)生超導(dǎo)相變而節(jié)省的能量，在正常態(tài)庫(kù)柏對(duì)的形成已經(jīng)降低了系統(tǒng)相當(dāng)多的能量。如圖3(d)所示，對(duì)于超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為11K的樣品，正常態(tài)以上由于形成預(yù)配對(duì)而降低的能量占到系統(tǒng)總凝聚能的一半左右！這個(gè)工作從熵的角度說(shuō)明，氧化物超導(dǎo)體的超導(dǎo)凝聚過(guò)程是非BCS型的。即便正常態(tài)是費(fèi)米弧或者費(fèi)米口袋金屬態(tài)，即所謂小費(fèi)米面金屬態(tài)，在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度以下，可能在這些小費(fèi)米面上有超導(dǎo)能隙重新打開，也不能簡(jiǎn)單把它看成是一個(gè)BCS型超導(dǎo)相變。                          責(zé)編/陳玉萍