English
聯系我們
網站地圖
郵箱
舊版回顧



物理所發現銅基高溫超導新材料

文章來源:物理研究所   發布時間:2019-08-13  【字號:     】  

  銅氧化物高溫超導體(簡稱銅基超導)是常壓條件下迄今轉變溫度最高的超導材料體系,對它的微觀機制破解入選Science 125个重大科学难题,目前依然是凝聚态物质科学最大的谜团和挑战之一。由于铜基超导体很强的Jahn Teller效应和层间库伦作用,沿c方向的銅氧鍵長大于銅氧平面內的鍵長,導致基本電子構型的銅氧六配位八面體呈現拉伸狀態。對于拉伸型的配位結構,銅的3d x2y2 軌道位于3z2-r2轨道之上,且和面内氧的2P轨道强烈杂化。这个图像构成对铜基超导材料认识的出发点(参阅:Keimer et al Nature 518, 179~186 (2015))。

  中國科學院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心极端条件物理重点实验室研究员靳常青与合作者长期开展铜基超导材料新结构的设计和高压合成,研究对象集中在铜和碱土氧化物体系,这是能够形成铜基超导基本结构的最简单化学组分。选择这个简单组分的独到之处在于既可聚焦产生铜基超导的核心要素,又可回避铜基超导材料在常压制备需要的稀土、铋、汞等昂贵和有毒元素,有助于新材料的进一步应用拓展。运用高压高温制备技术,他们相继发现了“铜系”(Physica C 223, 238 (1994); Phys. Rev. B 61, 778(2000)); 中國科學48, 87405 (2018))、“顶角氧”掺杂系(Nature 375, 301(1995); Phys. Rev. B 74 , 100506(R) (2006); Phys. Rev. B 80, 94523 (2009)(Editor’s Suggestion))等具有新结构的铜基超导材料体系。其中“铜系”超导材料的Tc可高达118K,并入选《科學通報》纪念液氮温区超导材料发现30周年纪念专辑的封面(科學通報 62, 3947(2017)),团队20余年围绕铜基超导新材料的系统研究在国际上已形成自己的特色。

  通過十萬巴級超高氧壓合成技術的創新(MRS Advances 2, 2587 (2017)),靳常青指导研究生李文敏制备发现了一类全新的超导材料Ba2CuO4-y。这是目前唯一呈现压缩型铜氧局域配位的铜基超导材料。对于压缩型配位构型,铜的3d 3z2-r2軌道將位于x2-y2軌道之上,顯著有別于“傳統”拉伸型配位的軌道序。X射線吸收譜實驗表明,Ba2CuO4-y超導體處于超過摻雜區,對應“傳統”銅基超導體的非超導相區。現有主流理論認爲,壓縮型配位構型、超過摻雜載流子濃度、以及可能的特殊的面內結構都不利于超導,Ba2CuO4-y仍然表現出了具有高達73K的超導轉變溫度。與基本晶體結構相同,具有正常軌道序的La2CuO4體系相比,Ba2CuO4-y的Tc提高了80%以上。這些實驗現象表明,不同于以往傳統類型,Ba2CuO4-y属于一类全新的铜基超导材料。以上工作近期发表在《美国国家科学院院刊》上(W. M. Li et al. PNAS 116, 12156 (2019))。美國科學院院士、巴丁獎得主,著名超導理論專家Scalapino教授以《高溫超導家族不同分支》(A different branch of the high Tc family)为题,在同期撰写專題评介。美国国家标准局教授Q.Z.Huang、德国马普物理化学研究所教授Z.W.Hu、美国哥伦比亚大学教授Uemura在中子衍射、光电子吸收谱和uSR谱等实验表征上给予密切合作,美国佛罗里达大学教授Stewart、日本东京大学教授Uchida参与了实验结果讨论;研究工作得到国家重大研发计划和基金委重大國際合作项目的资助。

  論文链接

    評論鏈接

    图1. 具有单层铜氧面结构的铜基超导材料的面内氧和顶角氧的铜氧键长、铜氧配位构型、铜的3d x2y2和3z2-r2軌道相對順序。其中La系、Bi系、Tl(Hg)系的頂角氧距離大于面內銅氧鍵長,呈現拉伸型銅氧六配位構型,導致3dx2-y2軌道居于3dz2軌道之上。Ba214的面內銅氧鍵長大于頂角氧距離,形成目前唯一的壓縮型銅氧配位構型,導致3dz2軌道居于3dx2-y2軌道之上。

    图2. 通过X射线吸收谱测得掺杂浓度。(A) Ba214 and LSCO[x = 0 (blue) and 0.15 (red)]的氧K边吸收谱,U和H分别源于O1s芯能级至铜的上Hubbard带和掺杂空穴态,对应于Cu2+態和Cu3+态 (即Zhang Rice单态)。(B) Ba2CuO3.2、过掺杂的LSCO(x = 0.34)和LaCuO3的銅L邊吸收譜,表明Ba2CuO3.2銅的價態處于超過摻雜狀態。




(責任編輯:葉瑞優)

附件:

專題推荐

相關新聞


© 1996 - 中國科學院 版权所有 京ICP備05002857號  京公網安備110402500047號  聯系我們

地址:北京市三里河路52号 邮编:100864