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非常規超導量子態的構筑與精密測量 版權信息
- ISBN：9787030727558
- 條形碼：9787030727558 ; 978-7-03-072755-8
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
非常規超導量子態的構筑與精密測量 內容簡介
超導是極少數奇妙的宏觀量子現象，電子在超導態構成了庫伯對，并具有相同的相位，因此呈現出零電阻和排斥磁場等神奇的宏觀性質，引起了人們極大的興趣。上世紀七十年代末發現的重費米子超導、八十年代發現的銅氧化物高溫超導、以及2008年發現的鐵基超導等，用傳統的BCS理論似乎無法解釋，而磁性被認為是配對的主要機制，這些材料被統稱為非常規超導。鐵基超導發現后的十年中，我國科學家在其材料、理論、實驗和應用這幾方面的研究中都取得了很多重要的進展。為了反映本領域的科研前沿，本書收集了基金委重大研究計劃部分項目的成果，這些內容是超導相關研究的一個小結，也可以看作是我國超導電性研究的一個局部縮影。
非常規超導量子態的構筑與精密測量 目錄
目錄
叢書序
前言
第1章 非常規高溫超導體的電子結構基因 1
1.1 引言 1
1.2 關于非常規高溫超導的問題 3
1.3 對**個問題的假設 3
1.3.1 銅氧化物超導體的情況 4
1.3.2 鐵基超導體的情況 5
1.4 第二個問題的答案 7
1.4.1 非常規高溫超導體的條件和規則 7
1.4.2 銅氧化物超導體的情況 8
1.4.3 鐵基超導體的情況 9
1.5 第三個問題的答案 11
1.5.1 八面體/四面體配位體和正方晶格對稱性 11
1.5.2 基于d7填充三角雙錐配位形成的三角/六角二維晶格 11
1.5.3 基于d7填充的四面體共享頂角形成的鈷基正方二維晶格 13
1.5.4 基于d8填充的八面體邊角共享形成的鎳基正方二維晶格 15
1.6 本章小結 16
參考文獻 17
第2章 新型非常規超導體的發現 20
2.1 CrAs的超導電性發現及非常規超導電性研究 20
2.1.1 CrAs的基本結構和物性 20
2.1.2 CrAs超導體的發現 25
2.1.3 CrAs相圖和非常規超導電性研究 27
2.1.4 CrAs相關體系超導電性的實驗進展 33
2.2 MnP的超導電性發現及量子臨界行為研究 34
2.2.1 MnP的晶體結構和磁性 34
2.2.2 MnP超導電性的發現 34
2.2.3 MnP壓力–溫度相圖和量子臨界行為 36
2.3 本章小結 41
參考文獻 42
第3章 激光角分辨光電子能譜對高溫超導體電子結構和超導電性的研究 46
3.1 深紫外激光角分辨光電子能譜 46
3.1.1 角分辨光電子能譜的原理 46
3.1.2 深紫外激光角分辨光電子能譜 47
3.2 深紫外激光光電子能譜對超導機理的研究 48
3.2.1 高溫超導體的奇異正常態特性 49
3.2.2 高溫超導體的超導能隙對稱性 54
3.2.3 多體相互作用和電子耦合譜函數的獲取 64
3.3 本章小結 77
參考文獻 77
第4章 鐵基化合物超導電性的壓力調控 81
4.1 緒論 81
4.2 高壓量子調控主要技術與基本理論簡介 82
4.3 鐵砷基超導體高壓量子調控 84
4.3.1 高壓研究對常壓化學摻雜提升超導轉變溫度的啟示 84
4.3.2 高壓研究揭示的鐵砷基超導轉變溫度上限 85
4.3.3 壓力導致的鐵砷化合物中超導量子態的構筑 86
4.3.4 壓力下磁有序–超導態雙臨界點的發現 88
4.3.5 壓致價態變化對超導電性的影響 90
4.3.6 小結 91
4.4 鐵硒基超導體高壓量子調控 92
4.4.1 壓力導致的超導再進入現象 93
4.4.2 壓力驅動的量子相變 94
4.4.3 壓力調控揭示的超晶格絕緣相與超導電性的關聯性 97
4.4.4 化學負壓力對超導電性的影響 97
4.4.5 高壓研究揭示的超晶格與磁性的關系 100
4.4.6 小結 101
4.5 本章小結 103
參考文獻 104
第5章 “111”體系鐵基超導材料：性能、調控和非常規物態構筑 120
5.1 “111”體系母體相結構和性質 120
5.2 LiFeAs材料摻雜和性能調控 124
5.2.1 摻雜對LiFeAs超導溫度的影響 124
5.2.2 摻雜對LiFeAs正常態性質的影響 127
5.3 NaFeAs摻雜材料超導性質 130
5.4 LiFeP材料超導特性 131
5.5 壓力誘發的“111”體系超導溫度上升 133
5.5.1 高壓實驗技術 133
5.5.2 壓力對LiFeAs和LiFeP超導的影響 135
5.5.3 壓力對NaFeAs超導的影響 136
5.6 LiFeAs超導材料的拓撲特性 139
5.7 從“111”體系超導材料到“111”體系稀磁半導體材料 140
5.8 “111”體系構筑多功能非常規磁電材料前景 142
參考文獻 143
第6章 極低溫熱導率探測鐵基超導體的超導量子態 150
6.1 鐵基超導體簡介 150
6.2 極低溫熱導率如何探測能隙結構 151
6.3 極低溫熱導率對122體系的研究 154
6.3.1 空穴型K-Ba122超導體及其衍生型 154
6.3.2 電子型Ni-Ba122超導體 161
6.3.3 電子型Co-Ba122超導體 162
6.3.4 同價摻雜的P-Ba122超導體 165
6.3.5 同價摻雜的Ru-Ba122超導體 168
6.4 極低溫熱導率對111體系的研究 169
6.4.1 LiFeAs 169
6.4.2 NaFe1-xCoxAs 171
6.5 極低溫熱導率對11體系的研究 172
6.5.1 FeSex 173
6.5.2 FeS 175
6.6 極低溫熱導率對1111體系的研究 175
6.6.1 LaFePO 176
參考文獻 178
第7章 FeSe界面超導的構筑與機理研究 184
7.1 單層 FeSe/SrTiO3界面超導的構筑和基本性質 185
7.1.1 FeSe/SrTiO3界面超導的發現 185
7.1.2 生長流程 186
7.1.3 對于界面超導Tc的表征 187
7.1.4 界面形貌與原子結構 189
7.2 單層FeSe/SrTiO3的電子結構與超導能隙 190
7.2.1 單層FeSe/SrTiO3電子結構及其特殊性 190
7.2.2 FeSe能帶結構隨薄膜厚度的演變 196
7.2.3 超導能隙對稱性研究 200
7.3 界面超導機理研究 206
7.3.1 單層FeSe/STO界面的應力調控 207
7.3.2 單層FeSe的界面材料調控 211
7.3.3 FeSe厚膜的載流子摻雜調控 216
7.3.4 FeSe薄膜表面K摻雜的厚度依賴研究 223
7.3.5 界面電聲子耦合對超導的作用 228
7.4 本章小結 231
參考文獻 233
第8章 鐵基高溫超導材料中的對稱破缺態和能隙各向異性 241
8.1 鐵基高溫超導材料中的對稱破缺態 241
8.1.1 鐵基超導體中的磁有序和向列序 241
8.1.2 電子結構復雜性、孿晶、表面態 243
8.1.3 向列序下的能帶結構重構 246
8.1.4 磁有序下的能隙與其軌道依賴性 250
8.2 鐵基高溫超導材料中的能隙各向異性 253
8.2.1 費米面拓撲與配對對稱性 254
8.2.2 空穴電子型鐵基超導材料中的能隙結構和節點 256
8.2.3 重電子摻雜型鐵硒超導中的能隙各向異性 260
8.3 本章小結 264
參考文獻 264
第9章 FeSe類超導體的中子散射研究 268
9.1 中子散射實驗技術與原理 268
9.1.1 中子散射技術背景 268
9.1.2 中子微分散射截面 269
9.1.3 中子源與中子散射譜儀 271
9.2 鐵基超導體基本結構與磁性介紹 272
9.2.1 晶體結構和磁結構 272
9.2.2 局域與巡游磁性 275
9.2.3 超導自旋共振態 277
9.3 FeSe的磁性基態及其與向列序和超導的耦合 278
9.3.1 FeSe中的超導自旋共振態 278
9.3.2 FeSe的磁性基態及其與向列序的耦合 280
9.4 KxFe2-ySe2母體的磁結構與磁激發 284
9.4.1 KxFe2-ySe2母體的磁結構 284
9.4.2 KxFe2-ySe2母體的磁激發 285
9.5 重電子摻雜FeSe超導體的自旋共振峰與超導配對對稱性 288
9.5.1 重電子摻雜FeSe超導體的配對對稱性 288
9.5.2 S 摻雜KxFe1-ySe2超導體中超導配對對稱性的演化 290
9.6 重電子摻雜鐵硒類超導體中的磁激發 293
9.6.1 Li0.8Fe0.2ODFeSe超導體的磁激發色散關系 293
參考文獻 296
第10章 鐵基超導材料的核磁共振研究 303
10.1 凝聚態核磁共振 303
10.1.1 原子核體系的哈密頓量 304
10.1.2 譜學分析 305
10.1.3 原子核弛豫分析 310
10.1.4 自旋–晶格弛豫 311
10.1.5 自旋–自旋弛豫 313
10.1.6 超導配對對稱性和核磁共振 314
10.1.7 超導態下的奈特位移：自旋配對性質 314
10.1.8 超導態下的自旋晶格弛豫率：超導能隙對稱性 316
10.2 KFe2Se2中非常規的自旋單態配對 318
10.2.1 自旋單態配對 318
10.2.2 非常規軌道配對對稱性 321
10.3 FeSe中的向列序和高壓磁結構 323
10.3.1 FeSe的高壓磁結構 324
10.3.2 FeSe中的低能自旋漲落 327
10.3.3 FeSe的電子向列相隨壓強的變化 331
10.3.4 總結與討論 335
10.4 KFe2As2中可能的電荷序 336
10.4.1 KFe2As2中As的核磁共振譜 336
10.4.2 *高壓下的對稱性破缺——可能的電荷序 338
10.4.3 討論和總結 340
10.5 鐵基超導材料中超導電性與反鐵磁序的共存與競爭 340
10.5.1 Ba（Fe0.77Ru0.23）2As2中超導電性與反鐵磁序的微觀共存 341
參考文獻 347
第11章 重費米子材料與物理 354
11.1 重費米子的發展歷史及研究現狀 354
11.2 幾類典型的重費米子材料 356
11.2.1 鈰基重費米子化合物 356
11.3 鐿基重費米子化合物 359
11.4 鈾基重費米子化合物 360
11.5 重費米子體系中的前沿科學問題 361
11.5.1 重費米子超導 362
11.5.2 重費米子超導序參量的對稱性 363
11.5.3 重費米子超導與其他競爭序的相互作用 365
11.6 量子相變 366
11.6.1 多參量調控的反鐵磁量子相變 367
11.6.2 電子不同自由度的量子相變 369
11.7 強關聯拓撲態 369
11.7.1 拓撲近藤絕緣體 370
11.7.2 拓撲近藤半金屬 370
11.8 其他類型的新穎量子態 371
11.8.1 重費米子材料URu2Si2的隱藏序 372
11.8.2 重費米子阻挫體系中的奇異態 373
11.8.3 C
叢書序
前言
第1章 非常規高溫超導體的電子結構基因 1
1.1 引言 1
1.2 關于非常規高溫超導的問題 3
1.3 對**個問題的假設 3
1.3.1 銅氧化物超導體的情況 4
1.3.2 鐵基超導體的情況 5
1.4 第二個問題的答案 7
1.4.1 非常規高溫超導體的條件和規則 7
1.4.2 銅氧化物超導體的情況 8
1.4.3 鐵基超導體的情況 9
1.5 第三個問題的答案 11
1.5.1 八面體/四面體配位體和正方晶格對稱性 11
1.5.2 基于d7填充三角雙錐配位形成的三角/六角二維晶格 11
1.5.3 基于d7填充的四面體共享頂角形成的鈷基正方二維晶格 13
1.5.4 基于d8填充的八面體邊角共享形成的鎳基正方二維晶格 15
1.6 本章小結 16
參考文獻 17
第2章 新型非常規超導體的發現 20
2.1 CrAs的超導電性發現及非常規超導電性研究 20
2.1.1 CrAs的基本結構和物性 20
2.1.2 CrAs超導體的發現 25
2.1.3 CrAs相圖和非常規超導電性研究 27
2.1.4 CrAs相關體系超導電性的實驗進展 33
2.2 MnP的超導電性發現及量子臨界行為研究 34
2.2.1 MnP的晶體結構和磁性 34
2.2.2 MnP超導電性的發現 34
2.2.3 MnP壓力–溫度相圖和量子臨界行為 36
2.3 本章小結 41
參考文獻 42
第3章 激光角分辨光電子能譜對高溫超導體電子結構和超導電性的研究 46
3.1 深紫外激光角分辨光電子能譜 46
3.1.1 角分辨光電子能譜的原理 46
3.1.2 深紫外激光角分辨光電子能譜 47
3.2 深紫外激光光電子能譜對超導機理的研究 48
3.2.1 高溫超導體的奇異正常態特性 49
3.2.2 高溫超導體的超導能隙對稱性 54
3.2.3 多體相互作用和電子耦合譜函數的獲取 64
3.3 本章小結 77
參考文獻 77
第4章 鐵基化合物超導電性的壓力調控 81
4.1 緒論 81
4.2 高壓量子調控主要技術與基本理論簡介 82
4.3 鐵砷基超導體高壓量子調控 84
4.3.1 高壓研究對常壓化學摻雜提升超導轉變溫度的啟示 84
4.3.2 高壓研究揭示的鐵砷基超導轉變溫度上限 85
4.3.3 壓力導致的鐵砷化合物中超導量子態的構筑 86
4.3.4 壓力下磁有序–超導態雙臨界點的發現 88
4.3.5 壓致價態變化對超導電性的影響 90
4.3.6 小結 91
4.4 鐵硒基超導體高壓量子調控 92
4.4.1 壓力導致的超導再進入現象 93
4.4.2 壓力驅動的量子相變 94
4.4.3 壓力調控揭示的超晶格絕緣相與超導電性的關聯性 97
4.4.4 化學負壓力對超導電性的影響 97
4.4.5 高壓研究揭示的超晶格與磁性的關系 100
4.4.6 小結 101
4.5 本章小結 103
參考文獻 104
第5章 “111”體系鐵基超導材料：性能、調控和非常規物態構筑 120
5.1 “111”體系母體相結構和性質 120
5.2 LiFeAs材料摻雜和性能調控 124
5.2.1 摻雜對LiFeAs超導溫度的影響 124
5.2.2 摻雜對LiFeAs正常態性質的影響 127
5.3 NaFeAs摻雜材料超導性質 130
5.4 LiFeP材料超導特性 131
5.5 壓力誘發的“111”體系超導溫度上升 133
5.5.1 高壓實驗技術 133
5.5.2 壓力對LiFeAs和LiFeP超導的影響 135
5.5.3 壓力對NaFeAs超導的影響 136
5.6 LiFeAs超導材料的拓撲特性 139
5.7 從“111”體系超導材料到“111”體系稀磁半導體材料 140
5.8 “111”體系構筑多功能非常規磁電材料前景 142
參考文獻 143
第6章 極低溫熱導率探測鐵基超導體的超導量子態 150
6.1 鐵基超導體簡介 150
6.2 極低溫熱導率如何探測能隙結構 151
6.3 極低溫熱導率對122體系的研究 154
6.3.1 空穴型K-Ba122超導體及其衍生型 154
6.3.2 電子型Ni-Ba122超導體 161
6.3.3 電子型Co-Ba122超導體 162
6.3.4 同價摻雜的P-Ba122超導體 165
6.3.5 同價摻雜的Ru-Ba122超導體 168
6.4 極低溫熱導率對111體系的研究 169
6.4.1 LiFeAs 169
6.4.2 NaFe1-xCoxAs 171
6.5 極低溫熱導率對11體系的研究 172
6.5.1 FeSex 173
6.5.2 FeS 175
6.6 極低溫熱導率對1111體系的研究 175
6.6.1 LaFePO 176
參考文獻 178
第7章 FeSe界面超導的構筑與機理研究 184
7.1 單層 FeSe/SrTiO3界面超導的構筑和基本性質 185
7.1.1 FeSe/SrTiO3界面超導的發現 185
7.1.2 生長流程 186
7.1.3 對于界面超導Tc的表征 187
7.1.4 界面形貌與原子結構 189
7.2 單層FeSe/SrTiO3的電子結構與超導能隙 190
7.2.1 單層FeSe/SrTiO3電子結構及其特殊性 190
7.2.2 FeSe能帶結構隨薄膜厚度的演變 196
7.2.3 超導能隙對稱性研究 200
7.3 界面超導機理研究 206
7.3.1 單層FeSe/STO界面的應力調控 207
7.3.2 單層FeSe的界面材料調控 211
7.3.3 FeSe厚膜的載流子摻雜調控 216
7.3.4 FeSe薄膜表面K摻雜的厚度依賴研究 223
7.3.5 界面電聲子耦合對超導的作用 228
7.4 本章小結 231
參考文獻 233
第8章 鐵基高溫超導材料中的對稱破缺態和能隙各向異性 241
8.1 鐵基高溫超導材料中的對稱破缺態 241
8.1.1 鐵基超導體中的磁有序和向列序 241
8.1.2 電子結構復雜性、孿晶、表面態 243
8.1.3 向列序下的能帶結構重構 246
8.1.4 磁有序下的能隙與其軌道依賴性 250
8.2 鐵基高溫超導材料中的能隙各向異性 253
8.2.1 費米面拓撲與配對對稱性 254
8.2.2 空穴電子型鐵基超導材料中的能隙結構和節點 256
8.2.3 重電子摻雜型鐵硒超導中的能隙各向異性 260
8.3 本章小結 264
參考文獻 264
第9章 FeSe類超導體的中子散射研究 268
9.1 中子散射實驗技術與原理 268
9.1.1 中子散射技術背景 268
9.1.2 中子微分散射截面 269
9.1.3 中子源與中子散射譜儀 271
9.2 鐵基超導體基本結構與磁性介紹 272
9.2.1 晶體結構和磁結構 272
9.2.2 局域與巡游磁性 275
9.2.3 超導自旋共振態 277
9.3 FeSe的磁性基態及其與向列序和超導的耦合 278
9.3.1 FeSe中的超導自旋共振態 278
9.3.2 FeSe的磁性基態及其與向列序的耦合 280
9.4 KxFe2-ySe2母體的磁結構與磁激發 284
9.4.1 KxFe2-ySe2母體的磁結構 284
9.4.2 KxFe2-ySe2母體的磁激發 285
9.5 重電子摻雜FeSe超導體的自旋共振峰與超導配對對稱性 288
9.5.1 重電子摻雜FeSe超導體的配對對稱性 288
9.5.2 S 摻雜KxFe1-ySe2超導體中超導配對對稱性的演化 290
9.6 重電子摻雜鐵硒類超導體中的磁激發 293
9.6.1 Li0.8Fe0.2ODFeSe超導體的磁激發色散關系 293
參考文獻 296
第10章 鐵基超導材料的核磁共振研究 303
10.1 凝聚態核磁共振 303
10.1.1 原子核體系的哈密頓量 304
10.1.2 譜學分析 305
10.1.3 原子核弛豫分析 310
10.1.4 自旋–晶格弛豫 311
10.1.5 自旋–自旋弛豫 313
10.1.6 超導配對對稱性和核磁共振 314
10.1.7 超導態下的奈特位移：自旋配對性質 314
10.1.8 超導態下的自旋晶格弛豫率：超導能隙對稱性 316
10.2 KFe2Se2中非常規的自旋單態配對 318
10.2.1 自旋單態配對 318
10.2.2 非常規軌道配對對稱性 321
10.3 FeSe中的向列序和高壓磁結構 323
10.3.1 FeSe的高壓磁結構 324
10.3.2 FeSe中的低能自旋漲落 327
10.3.3 FeSe的電子向列相隨壓強的變化 331
10.3.4 總結與討論 335
10.4 KFe2As2中可能的電荷序 336
10.4.1 KFe2As2中As的核磁共振譜 336
10.4.2 *高壓下的對稱性破缺——可能的電荷序 338
10.4.3 討論和總結 340
10.5 鐵基超導材料中超導電性與反鐵磁序的共存與競爭 340
10.5.1 Ba（Fe0.77Ru0.23）2As2中超導電性與反鐵磁序的微觀共存 341
參考文獻 347
第11章 重費米子材料與物理 354
11.1 重費米子的發展歷史及研究現狀 354
11.2 幾類典型的重費米子材料 356
11.2.1 鈰基重費米子化合物 356
11.3 鐿基重費米子化合物 359
11.4 鈾基重費米子化合物 360
11.5 重費米子體系中的前沿科學問題 361
11.5.1 重費米子超導 362
11.5.2 重費米子超導序參量的對稱性 363
11.5.3 重費米子超導與其他競爭序的相互作用 365
11.6 量子相變 366
11.6.1 多參量調控的反鐵磁量子相變 367
11.6.2 電子不同自由度的量子相變 369
11.7 強關聯拓撲態 369
11.7.1 拓撲近藤絕緣體 370
11.7.2 拓撲近藤半金屬 370
11.8 其他類型的新穎量子態 371
11.8.1 重費米子材料URu2Si2的隱藏序 372
11.8.2 重費米子阻挫體系中的奇異態 373
11.8.3 C
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非常規超導量子態的構筑與精密測量 節選
第1章非常規高溫超導體的電子結構基因 胡江平 中國科學院物理研究所 現存兩類著名的非常規高溫超導體一銅基和鐵基超導體，都是在實驗中偶然發現的。這兩類超導體又有很多重要的相似性，從理論上統一理解它們的髙溫超導機理之前，必須能夠統一理解它們電子結構的獨特性，以及為什么非常規高溫超導會是如此稀有的現象，即其他化合物為什么不具備這樣的特點。這里我們指出，在銅基和鐵基超導體中參與反鐵磁超交換耦合的d電子軌道獨立于其他軌道單獨出現在費米能級附近。這個獨特電子結構是其他過渡金屬化合物缺乏的。這個特點也保證了超交換引起的反鐵磁交換耦合能夠導致超導配對。可以說，這類特殊的電子環境是非常規高溫超導體的電子結構基因。因此，找到滿足同樣條件的新的電子結構基因，不僅可以發現新的可能的高溫超導體，同時也可以確立非常規高溫超導體的超導機理。這里我們在此基礎上針對鈷（Co）/鎳（Ni）化合物提出了幾類滿足高溫超導基因的結構，其中包括由三角雙錐體配位通過共享頂角而構成的二維六角晶格，由四面體配位通過共享頂角而構成的二維四方晶格，以及由八面體配位通過特殊結構連接而構成的二維四方晶格，并且進一步預言了和此類基因匹配的相關可能材料。 1.1引言 30多年前，**類非常規高溫超導體銅氧化物超導體被發現。這個發現引起了大家極大的研究興趣，并且在很多方面從根本上改變了現代凝聚態物理學的發展軌跡。然而，即使到今天已經有數以萬計的研究高溫超導的論文發表，對高溫超導機理的理解依然沒有定論，這是一個很大的挑戰。這個領域的研究者們有著尖銳的分歧，他們在很多問題——小到初始模型，大到關于超導電性的起因的基本物理性質一上，互相不同意對方的觀點，甚至有越來越多的人質疑，是否存在一個合適的問題，它的答案能夠結束關于超導機理的爭論。 人們未能解答銅氧化物中超導電性起源的問題，這可以歸咎于許多原因。例如，材料體系的復雜性讓理論建模變得困難，凝聚態物質中豐富的物理現象使我們不能辨清導致超導的主要原因和次要原因，有所欠缺的理論方法使得理論計算結果不可信，等等。但是，除了這些困難和研究者們缺乏共識以外，缺少理論上指導預言發現新高溫超導體的原則是主要的原因。2008年第二類高溫超導體鐵基超導體的發現過程就是這樣一個例子。鐵基超導體的發現沒有任何理論的指導。直到今天，理論研究者和超導材料合成者基本上很少能夠合作發現新超導體。 在可能的第三類高溫超導體被發現之前，理論研究方面能夠提供有價值的線索嗎？毫無疑問，解決高溫超導機理這一問題的希望依賴于對這個問題的肯定回答。這里，基于如下兩個原因，我們相信現在是時候回答這個問題了。首先，在過去十多年里，由于鐵基超導體的發現，我們**次可以在高溫超導研究中使用傳統的歸納推理方法。過去十多年對鐵基超導體的廣泛而深入的研究帶來了許多新信息。對于相信銅氧化物和鐵基超導體有共同高溫超導機理的人來說，這些信息對結束高溫超導機理爭議帶來了新的機會。一方面，我們知道鐵基超導體和銅氧化物超導體有許多共同的特點；另一方面，它們又不完全相同。它們之間的相似之處和不同之處能夠給出非常有希望的線索。其次，從過去大量的尋找高溫超導體的努力中，我們越來越清晰地認識到非常規高溫超導體是非常稀有的材料，目前就只有這兩類高溫超導體。對于兩類已知的高溫超導體，它們的超導電性分別穩定地由Cu02層（在銅氧化物中）和FeAs/Se層（在鐵基超導體中）攜帶。稀有性和穩定性的同時存在，暗示著非常規高溫超導電性肯定和電子結構中的特殊要素密切相關。如果我們能確定這個關鍵因素，就可能解決非常規高溫超導電性的機理。因此，使用歸納推理來確認高溫超導基因可以打開尋找高溫超導體的一扇新窗。 這里，通過假設兩類已知高溫超導體有共同的超導機理和重新審視高溫超導問題，我們闡述了一個解決高溫超導機理困局的新途徑我們的出發點是基于一個簡單的、統一了銅氧化物和鐵基高溫超導體的理論框架。這個理論框架基于反鐵磁的超交換相互作用驅動高溫超導。該理論框架能夠統一解釋兩類高溫超導體的配對對稱性。對銅基高溫超導體，超導配對對稱性是d波；對鐵基高溫超導體，超導配對對稱性是s波。我們發現，這個理論框架都基于背后獨特的電子結構。兩種材料擁有一個共同的電子結構要素，就是上面提到的非常規高溫超導電性的基因：在構成材料的準二維結構單元中，過渡金屬陽離子與周圍陰離子p軌道發生面內強耦合的d軌道電子能夠獨立地出現在費米能級附近。這種環境允許由陰離子中介傳播引起的反鐵磁超交換耦合——超導配對之源——*大化它們對超導電性的貢獻。 上述基因條件的形成，與局域電子結構和晶格結構之間的特殊組合有著緊密的聯系，這種特殊性解釋了為什么銅氧化物和鐵基超導體作為高溫超導體是那么罕見。因此這個理論理解能夠被實驗清楚地檢驗。這里我們在此基礎上針對鈷/鎳化合物提出了幾類滿足高溫超導基因的結構，其中包括由三角雙錐體配位通過共享頂角而構成的二維六角晶格，由四面體配位通過共享頂角而構成的二維四方晶格，以及由八面體配位通過特殊結構連接而構成的二維四方晶格并且進一步預言了和此類基因匹配的相關可能材料。 1.2關于非常規髙溫超導的問題 利用歸納推理來理解銅氧化物和鐵基超導體，我們分下面三個問題來闡述高溫超導的機理問題： （1）導致兩類高溫超導體超導電性的共同相互作用是什么？ （2）是什么獨特物理特性導致兩類超導體擁有高溫超導電性？ （3）找到新的高溫超導體的出發點是什么？ 這三個問題是高度關聯的。它們形成了一個揭示高溫超導機理的邏輯整體。 在過去，**個問題是核心問題，它的答案被激烈地爭論；第二個問題被極大地忽視了。然而，鐵基超導體發現之后，人們越來越清晰地認識到第二個問題應該是核心問題。盡管大多數研究者將注意力集中在了兩類高溫超導體上，但是回答為什么很多和銅氧化物、鐵基超導體各方面相似的材料不表現高溫超導電性這個問題也許更重要。因此，這里的重要邏輯是，無論我們對**個問題給出了怎樣的答案，這個答案必須能夠同時回答第二個問題。第二個問題的答案能夠提供回答第三個問題的有用線索。一個對新高溫超導體的理論預言和實驗驗證能夠*終證明**個問題的答案并且結束關于高溫超導機理的爭論。 1.3對**個問題的假設 我們從**個問題開始。我們建議的對**個問題的答案是，只有由陰離子作為中介誘導的超交換反鐵磁相互作用導致兩類高溫超導體產生超導電性。我們把這個假設稱為排斥相互作用或者磁驅動超導機理中的選擇性磁配對規則。可能會有人認為這個答案有些平庸，因為它在很多關于銅氧化物超導體的模型中被接受了，吒但是，正如我們下面將要討論的，這個答案對于鐵基超導體來說極其不平庸，因為它們的磁性牽涉不同的微觀起源。支持這個規則的三個主要原因可以總結如下： （1）它自然地解釋了銅氧化物超導體中穩定的波配對對稱性和鐵基超導體中穩定的S波配對對稱性； （2）它符合一個一般性的論據：如果沒有中介陰離子在中間，兩個陽離子之間的短程庫侖排斥相互作用將不能被有效地屏蔽，進而不允許它們之間進行超導配對； （3）它對能承載超導電性的電子環境作了嚴格的規定，因此直接給出了第二個問題的答案。 1.3.1銅氧化物超導體的情況 正如我們上面指出的那樣，這個規則在銅氧化物超導體中是我們所熟悉的一個假設。它為波配對對稱性提供了一個自然的解釋，可以說是銅氧化物超導體研究中*成功的理論成就。事實上，歷史上在確定銅氧化物超導體的配對對稱性的過程中，波配對對稱性在主要的實驗證據出現之前就已經被理論預言了。 這里我們首先回顧一下得到銅氧化物超導體中d波配對對稱性的主要理論方法。有兩種得到d波配對對稱性的方法，這兩種方法基于建立在二維Cu正方格子上的有效模型（圖1.1（a））。其中一種方法是傳統的弱耦合方法。這種方法以一個緊密嵌套的費米面開始，費米面中的自旋密度波（SDW）不穩定性通過格點內部電子-電子排斥相互作用（哈伯德（Hubbard）相互作用）能夠發生。另外一種方法是強相互作用方法，它直接以短程磁交換相互作用開始。在銅氧化物超導體中，磁交換相互作用是通過氧原子中介（mediate）的*近鄰反鐵磁超交換相互作用實現。這兩種方法一致地預言了d波超導態。 這種一致性可以歸因于下面一個簡單的配對對稱性選擇規則：配對對稱性由其超導序參量的動量空間分布因子在費米面上的權重決定。這個規則在具有局域反鐵磁超交換相互作用的模型中已經存在。在銅氧化物超導體的情況中，超導配對通道中的通過*近鄰反鐵磁超交換相互作用脫耦合導致了兩個可能的配對對稱性：一個在倒易空間中具有超導序的擴展的S波，以及一個d波。具有如圖l.2（c）所示費米面的情況下，費米面上的d波分布因子比擴展的s波的幅度大得多。因此，d波配位對稱性打開了更大的超導能隙，在超導態中存儲了更多的反鐵磁交換能，這有利于d波配對對稱性的形成。這個規則也支持銅氧化物中基于Hubbard模型的弱耦合方法。因為Hubbard模型只包含格點內部排斥相互作用，而其中的動能項由*近鄰跳躍支配，所以主要的有效反鐵磁交換耦合也在*近鄰鍵上產生。事實上，考慮到Hubbard模型中半填充附近的反鐵磁漲落，由配對通道中的反鐵磁漲落引起的有效電子-電子相互作用有下面的性質它以一個大的格點內部排斥相互作用開始，接著*近鄰位置之間有吸引相互作用，然后在排斥和吸引之間振蕩，并且隨著空間距離的增加而急速衰減。這個性質從根本上告訴我們，配對也是由*近鄰鍵支配的。 1.3.2鐵基超導體的情況 如圖1.1（a）和（b）所示，把一個FeAs/Se層和一個CuO2層做對比，我們注意到了兩者之間的幾個重要差別：①FeAs/Se層中的As/Se原子精確地位于4-Fe正方格子中間點的正上方或者正下方；②兩個*近鄰Fe原子之間的距離非常短，大約只有2.8A，這個值非常接近金屬Fe體心立方晶格常數；③兩個次近鄰Fe原子之間的距離大約為3.8A，接近于CuO2面內兩個*近鄰Cu原子之間的距離。這些差別暗示著兩個次近鄰Fe原子之間的磁交換耦合像兩個*近鄰Cu原子之間的磁交換耦合一樣，是由As/Se原子的p軌道引導的。因此兩個次近鄰位置的Fe原子間的磁交換耦合由超交換機制支配。然而兩個*近鄰Fe原子的兩個d軌道之間有大的交疊，這導致兩個Fe原子之間的磁交換耦合是通過直接跳躍產生的。因此，*近鄰磁交換耦合和次近鄰磁交換耦合有著不同的微觀機制。這些差別解釋了為什么鐵基超導體中的有效磁模型非常復雜而且同時表現出巡游和局域這兩種磁特征。 較短的*近鄰原子間距和直接磁交換機制的存在也對超導配對有著重大的影響。在銅氧化物超導體中，人們可以認為兩個*近鄰Cu原子之間的排斥作用可以被忽略，因為兩個Cu原子中間的氧原子的存在產生了一個大的局域電極化，屏蔽了有效的庫侖（Coulomb）相互作用。這使得*近鄰鍵上的配對的發生成為可能。但是，如果兩個原子d軌道之間有直接的跳躍，就沒有局域電極化屏蔽它們之間的庫侖相互作用。因此，鐵基超導體中兩個*近鄰位置上的Fe原子之間的排斥相互作用一定很大，以至于*近鄰鍵間的配對根本上是被禁止的。但是兩個次近鄰位置上Fe原子之間的物理和銅氧化物中兩個*近鄰位置上Cu原子之間的物理是相同的，兩個次近鄰位置上Fe原子之間的有效庫侖相互作用被As/Se原子產生的強電極化給屏蔽了。 我們可以用一個簡單的方式描述上面的討論。考慮*初的如圖1.1（b）所示的2-Fe晶胞，我們把晶胞中兩種Fe原子的位置分別標記為A和B，這樣，Fe正方晶格可以看作由A和B兩套正方子晶格組成。每一個子晶格都可以考慮和銅氧化物中Cu正方晶格類比。兩套晶格之間的配對是被禁止的，因為它們之間存在著強排斥相互作用。配對只存在于每個子晶格內。也就是說，正如圖1。2（b）所示，配對只在不同的2-Fe晶胞之間被允許，在晶胞內部是被禁止
非常規超導量子態的構筑與精密測量 作者簡介
封東來，中國科學技術大學教授、中國科學院院士。長期從事復雜量子材料及其異質結構的實驗研究，在高溫超導、界面超導、電荷密度波、重費米子體系、莫特絕緣體和拓撲材料的研究中取得了系列成果，發表論文190余篇。
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