高温超导]

Long March of High-Tc Superconductivity 高温超导现状与存在的问题 向 涛 2007年1月8日 高温超导是我们研究的最清楚,但又是最不清楚的材料 NMR 超导的特征性质 1.理想导体 超导的特征性质 2.理想抗磁体 Long March of High-Tc 0 40 80 120 1920 1940 1960 1980 2000 T c Year M gB 2 C 60 fakeLa2-xBaxCuO4 YBa2Cu3O7 Hg2Ba2Ca2Cu3Ox Hg Bednorz & Muller 1986 Anderson 1987 RVB 朱经武 1986 Yb is typo UBC 华人在高温超导研究中有不凡的 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 现 朱经武 崔章琪 1998 Buckley Prize 赵忠贤 国家自然科 学一等奖 Z X Shen Onnes Prize 2000李雅达 Buckley 1991 Pre-High-Tc History of Suerpconductivity Abrikosov & Ginzburg 2003 Type-II superconductivity Landau 1962 G-L theory Bardeen Cooper Schrieffer 1972 BCS theory Onnes 1913 Father of supercondcutivity Josephson & Giaever 1973 Josephson tunneling Messiner 1930s’ Messiner Effect 高温超导到底有什么用？ 潜在的工业应用价值（目前大约 是10亿美元的市场价值） 更重要的是提供了研究复杂量子 关联系统的一个典型物理系统， 促进了实验手段的提高（角分辨 光电子谱、扫描电子显微谱 等），呼唤超越能带论或Landau 费米理论的新的电子论（关联电 子论）的诞生 能带论：简单金属和半导 体物理的理论基石 器件的进一步小型化，不 可避免要面对电子的关联 效应，可能也只有充分利 用关联效应才能真正克服 超小型化器件的发热效应 高温超导研究为什么有挑战性 传统的场论工具和计算 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 不够用 新的物理思想和概念积累不足 延展电子：Bloch波局域电子 固体中的波粒二象性 关联 自由电子或碱金属 金属钠 孤立原子或绝缘体 岩盐NaCl 高温超导 What is clear？ 几十种不同的实验技术，成千上万次实验 各种流派理论专家的认真思考 z 晶体结构（26种基本结构，成百上千的不同化学成分） z 基本的电子结构和相图 z 高温超导电子配对的对称性：d-波超导体 z 发现并积累了大量关于高温超导的各种反常物理行为 （线性电阻，赝能隙，条纹相，谱权重失踪等）的实验 数据 z 建立了研究高温超导的一些基本模型，也淘汰了一些与 实验不符的理论 High-Tc is a seeding-machine • 催生实验手段的提高 ARPES (角分辨光电子谱) STM(扫描电子显微谱) 单晶样品质量大幅提高 … … • 呼唤新电子论的诞生 层出不穷的新概念 诱发了非费米液体和量子相变的理论研究 Goal of High-Tc Theory z Power of parameter-free predictions z Unified understanding of experimental data • Energy scales ---- “Rulers” • Control parameters ---- “Golden Fingers” • Universality ---- “Model independent indicators” Phase Diagram Strange metal Normal metal T e m p e r a t u r e Doping Pseudo gap Superconducting AF Mott 1977 Mott insulator Quantum Critical Point? Crystal Structure a,b (x,y) c (z) ∑ ⋅= ij ji SSJH rr母体: Mott反铁磁绝缘体? E1 >> E0 Cu3+ Cu+ Cu++ 4s 3d(x2-y2) 3d(3z2-r2) 3d(xy,xz,yz) TN ~ 500K Cu+Cu++Cu3+ 高温超导是对母体掺杂后产生的 Zhang-Rice Singlet 对能带宽度的修正： 紧束缚模型 ~ 8t t-J 模型 ~ 2J ( ) j ij i ij ji SSJ.c.hc~c~tH ⋅++−= ∑∑ ><>< σ + σ 动能 势能 高温超导机理研究要解决的基本问题 • d波超导配对的机理（如何配对、凝聚） • 赝能隙：状态数的缺失（暗熵） • 低能与高能量尺度的相关性（不可重正性） • 线性电阻与电荷-自旋分离（电磁分离） • 层间耦合相干与非相干性（电荷禁闭） Pairing Symmetry )(),(),( 21212211 rrrr −∝Ψ ψσσχσσ Spin singlet: antisymmetric 21,121 )( σσδσσσχ −=− Orbital wavefunction: symmetric L = 0, 2, 4 …. s d g High-Tc Pairing Symmetry D-wave pairing gap ∆k=∆(coskx - cosky) ++ - - Theory: Kotliar & Liu, PRB 38, 5142 (1988) −∆ 0 ∆ −∆ 0 ∆ ω ω d(x2y2)-wave Isotropic s-wave Density of states )|(|)0(N)(D 22 ∆−ωθ∆−ω ω=ω ϕ∆−ω ω π ϕ=ω ∫ π 2cos ||Re 2 d)0(N)(D 222 2 0 D-wave Pairing of Superconductivity 800 1000 1200 0 20 40 60 λ b ( T ) T (K) W Hardy et al, PRL 70, 3999 (1993) W. Hardy London Prize 2002 ⎪⎩ ⎪⎨ ⎧ − −− wavedT wavese ~)T( Tα λ Direct Detection of Pairing Phase Factor + + — —e2 hc 2 1=Φ Half-flux trapped tri-crystal Tsuei et al, Nature 387, 481 (97) C C Tsui 1998 Burkley Prize 高温超导机理研究要解决的基本问题 • d波超导配对的机理（如何配对、凝聚） • 赝能隙：状态数的缺失（暗熵） • 低能与高能量尺度的相关性（不可重正性） • 线性电阻与电荷-自旋分离（电磁分离） • 层间耦合相干与非相干性（电荷禁闭） 0 2 4 6 0 50 100 150 200 Temperature (K) x = 0.68 0.5 0.33 Y 0.85 Ca 0.2 Ba 2 Cu 3 O 6+x 赝能隙现象： • 正常相中出现的类似于超导能隙的现象 • 超导电子配对好像在相变之前就存在， 但没有形成宏观相干 低能熵缺失，状态数不守恒 Pseudogap: Root of Anomalies 费米面不 封闭，存 在能隙 ka kb Dark Entropy: Missing Low Energy Entropy Ferrel-Glover-Tinkham sum rule: ( ) ( )ωωρ ω sns NN −= ∞→lim 光导实验揭示光学 求和规则的破坏： Preformed Pairs Emery Kivelson Buckley 2000 破坏超导的两种方式： 拆对：所需能量 ∝ 能隙 ∆ 破坏位相相干：所需能量 ∝ 超流密度 ρs 常规超导体: ∆ << ρs Tc ~ ∆ 配对与位相相干几乎同时发生 预配对超导体: ∆ >> ρs Tc ~ ρs 配对到相干的物理过程是一个难题 Two Energy Scales: Pesudogap vs Superconducting Gap 高温超导机理研究要解决的基本问题 • d波超导配对的机理（如何配对、凝聚） • 赝能隙：状态数的缺失（暗熵） • 低能与高能量尺度的相关性（不可重正性） • 线性电阻与电荷-自旋分离（电磁分离） • 层间耦合相干与非相干性（电荷禁闭） Linear Resistivity and Charge-Spin Separation τtr-1 ~ T2 霍耳角 τl-1 ~ T 电阻 Linear Resistivity: Challenger to Transport Theory • Electron-electron scattering • Electron-phonon scattering 2Tρ ∝ 5 / 4 / 4 D D T T T T θρ θ ⎧ <∝ ⎨ >>⎩ Charge-spin Separation v s v c • 电荷-自旋自由度的分离在一维相互作用电子系统的 Luttinger液体理论有比较完整的理论描述 • 但在二维系统我们尚不理解它的物理根源 高温超导机理研究要解决的基本问题 • d波超导配对的机理（如何配对、凝聚） • 赝能隙：状态数的缺失（暗熵） • 低能与高能量尺度的相关性（不可重正性） • 线性电阻与电荷-自旋分离（电磁分离） • 层间耦合相干与非相干性（电荷禁闭） 华人在高温超导研究中有不凡的表现 Pre-High-Tc History of Suerpconductivity 高温超导到底有什么用？ What is clear？ High-Tc is a seeding-machine Goal of High-Tc Theory Phase Diagram Crystal Structure 高温超导是对母体掺杂后产生的 高温超导机理研究要解决的基本问题 Pairing Symmetry High-Tc Pairing Symmetry Density of states D-wave Pairing of Superconductivity Direct Detection of Pairing Phase Factor 高温超导机理研究要解决的基本问题 Pseudogap: Root of Anomalies Dark Entropy: Missing Low Energy Entropy Preformed Pairs Two Energy Scales: Pesudogap vs Superconducting Gap 高温超导机理研究要解决的基本问题 Linear Resistivity: Challenger to Transport Theory Charge-spin Separation 高温超导机理研究要解决的基本问题