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发现一类不同寻常的铜基高温超导新材料

作者:德国赌场 发布时间:2020-11-09 09:08 点击数:

  铜氧化物高温超导体(简称铜基超导)是常压条件下迄今转变温度最高的超导材料体系,对它的微观机制破解入选《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,沿方向的铜氧键长大于铜氧平面内的键长,导致基本电子构型的铜氧六配位八面体呈现拉伸状态。对于拉伸型的配位结构,铜的3d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

  中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心极端条件物理重点实验室靳常青研究员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,又可廻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 C223, 238 (1994);Phys. Rev. B61, 778(2000));中国科学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“科学通报”纪念液氮温区超导材料发现30周年纪念专辑的封面(科学通报 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。

  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

  轨道相对顺序。其中La系、Bi系、Tl(Hg)系的顶角氧距离大于面内铜氧键长,呈现拉伸型铜氧六配位构型,导致3dx

  轨道之上。Ba214的面内铜氧键长大于顶角氧距离,形成目前唯一的压缩型铜氧配位构型,导致3dz

  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Cu


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