高温氧化超导材料的发现与超导机制的研究

迄今为止，已有5位物理学家由于超导电性的研究而获得诺贝尔奖。他们是：1957年提出BCS超导微观理论的美国物理学家巴丁（J.Bardeen）、库珀（L.N.Cooper）、施里弗（J.R.Schrif-fer），于 1972 年获奖，从理论的提出到获奖时隔 15年； 1960年发现单电子超导隧穿效应的美国物理学家贾埃佛（J.Giaever）；1962 年预言约瑟夫森效应的英国物理学家约瑟夫森（B.D.Josephsen），他们时隔 11 年后，于 1973 年获奖；1986年，在国际商用机器公司（IBM）苏黎士研究室工作的瑞士物理学家缪勒（K.A.Muller）和他的学生、德国物理学家柏诺兹（J.G.Bednorz）发现Ba-La-Cu-O系统物质的高温超导性，于1987 年获奖。
     他们的这一工作，如此快速地得到了诺贝尔评奖者的承认，这在诺贝尔颁奖历史中是极为罕见的，由此看出柏诺兹和缪勒工作的重要意义。伴随着超导临界温度提高到液氮温区以上，超导技术的应用发生了一场新的技术革命。超导技术的影响，很快地波及到了电力工程、电能输送、电动机与发电机的制造、磁流体发电、超导磁悬浮列车、超导计算机、超导电子器件、地球物理勘探、地质学、生物磁学、高能加速器与高能物理研究等多种领域与学科。尽管高温超导体在实用上仅只处于开端，但它的远大前景已经展现出来了。1986年以来，瑞士、美国、日本、中国等国的科学家们，相继发现了多种高温氧化物超导材料。这些发现，在国际上引起了巨大的反响。
     目前，超导体的零电阻转变温度已经达到上百K。但是，这主要是实验物理学家的探索成果，在理论研究方面，仍还没有给出一种圆满的解释。超导理论研究与超导实验研究的飞速发展极不相适应。从这一角度看，高温氧化物超导材料的发现，无疑也是对超导理论研究的巨大冲击。BCS 理论是第一个成功的微观超导理论。它很好地解释了大多数元素的超导性质。这一理论的出发点是电声子的相互作用。两个电子由于交换虚声子而产生引力，当这一引力超过库仑斥力时，电子双双地结成库珀对。库珀对的行为就像一个松散结合的大分子，它们在空间延伸的范围远大于晶格常数。成千上万个库珀对相互交叠，使电子系统获得某种“整体刚性”，它们能克服个别散射事件造成的阻力，而产生零电阻现象。同时，它们还能抗拒外来磁场的进入，而导致迈斯纳效应。然而，新发现的氧化物超导体都有一个共同的特点，即具有一个铜-氧层，并表现为空穴导电。BCS理论在Cu-O在高温超导体中，效应并不明显，人们不得不对BCS理论的适应性提出了怀疑。1987年，安德森（P.W.Anderson）提出了共价键理论①。
     该理论认为，氧化物超导体的母晶体，可以认为是莫脱（Mott）型绝缘体，其中的电子由于强相互关联作用被定域在各个格点附近。相邻格点的电子自旋相反而构成单重态共价键。通过掺杂后，局域化的共价键系统受到驱动，通过超交换作用，使其退局域化而流动起来。若在流动中还能保持原有的配对关系，则可视为大量定域共价键发生共振而转变的一种超流的库珀对集合，绝缘晶体则转化为超导体。这种由实空间定域配对转变为能量空间的非局域配对机制，称为“共振价键理论”。这一理论是一种全电子理论，它与晶格振动没有直接联系，它能说明新的超导体的弱同位素效应。但是，由于用它说明具体问题时，还需引入一些辅助性假设，目前还未得到公认。还有一种称为双极子机制的理论。该理论认为，氧化物超导体中含有正负离子交换复式晶格。由于极化电场的存在，导致强电声子相互作用。当电子在晶格间运动时，造成附近晶格畸变。电子与“畸变”一起运动，可以构成复合粒子，称为极化子。
     当两个极化子相互靠近时，联合畸变将形成双极化子。无数个双极化子在空间的流动，即形成超导态。双极化子理论并未超出BCS理论的框架，与库珀对比较，双极化子理论则更接近实际情况。考虑到新超导材料的空穴导电机制，另一种激子理论认为，氧化物超导体可视为在氧化铜层两侧各有一金属层，而形成夹层结构。当金属层中的电子靠近氧化铜层时，电子的波函数部分有可能隧穿入氧化层，使其中的负电荷被排斥而显示一个带正电的空穴。电子与空穴的库仑吸引，形成电子- 空穴束缚对，称为激子。同时带正电的空穴还能把另一侧金属层中的一个电子拉过来，于是两金属层中的电子，通过氧化层的空穴两两配对，构成库珀对而实现超导态。激子机制理论可以阐明氧化物超导体的空穴导电、各向异性输运等特点。问题在于是否能把这种结构视为金属层与氧化物层的交叠，该理论还有待进一步完善。