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高温超导“基因”在三维材料中的表达

Science China Press

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IMAGE: 闪锌矿结构:正负离子复合形成局部的正四面体结构,各自形成面心立方结构。 view more 

Credit: ©《中国科学》杂志社

为什么在目前发现的成千上万种过渡金属化合物材料中,只有两类材料表现出高温超导?为什么他们都是准二维的?新型的高温超导材料应该在哪里寻找?

高温超导问题是物理乃至整个科学领域的大难题。自高温超导被发现以来,物理学研究者们进行了众多的探索但依然缺乏统一的理解。

近年来,中科院物理所的胡江平研究员在已经发现的准二维高温超导材料电子结构特点的基础上提出了高温超导的“基因”理论,统一了铜基和铁基高温超导,以及用来寻找新的高温超导材料。该理论认为局域与全局、实空间和动量空间的协调至关重要。动量空间中处于费米面附近的电子轨道,在实空间需要参与很强的跃迁和反铁磁交换作用。这要求在特殊的结构下填入特定数量的电子并且满足这样条件的结构一般是准二维的。 在最近的研究中,该研究组进一步探讨了在三维高对称结构中实现“基因”条件的可能性,并预测三维闪锌矿结构的钴基过渡金属化合物可能是新型的高温超导体系。

该研究论文题为Unconventional high temperature superconductivity in cubic zinc-blende transition metal compounds,近期发表在《中国科学:物理学 力学 天文学》英文版(SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy)上。结合高温超导的“基因”理论,作者们通过使用群论、电子能带理论和隶波色子平均场的方法分析了电子在体系中运动的对称性,预测了相应的超导性质:一种时间反演破缺,但超导能隙有节点d-波配对。

具体而言,该文主要考虑的是具有正四面体(Td)对称性的闪锌矿结构,如图1所示。此结构下,局部的对称性和全局的对称性完全一致,使得Td群三维表示的三个t2g轨道保持简并。在过渡金属原子d 壳层有7个电子的情况下,这三个轨道都可以在费米面附近,从而都参与很强的、各向同性的跃迁和反铁磁交换作用,进一步诱发高温超导“基因”的表达。电子在这样的背景下形成的超导配对,是时间反演对称破缺的d+id波。这样的超导波函数在倒空间的对角线方向上消失。根据能带结构和平均场计算,电子掺杂的闪锌矿结构——钴氧氮化合物可能实现这样的超导。

这一研究成果进一步丰富了高温超导“基因”理论的预测。如果被后续的实验所证实,会直接证明“基因”理论的正确性,并用于指导寻找更多的高温超导体。

该研究得到973项目(编号:2017YFA0303100)、国家自然科学基金(编号:NSFC-11888101)和中科院先导研究(编号:XDB28000000)的资助。研究人员中,张强受到中科院国际青年学者项目(编号:2007002)和博管会国际博士后基金(编号:Y8BK131T61)的资助,顾雨豪受到北大高性能计算平台资助。

更详细的内容,请参阅:

Q. Zhang, K. Jiang, Y. H. Gu, and J. P. Hu, Unconventional high temperature superconductivity in cubic zinc-blende transition metal compounds, Sci. China-Phys. Mech. Astron. 63, 277411 (2020), https://doi.org/10.1007/s11433-019-1495-3

http://engine.scichina.com/publisher/scp/journal/SCPMA/63/7/10.1007/s11433-019-1495-3?slug=fulltext

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