高溫超導

高溫超導（High-temperature superconductivity，High Tc）是一種物理現象，指一些具有較其他超導物質相對較高的臨界溫度的物質在液態氮的環境下產生的超導現象。

## 性質

高溫超導體（High-temperature superconductors）是超導物質中的一種族類，具有一般的結構特徵以及相對上適度間隔的銅氧化物平面。它們也被稱作銅氧化物超導體。此族類中一些化合物中，超導性出現的臨界溫度是已知超導體中最高的。

不同銅氧化物在常態（以及超導態）性質之間具有共同的特徵；這些性質中，許多無法以金屬的傳統理論來解釋。銅氧化物的一致性理論至今尚不存在，這項問題是未知的領域，觸發了許多實驗方面與理論方面的研究工作；使得搞懂這個現象背後的物理學原理，反而遠超過開發出室溫超導體這項目標。

## 歷史

銅氧化物超導體在實驗上是由卡爾·米勒及約翰內斯·貝德諾爾茨首度發現，不久兩人的研究成果即受到1987年諾貝爾物理學獎的肯定。

1987年，來自臺灣的美國物理學家吳茂昆和朱經武在釔鋇銅氧系材料上把臨界超導溫度提高到90K以上，液氮的「溫度壁壘」（77K）也被突破了。根據權威的科學引文索引資料庫Web of Science，由吳茂昆為第一作者（共同作者包括休士頓大學朱經武）的論文" Superconductivity at 93 K in a new mixed-phase Y-Ba-Cu-O compound system at ambient pressure "自1987年3月於美國物理學會期刊《物理評論快報》發表以來，截至2018年已獲期刊論文引用超過五千多次，這篇史上第一次超越液態氮沸點「溫度壁壘」（77K, 絕對零度以上）而將超導溫度從30K提升到90K（攝氏零下183度）以上的研究突破自1911年後七十多年的物理學研究瓶頸，為臨界溫度高於77K的材料稱為高溫超導體下了定義，不但於當年獲矚目，也被指為超導體領域30年來最重要的先驅之一，吳茂昆團隊的發現對爾後超導體的科學與商業應用頗具影響。1987年底，鉈－鋇－鈣－銅－氧系材料又把臨界超導溫度的記錄提高到125K。從1986年－1987年的短短一年多的時間裡，臨界超導溫度提高了近100K。

2015年，物理學者發現，硫化氫在極度高壓的環境下(至少150GPa，也就是約150萬標準大氣壓)，約於溫度203K （-70 °C）時會發生超導相變。

2018年，德國化學家發現十氫化鑭在壓力170GPa，溫度250K（-23℃）下有超導性出現。

2020年，羅切斯特大學的朗加·迪亞斯（Ranga Dias）團隊合成了含碳硫化氫系統（carbonaceous sulfur hydride），在267±10GPa的壓力下，最大臨界溫度達到287.7±1.2K（約15℃），使得超導臨界溫度首次達到室溫，但2022年遭遇期刊撤稿。2023年，該團隊宣稱在一種由氫、氮、鑥組成的材料中實現了室溫超導，且壓力相對較低，約10kbar（約大氣壓力的 10000 倍），遠低於在室溫工作的超導通常所需要的數百萬個大氣壓。

## 可能的理論模型

高溫超導和非常規超導有兩種具有代表性的理論。首先，弱耦合理論表明超導性源於摻雜系統中的反鐵磁自旋漲落。根據這個理論，銅酸鹽高溫超導的配對波函數應該具有 dx2-y2 對稱性。因此，確定配對波函數是否具有 d 波對稱性對於測試自旋波動機制至關重要。也就是說，如果高溫超導 階參數（配對波函數）不具有 d 波對稱性，則可以排除與自旋漲落相關的配對機制。（鐵基超導體也有類似的論證，但不同的材料特性允許不同的配對對稱性。）其次，存在層間耦合模型，根據該模型，層狀結構由 BCS 型（s 波對稱）超導體組成可以自行增強超導性。通過在每層之間引入額外的隧道相互作用，該模型成功地解釋了階參數的各向異性對稱性以及 高溫超導的出現。因此，為了解決這個懸而未決的問題，進行了大量的實驗，如光電子能譜、核磁共振、比熱測量等。迄今為止的結果是模稜兩可的，一些報導支持 高溫超導的 d 對稱性，而另一些報導支持 s對稱。這種渾濁的情況可能源於實驗證據的間接性質，以及樣品質量、雜質散射、孿晶等實驗問題。

這個總結做了一個隱含的假設：超導特性可以通過平均場理論來處理。它也沒有提到除了超導間隙之外，還有第二個間隙，偽間隙。銅酸鹽層是絕緣的，超導體摻雜了層間雜質，使它們成為金屬。可以通過改變摻雜劑濃度來最大化超導轉變溫度。最簡單的例子是 La2CuO4，它由交替的 CuO2 和 LaO 層組成，純時絕緣。當 8% 的 La 被 Sr 取代時，後者充當摻雜劑，為 CuO2 層提供空穴，並使樣品具有金屬性。Sr 雜質還充當電子橋，實現層間耦合。從這張圖片出發，一些理論認為基本的配對相互作用仍然是與聲子的相互作用，就像在具有庫珀對的傳統超導體中一樣。雖然未摻雜的材料是反鐵磁性的，但即使是百分之幾的雜質摻雜劑也會在 CuO2 平面中引入較小的贗隙，這也是由聲子引起的。間隙隨著電荷載流子的增加而減小，並且當它接近超導間隙時，後者達到最大值。然後認為高轉變溫度的原因是由於載流子的滲透行為 - 載流子遵循鋸齒形滲透路徑，主要在 CuO2 平面的金屬域中，直到被電荷密度波疇壁阻擋，在那裡它們使用摻雜劑橋跨越到相鄰 CuO2 平面的金屬域。當主晶格具有弱鍵彎曲力時達到轉變溫度最大值，這會在層間摻雜劑處產生強電子 - 聲子相互作用。

### YBCO 中的 D 對稱性

提出了基於 YBa2Cu3O7 (YBCO) 三晶環通量量化的實驗，以測試高溫超導中有序參數的對稱性。當庫珀對穿過約瑟夫森結或薄弱環節時，最好在結界面處探測順序參數的對稱性。預計半整數通量，即自發磁化只能發生在 d 個對稱超導體的結上。但是，即使結實驗是確定高溫超導階參數對稱性的最強方法，結果也很模糊。J. R. Kirtley 和 C. C. Tsuei 認為模稜兩可的結果來自高溫超導內部的缺陷，因此他們設計了一個同時考慮清潔極限（無缺陷）和髒極限（最大缺陷）的實驗。在實驗中，在 YBCO 中清楚地觀察到自發磁化，這支持了 YBCO 中有序參數的 d 對稱性。但是，由於 YBCO 是正交的，它可能固有地混合了 s 對稱性。因此，通過進一步調整他們的技術，他們發現 YBCO 中存在約 3% 的 s 對稱性混合物。此外，他們發現在四方 Tl2Ba2CuO6 中存在純 dx2-y2 階參數對稱性。

### 自旋波動機制

儘管這些年來，高溫超導的機制仍然存在很大爭議，主要是由於缺乏對這種強相互作用電子系統的精確理論計算。然而，大多數嚴格的理論計算，包括現象學和圖解方法，都將磁漲落作為這些系統的配對機制。定性解釋如下：

在超導體中，電子流不能分解為單個電子，而是由許多束縛電子對組成，稱為庫珀對。在傳統的超導體中，當一個電子穿過材料使周圍的晶格扭曲時，就會形成這些電子對，從而吸引另一個電子並形成束縛對。這有時被稱為「水床」效應。每個庫珀對都需要一定的最小能量才能被置換，如果晶格中的熱波動小於這個能量，則該對可以在不耗散能量的情況下流動。電子無阻力流動的這種能力導致了超導性。

在高 Tc 超導體中，其機制與傳統超導體極為相似，不同之處在於，在這種情況下，聲子實際上不起作用，它們的作用被自旋密度波取代。正如所有已知的常規超導體都是強聲子系統一樣，所有已知的高 Tc 超導體都是強自旋密度波系統，位於磁躍遷附近，例如反鐵磁體。當電子在高 Tc 超導體中移動時，它的自旋會在其周圍產生自旋密度波。這種自旋密度波反過來導致附近的電子落入由第一個電子產生的自旋凹陷（再次水床效應）。因此，再次形成了 Cooper 對。當系統溫度降低時，會產生更多的自旋密度波和庫珀對，最終導致超導。請注意，在高 Tc 系統中，由於庫侖相互作用，這些系統是磁性系統，因此電子之間存在強大的庫侖排斥。這種庫侖排斥阻止了庫珀對在同一晶格位點上的配對。結果，電子的配對發生在鄰近的晶格位置。這就是所謂的 d 波配對，其中配對狀態在原點有一個節點（零）。

## 例子

高溫超導銅氧化物超導體包括YBCO（釔-鋇-銅-氧化合物）等，都是著名的突破液氮的「溫度壁壘」（77K）的材料。

溫度（開爾文）｜材料｜超導體種類

300｜常溫（27℃/80.6℉）

278｜H2S·CH4（含碳硫化氫系統，267±10 GPa高壓)｜含碳硫化氫系統

250｜LaH10（十氫化鑭，170 GPa高壓)｜氫基

203｜H2S (150 GPa高壓)

195｜乾冰的昇華點

138｜Hg12Tl3Ba30Ca30Cu45O127｜銅氧化物

110｜Bi2Sr2Ca2Cu3O10（BSCCO）

92｜YBa2Cu3O7（YBCO）

77｜液態氮的沸點

43｜SmFeAs(O,F)｜鐵基

41｜CeFeAs(O,F)

26｜LaFeAs(O,F)

20｜液態氫的沸點

18｜Nb3Sn｜金屬低溫

10｜NbTi

4.2｜Hg（汞）

1.7｜C（以1.1度的偏轉夾角相疊的兩層石墨烯）｜石墨烯超導