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水合钴氧化物的超导相图及掺杂EuFe_2As_2体系中超导与铁磁共存研究

作　者: 任之
导　师: 曹光旱
学　校: 浙江大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 上临界场超导相图水合钴氧化物超导体铁基砷化物超导体超导母体化合物超导与铁磁共存
分类号: O511.3
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

超导电性是一种宏观量子现象,具有丰富的物理内涵。就超导基础研究而言,一方面,人们致力于揭示产生超导电性的物理机制,特别是那些不同于电声子相互作用的非常规超导机制；另一方面,人们又在努力寻找新超导体,其中那些表现出超导和磁性共存的则格外令人感兴趣。在本论文中,我们研究了：(1)三角点阵Nax(H3O)：coO2·yH2O超导体的上临界场,电子相图及热稳定性；(2)在三元铁基砷化物EuFe2As2中的Fe位和As位的掺杂效应。本论文的主要结果如下：(i)超导体的上临界场与超导配对态相关。在Nax(H3O)zCoO2·yH2O超导体中,文献报道磁测量给出的零温时上临界场Hc2(0)远远超过泡利顺磁极限Hp≈8.3T,这与其他测量给出的结果不一致。为了澄清这一矛盾,我们对取向多晶超导样品外磁场平行于ab面的磁化强度进行了详细的测量。通过标度分析,我们发现低温磁化率的上翘来自于顺磁杂质而非以前所认为的自旋涨落。在高磁场下,超导表现为对布里渊函数的偏离,其结果表明(?)(0)值是在泡利顺磁极限Hp≈8.3T之内。我们的结果进一步支持超导Cooper对为自旋单态配对。(ii)掺杂超导体的电子相图对我们确定其超导机制具有一定的指导作用。国际上不同课题组提出的关于Nax(H3O)zCo02·yH2O的超导相图相去甚远,这主要是由于该超导体不可避免地含有水合氢离子而使得Co价态有很大不确定性。我们设计了一种简单可行的后还原软化学方法来调节和测量Co的价态,所采用的还原剂为NaOH溶液。其中Co价态的变化可以通过测量反应中释放氧气的体积而精确获得。在浓NaOH的条件下,水合氢离子的影响几乎可以消除,使得Co的绝对价态仅由Na含量所决定。以此为基础,我们对超导相图进行了修正,即在Co价态从+3.58到+3.65的区间内超导临界温度随Co价态的升高而单调升高。(iii)Nax(H30)zCoO2·yH2O超导体在实验室环境中非常不稳定,极易失去部分结晶水而失去超导电性,这也导致文献中经常出现不一致的结果。我们用实验表明在浓NaOH溶液中还原的样品稳定性相比还原前大大提高,从而实现了Nax(H3O)：CoO2·yH2O超导体的稳定化。对稳定化后的超导体进一步研究有助于加深我们对这种奇特材料的认识。(iv)我们首次对三元铁基砷化物EuFe2As2的输运及热力学性质进行了系统的测量。结果表明EuFe2As2分别在200K和19K经历两个磁相变。其中200K附近的相变可以归结于与Fe磁矩有关的自旋密度波转变。基于此点,我们预期EuFe2As2也是一种可能的超导体母体化合物,随后的实验很快证实了这一点。而在19K时,Eu2+的磁矩形成长程反铁磁序,同时我们也观察到了磁场诱导的从反铁磁有序到铁磁有序的变磁相变。我们认为这与Eu2+磁矩可能的”A型”反铁磁结构紧密相关,后续的实验也支持这一观点。(v)我们对EuFe2-xNixAs2(0≤x≤0.2)系列多晶样品的磁及输运性质进行研究。其结果发现Ni掺杂同时抑制Fe磁矩的自旋密度波和Eu2+磁矩的反铁磁转变。当x≥0.06时,Eu2+的磁矩从反铁磁有序过渡到铁磁有序,这也是首次在铁基砷化物系统中观察到长程铁磁序。虽然进一步提高Ni含量至x≥0.16使Fe磁矩的自旋密度波转变完全被抑制,但在2K以上却未观察到超导转变。我们给出了关于EuFe2一xNix·As2(0≤x≤0.2)详细的磁相图,并根据RKKY机制对其进行了讨论,表明Eu2+磁性与[Fe2-xNixAS2]2-层的电子态间存在很强的耦合。(vi)我们发现EuFe2(As0.7P0.3)2在26K发生超导转变,降温到20K时Eu2+磁矩形成长程铁磁序同时在电阻上观察到再入现象,而当温度进一步降低时系统又进入超导态并且与铁磁序是共存的。比热测量的结果表明超导和铁磁均为体性质。这一发现是实验上首次在不改变Fe3d电子数目的前提下引入超导,也是首次通过As位掺杂引入超导,同时提供了一个新的也是很罕见的超导和铁磁共存现象的实例。最后一章是对全文的总结,同时还对今后的工作进行了展望。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-8
Abstract  8-13
第一章绪论  13-29
  1.1 超导基本现象  13-15
    1.1.1 零电阻态和Meissner效应  13-14
    1.1.2 临界磁场  14
    1.1.3 比热跃变  14-15
  1.2 BCS微观理论  15-17
  1.3 Ginzburg-Landau(GL)唯象理论  17-19
  1.4 自旋单态与自旋三重态超导  19-20
  1.5 三角点阵中的共振价键态超导  20-23
    1.5.1 共振价键态(RVB)  20-21
    1.5.2 三角点阵Na_xCoO_2·yH_2O超导体:可能的二维RVB超导体  21-23
  1.6 超导与铁磁的竞争和共存  23-27
    1.6.1 理论背景  23-24
    1.6.2 相关实验研究进展  24-26
    1.6.3 探索新铁磁超导体的意义  26-27
  1.7 本论文的组织结构及创新点  27-29
第二章水合钴氧化物超导体Na_x(H_3O)_zCoO_2·yH_2O的超导相图及稳定性研究  29-55
  2.1 Na_x(H_3O)_zCoO_2·yH_2O的结构及极端化学不稳定性  29-33
    2.1.1 晶体结构  29-30
    2.1.2 电子结构  30-31
    2.1.3 化学不稳定性和复杂性  31-33
  2.2 Na_x(H_3O)_zCoO_2·yH_2O超导体的上临界场  33-41
    2.2.1 研究动机和目的  33-35
    2.2.2 实验细节  35-36
    2.2.3 结果讨论  36-41
  2.3 Na_x(H_3O)_zCoO_2·yH_2O中Co价态的调控  41-48
    2.3.1 研究动机目的  41-42
    2.3.2 实验细节  42-44
    2.3.3 结果讨论  44-48
  2.4 Na_x(H_3O)_zCoO_2·yH_2O超导体的稳定化  48-53
    2.4.1 研究动机和目的  48-49
    2.4.2 实验细节  49
    2.4.3 结果讨论  49-53
  2.5 本章小结  53-55
第三章 EuFe_2As_2的化学掺杂研究—探索超导与磁性的竞争与共存  55-88
  3.1 铁基砷化物高温超导体  55-66
    3.1.1 超导体母体化合物  55-62
    3.1.2 实现超导的途径  62-66
  3.2 三元铁基砷化物EuFe_2As_2:一类可能的超导母体材料  66-69
  3.3 EuFe_(2-x)Ni_xAs_2中自旋密度波的抑制与Eu~(2+)磁矩铁磁序的出现  69-77
    3.3.1 研究动机和目的  69
    3.3.2 实验细节  69-70
    3.3.3 结果讨论  70-77
  3.4 EuFe_2(As_(0.7)P_(0.3))_2中超导与Eu~(2+)磁矩铁磁序的共存  77-86
    3.4.1 研究动机和目的  77-78
    3.4.2 实验细节  78-79
    3.4.3 结果讨论  79-86
  3.5 本章小结  86-88
第四章结束语  88-91
参考文献  91-103
攻读博士学位期间主要研究成果  103-104

水合钴氧化物的超导相图及掺杂EuFe_2As_2体系中超导与铁磁共存研究

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