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非常规超导转变温度的可能上限

日期： 2025-03-11
浏览次数: 16
来源：中国科学院物理研究所


常压条件下室温超导的实现是21世纪物理学的最大梦想之一。找出限制超导最高转变温度的决定性因素，是探索发现更高温甚至室温超导的关键。
中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心EX9组的杨义峰研究员长期从事超导理论研究，曾发展了计算实际量子临界材料中超导配对的唯象理论方法，解释了CeCu2Si2、UTe2、YbRh2Si2、Sr2RuO4等体系中超导的配对对称性【Phys. Rev. Lett. 120, 217001 (2018)；Phys. Rev. Lett. 123, 217002 (2019)；Phys. Rev. B 100, 085132 (2019)；Phys. Rev. B 106, 054516 (2022)】。但在强耦合情况下，微扰方法难以给出正确的超导转变温度Tc。为了解决这个问题，他又提出结合静态辅助场量子蒙特卡洛和超导相位互信息方法估算Tc。这一方法涵盖了从弱耦合到强耦合的参数区间，针对铜氧化物及双层和三层镍氧化物超导体，可以给出和实验一致的理论预期【Phys. Rev. B 108, 054506 (2023)；Phys. Rev. B 108, L140504 (2023)；The Innovation Materials 2, 100102 (2024)】。
最近，他指导博士生秦琼（已毕业），利用上述方法对一系列简化的准二维超导模型进行了系统的比较研究，发现这些模型给出的最高超导转变温度均位于Tc/J~0.04-0.07的近似区间（其中J为占主导的短程配对相互作用），对现有非常规超导体实验数据的整理分析也证实了这一范围。以铜氧化物为例，实验测量的J最大不超过200meV，因此预计常压最高Tc应不超过90-160K的温度区间；实验上，单层铜氧化物超导体的最高Tc约为97K，三层为135K，高压下才达到165K。而在无限层镍氧化物中，先前实验报道常压最高Tc约为18K，比理论估计的最大值区间低一倍左右；但在此工作之后不久就有人合成了最高Tc约为35K的新材料，达到了理论预测的区间。这些结果支持了上述比值范围，并且表明，包括铜氧化物、重费米子、铁基、镍基等在内的非常规超导体系，基本上都已达到或接近各自J值所允许的Tc上限范围。因此，限制Tc有较大提升的根源在于配对相互作用的大小，实现室温超导需要材料中的J值提高至少一倍以上达到400-700meV的量级，或引入其他新型配对机制。
上述限制为超导理论研究提出了新的课题，同时也为实验探索更高温或室温超导体提出了一个可能的必要条件，有助于避免一些盲目的尝试。此外，由于超导受到配对场强度和相位相干的双重限制，实现最高Tc需要动能项和配对项之间满足一定的最佳匹配条件，这也导致了和先前一些文献不同的结论，如平带体系中不可能出现高温超导。相关工作发表于npj Quantum Materials 10, 13 (2025)。该工作受到了国家自然科学基金委、中国科学院和科技部项目的支持。
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