高温超导物理

　　片断：第一章引言从1986年发现第一个铜氧化物高温超导体开始掀起的研究热潮，至今已持续十多年了.在这个遍及全球的热潮中，研究涉及领域的广度、触及问题的深度，都是近几十年来少见的.浩瀚的研究结果分散在上百次会议、数百种杂志的几万篇文献中.各种专著，包括各类专题性的综述在内，已逾千种.但是，尚不多见适合于学生用的教材.特别是在国内更不多见.已有的一些，也大多只是涉及早期的研究结果.笔者十年来在各种场合下，以‘高温超导研究新进展’为题，作过许多次演讲，深感需要一本专著性的教科书.写这样的书有相当的难度，主要是因为研究还在迅速地进行中，还没有一个统一的理论解释.笔者希望能以核心物理问题为主线，从众多物性的不同侧面，较为深入地揭示高温超导体向传统凝聚态物理学提出的挑战.使读者从实验中逐步地把握住传统的物理概念和理论是怎样失效的.笔者希望不拘泥于实验技巧的细节，能把实验中包含的物理本质介绍出来.希望不过多地借用数学，能把物理图象突显出来.使读者能尽快地进入高温超导研究的前沿领域，更快地触及到问题的核心方面.写这样一本书的难度是显而易见的.高温超导体有许多令人吃惊的性质.从发现高温超导现象至今十多年的研究热潮中，在继续寻找更高T↓c值的新材料的同时，人们已经在确证、充实及理解那些奇特的现象上花费了巨大的力量.这个课题任务是极重大的，因为强电子关联效应和强的磁耦合效应似乎是最要害的部分.人们必须找出某种确定的方式来修正BCS理论甚至朗道费米液体理论，以便说明这众多的奇异的反常性质.几十年来，朗道费米液体理论和BCS（巴丁－库珀－施瑞弗）理论曾不断被证明在非常广泛的材料中是正确的.然而，在高温超导体面前它们受到了严重的挑战.这种情况迫使人们必须发展这些理论，使它们能更综合地包容进电子之间的强相互作用.可以肯定，高温超导体正常态及超导态中的反常性质必定会使人们对固体的认识发生重大的改变.高温超导材料是迄今被研究过的最复杂的材料中的一种.需要纯度和均匀度都非常高的高质量大单晶，以便研究它们的许多各向异性的本征属性.我们将抛开研究工作的先后顺序，重点介绍主要的新现象和这些新现象反映出的重要的基本问题，以及相伴随着而发展出的新概念和新思想.选取的这些现象和基本问题，已经获得多数研究组的首肯和共识.可能，或者说，我们预期它们将能经受住时间的考验.由于篇幅所限，不能详细描述这些现象和问题的细节，只是强调结果的物理内涵，强调它们的偏离费米液体理论和BCS理论的反常奇异特性.本书前言前言物理学是自然科学的基础，是探讨物质结构和运动基本规律的前沿学科。几十年来，在生产技术发展的要求和推动下，人们对物理现象和物理学规律的探索研究不断取得新的突破。物理学的各分支学科有着突飞猛进的发展，丰富了人们对物质世界物理运动基本规律的认识和掌握，促进了许多和物理学紧密相关的交叉学科和技术学科的进步。物理学的发展是许多新兴学科、交叉学科和新技术学科产生、成长和发展的基础和前导。为适应现代化建设的需要，为推动国内物理学的研究、提高物理教学水平，我们决定推出《北京大学物理学丛书》，请在物理学前沿进行科学研究和教学工作的著名物理学家和教授对现代物理学各分支领域的前沿发展做系统、全面的介绍，为广大物理学工作者和物理系的学生进一步开展物理学各分支领域的探索研究和学习，开展与物理学紧密相关的交叉学科和技术学科的研究和学习提供研究参考书、教学参考书和教材。本丛书分两个层次。第一个层次是物理系本科生的基础课教材，这一教材系列，将在几十年来几代教师，特别是在北京大学教师的教学实践和教学经验积累的基础上，力求深入浅出、删繁就简，以适于全国大多数院校的物理系使用。它既吸收以往经典的物理教材的精华，尽可能系统地、完整地、准确地讲解有关的物理学基本知识、基本概念、基本规律、基本方法；同时又注入科技发展的新观点和方法，介绍物理学的现代发展，使学生不仅能掌握物理学的基础知识，还能了解本学科的前沿课题和研究动向，提高学生的科学素质.第二个层次是研究生教材、研究生教学参考书和专题学术著作.这一系列将集中于一些发展迅速、已有开拓性进展、国际上活跃的学科方向和专题，介绍该学科方向的基本内容，力求充分反映该学科方向国内外前沿最新进展和研究成果.学术专著首先着眼于物理学的各分支学科，然后再扩展到与物理学紧密相关的交叉学科.愿这套丛书的出版既能使国内著名物理学家和教授有机会将他们的累累硕果奉献给广大读者，又能对物理的教学和科学研究起到促进和推动作用.《北京大学物理学丛书》编辑委员会1997年3月

　　作者简介韩汝珊，1936年出生。1959年毕业于北京大学物理系。1982年赴美进修两年。现任北京大学教授、博士生导师，中国高等科技中心顾问委员会委员，中科院理论物理所凝聚态理论组负责人。他长期从事凝聚态、电子结构、高温超导、计算凝聚态物理、介观物理等方面的理论研究，完成或合作完成论文100余篇、出书8册。曾获1989年国家教委科技进步一等奖、北京大学特等奖（高温超导）和1994年国家教委科技进步二等奖（C↓60）。

     目录
   第一章 引言
   第二章 高温超导铜氧化合物晶体结构的特点与相图
    2.1层状结构及两种结构单元
    2.2CuO↓2双（多）层的特殊结构
    2.3载流子与相图
    2.4相关新材料的探索
    2.5微观模型
    2.5.1电子结构
    2.5.2三带模型
    2.5.3单带的hubbard模型和t－J模型
    2.5.4自旋费米子模型
    参考文献
   第三章 正常态的反常特性与电子间的强关联I：电荷关联
    3.1概述
    3.2电子谱
    3.2.1角积分谱（PES）
    （1）库仑关联
    （2）低束缚能的占据态
    （3）未占据的低能态
    （4）谱权重的转移
    3.2.2角分辨光电子谱（ARPES ）
    （1）关于费米液体
    （2）准粒子寿命
    3.2.3多带模型的关联参数
    （1）第一性原理限制密度泛函方法
    （2）单粒子谱及其拟合方法
    （3）量子蒙特卡罗方法
    3.3光学性质
    3.3.1电子喇曼散射
    （1）喇曼连续谱
    （2）双磁波子喇曼散射
    3.3.2光电导
    （1）谱权重的转移
    （2）中红外带
    （3）散射率和质量增强
    3.4 单粒子激发谱
    参考文献
   第四章 正常态的反常特性与电子间的强关联Ⅱ：自旋关联
    4.1磁有序和自旋动力学概述
    4.2几个重要问题（以La系为主作介绍）
    4.2.1反铁磁绝缘体La↓2CuO↓4
    4.2.2掺杂样品
    4.2.3几个机制问题
    （1）反铁磁长程序的破坏机制
    （2）绝缘－金属相变，多余载流子的巡游性
    （3）相分离
    （4）短程自旋关联
    （5）公度与非公度
    （6）多余空穴自旋自由度的冻结
    （7）超导样品的一些问题
    4.2.4小结
    4.3 YBa↓2Cu↓3O↓（6＋x）系统中的磁响应
    4.3.1x的温度反常
    4.3.2公度与非公度
    4.3.3自旋隙
    4.4有效低能模型中的自旋激发
    4.4.1半满情形中的磁关联及自旋动力学
    （1）海森伯模型中的反铁磁性
    （2）Hubbard模型中的自旋密度波
    （3）杂质效应
    4.4.2半满情形的单粒子激发
    （1）t－J模型中的单空穴态
    （2）t－J模型中的反铁磁自旋极化子
    （3）SDW态中的口袋和反铁磁自旋极化子
    4.4.3有限掺杂情形中的磁关联和自旋动力学
    （1）螺旋有序
    （2）顺磁态中的电子关联
    4.4.4有限掺杂情形中的单粒子激发
    （1）安德森点阵模型中的辅助粒子
    （2）t－J模型中的辅助粒子
    （3）涨落交换近似
    （4）赝隙和起始反铁磁性
    4.4.5电磁响应
    4.5有待进一步研究的几个重要问题
    4.5.1标度律
    （1）关联长度的标度行为
    （2）ω/T标度律
    4.5.2赝隙
    4.5.3其他
    参考文献
   第五章 正常态的反常特性与电子间的强关联Ⅲ： 费米面
    的特征
    5.1引言
    5.1.1铜氧化物超导体布里渊区高对称点的符号
    5.1.2铜氧化物超导体电子结构计算结果
    5.1.3二维性
    5.1.4从光电子谱确定费米面的规则和方法
    5.2光电子谱的实验结果
    5.2.1Bi↓2Sr↓2CaCu↓2O↓（8＋δ）的结果
    5.2.2Bi↓2Sr↓1.9Pr↓0.1CuO↓（6＋δ）的结果
    5.2.3YBa↓2Cu↓3O↓7和YBa↓2Cu↓4O8的结果
    5.2.4N型超导体的结果
    5.2.5铜氧化物超导体不同家族的测绘费米面的比较
    5.2.6铜氧化物超导体的掺杂行为
    5.2.7从入射偏振光子流获得的对称性信息
    5.2.8准粒子谱线形的分析
    5.3与其他技术测量的费米面的比较
    5.4小结
    参考文献
   第六章 正常态的反常特性与电子间的强关联Ⅳ：非常规
    费米液体问题
    6.1正常态许多属性反常
    6.1.1电阻率的温度依赖性
    6.1.2霍耳系数的温度特性
    6.1.3红外电导
    6.1.4喇曼光谱
    6.1.5隧道电导
    6.1.6奈特位移和自旋点阵弛豫
    6.2非常规费米液体行为的分析研究
    参考文献
   第七章 超导态的反常特性
    7.1概述及常规BCS图象的修正
    7.2电子热容
    7.3穿透深度λ（T）反常及新同位素效应
    7.4相干长度及H↓c2反常
    7.5微波响应及红外响应
    7.6热导率
    7.7核自旋点阵弛豫率反常
    7.8角分辨光电子谱关于超导态的研究
    7.9非s波对称性的证据
    7.10同位素效应
    7.11电声耦合的效应及其他吸引机制
    7.12两分量超导电性的证据
    参考文献
   第八章 与高温超导机制相关的理论研究
    8.1概述
    8.2局域密度泛涵（LDA）能带计算
    8.3模型哈密顿的严格解及数值计算研究
    8.3.1严格解
    8.3.2数值计算研究
    8.4基本取得共识的一些结果
    8.4.1掺杂莫特绝缘体（不是掺杂半导体）
    8.4.2强关联的描述
    8.4.3串势与载流子的退局域化
    8.4.4空穴的动量和能量
    8.4.5.空穴的色散关系
    8.4.6单空穴的动力学性质
    8.4.7空穴间的束缚
    8.4.8关联电子模型中的准粒子
    8.4.9大小费米面问题
    8.5几个高温超导机制模型
    8.5.1关于BCS理论的质疑
    8.5.2极化子－双极化子模型
    8.5.3以费米液体理论为基础的超导机制
    8.5.4边缘费米液体模型（MFL）
    8.5.5吸引Hubbard模型
    8.5.6三带模型及t－J模型中的长程关联
    8.5.7RVB模型，自旋电荷分离及Luttinger液体理论
    8.5.8U（1）及SU（2）理论
    8.5.9SO（5）理论
    8.6小结
    参考文献
   第九章 结束语
    部分名词英汉对照表