火狐娱乐降低超导相变温度是超导本原筹议的一个要紧标的，也是超导普及运用的一个条件。正在高温超导微观机理尚不知晓的状况下，寻找高温超导体普通是通过对资料施加高压或通过掺杂使资料尽或许地亲昵反铁磁或其他量子担心稳点来告竣。这篇作品先容的是一种通过金属化σ 电子能带来降低超导相变温度的格式。这种格式之因而有用，不妨降低发明新的高温超导体的概率，是由于σ 电子与声子之间常常存正在很强的彼此效力，能够明显巩固电子的超导配对能，从而晋升超导相变温度。作家以全部资料为例先容了金属化σ 能带的几种可行途径，并先容了他们比来预言的两个相变温度或许高出50 K的超导体Li3B4C2与Li2B3C的晶体及电子机闭。

　　摸索和发明新的超导体，极度是高温超导体，是超导筹议连接寻求的一个标的，也是胀吹超导物理筹议和生长的一个要紧动力。1986年，瑞士物理学家Bednorz和Müller发明了铜氧化物高温超导体[1]，掀起了高温超导的筹议高潮，同时也深化和发动了强干系量子物理的筹议。2008年，Hosono等日本物理学家发明了铁基超导体[2]，又进一步扩展了高温超导的筹议范围。高温超导的筹议，之因而受到普及的注意，有两方面的理由：一是发明和斥地经济适用的高温超导体，是扩展超导体运用局限的条件，有很强的运用配景；二是陪伴新的高温超导体的发明，常常都有新形象和新效应的发明。对这些新形象和新效应的筹议，不只对摸索高温超导的微观机理有直接的帮帮，况且对摸索和发明新的微观量子次序和格式有指点意思。

　　超导是一种宏观量子形象。超导体正在超导态的直流电阻全部磨灭，同时还浮现出全部抗磁性，即迈斯纳效应。1911年，荷兰物理学家Onnes初次正在4.2 K的低温左近观测到了汞的超导形象，自此拉开了超导筹议的序幕。所谓高温超导体，是指超导相变临界温度Tc较量高的超导体。至于临界温度到达何种局限才属于高温超导体并没有厉厉的界说，但普通是指超导相变温度亲昵或高于40 K的超导体。正在铜氧化物高温超导体中，超导相变温度最高的是HgBa2Ca2Cu3O8+δ，Tc正在常压下为133 K[3]，加压后能够进一步升至164 K[4]。铁基超导体是另一类高温超导体，最高的超导相变温度为55 K[5]，约莫是铜氧化物超导体最高相变温度的三分之一。

　　摸索并阐明产生超导电性的微观量子机理是超导筹议范围的一个要紧课题。1957年，Bardeen，Cooper与Schridffer(BCS)提出超导电性的起因，是因为费米能级左近自旋和动量均相反的两个电子通过换取虚声子发生有用吸引彼此效力，造成约束电子对(即库珀对)所致[6]。他们的表面能够很好地注解元素和合金超导体的实践形象。可是，电声彼此效力并不是独一能够发生电子配对的彼此效力。铜氧化物和铁基超导体中发生电子配对的微观量子机理目前仍是一个谜，但普通以为首倘使体例中的反铁磁涨落，而不是电声彼此效力形成的。

　　超导相变温度首要由两个特色参数裁夺：一是导致电子配对的有用耦合常数；二是费米面左近不妨造成电子配对的特色能量标准。正在纯电声彼此效力体例中，这两个参数别离是电声耦合常数和特色耦合频率。正在强耦合的超导表面框架下，这两个参数能够通过密度泛函表面第一性道理企图近似取得。但对铜氧化物、铁基或其他非电声耦合所导致的超导体，怎么确定这两个参数还不知晓。

　　一是通过对或许造成超导配对的资料，极度是轻元素构成的单质或化合物资料，施加高压来降低超导相变温度。高压是调控资料本质的有用本领，可同时降低超导电子配对的彼此效力和特色能量标准，也能够使正在常压下担心稳或者亚稳的相变安稳，暴呈现新鲜的物理形象。比如，半导体锗和硅正在高压下能够被金属化，进入超导形态，超导相变温度别离为6.7 K和5.3 K。1968年，Ashcroft就曾预言固态氢正在高压下能被金属化，成为室温超导体[7]。但固态氢的金属化所需的压强很高，目前实践上还达不到。战胜这个难题的一种形式是挑选富氢资料，行使氢与其他元素之间的化学键所发生的有用吸引彼此效力，来消重金属化氢所需的压强。比来德国的一个实践组发明硫化氢正在200 GPa的高压下呈现了190 K的超导电性[8]，即是一个模范的例子，假使他们的实践结果取得证明，将是迄今为止发明的超导相变温度最高的超导体。

　　二是通过掺杂或其他本领使资料尽或许地亲昵反铁磁或其他量子担心稳点，借帮反铁磁或其他量子涨落来降低超导电子的配对能。反铁磁彼此效力是两个电子之间的一种有用彼此效力，正在铜氧化物高温超导体中，其特色能量标准约莫正在130 meV控造[9]，比金属中的电声彼此效力高约一个量级。很较着，比拟于电声彼此效力体例，由反铁磁彼此效力导致的超导电子的配对能也会高许多。可是，假使体例中的反铁磁彼此效力太强，也或许导致自旋的反铁磁有序，倒霉于或压造超导的呈现。是以，要宽裕行使反铁磁彼此效力对超导电子配对的效力，同时不让体例呈现反铁磁长法式，就要尽或许地亲昵但不要超越反铁磁相变临界点。

　　可是，以上两种格式均存正在各自的节造性。第一，实践上100 GPa以上高压的告竣和限造特别难题。氢正在高压下变为固态金属氢的临界压强至今没有确实值，表面企图预言临界压强正在500 GPa以上[10]，可是实质状况或许高于这一表面值。这样高的压强对高压实践提出了很大的挑衅。目前金刚石单晶压砧工夫能够到达的最高压强约为350 GPa[11]。2012年，Dubrovinsky及其配合家行使金刚石纳米晶体颗粒行为砧，改进了金刚石单晶硬度的各向异性，计划了双级高压装备，能够发生高达640 GPa的静态压强[11]。但缺憾的是，目前仍未有固态金属氢的实践报道。第二，使资料趋近反铁磁或其他量子担心稳点正在资料滋长上很难限造，没有牢靠的次序可循，依附这种本领发明新的高温超导体拥有很强的无意性。铜氧化物超导体和铁基超导体的发明即是如许的例子。

　　那么，是否存正在实践上更易限造而且有较量高的或许性合成或发明新的高温超导体的格式呢？谜底是断定的，那即是金属化资料中的σ 键电子，使其成为导电电子并超导。

　　σ 键是自旋相反的两个电子造成的约束正在一齐的自旋单态，这种化学键由两个好像或分歧的原子轨道沿轨道对称轴倾向彼此重叠而成，拥有较大的重叠水平，对应的键能很大，是最强的共价键。比如金刚石中由sp3杂化造成的σ 键的键能约为3.9 eV。正在固体资料中，σ 键电子之间会进一步杂化，造成能带，称之为σ 能带电子 大小。σ 键电子对离子实的晶格振动特别敏锐，与声子的彼此效力很强，是安稳晶体机闭的一个要紧要素。但杂化所造成的σ 能带常常会被填满，处于费米能级之下，不导电。是以，通过金属化σ 能带电子来告竣超导，即是要通过掺杂等各式本领把σ 能带提到费米面之上，造成导电电子，并通过与声子耦合造成超导电子配对。金属化σ 电子，会局限削减电子与离子实的彼此效力，削弱电子的配对能，但只须σ 电子的能带机闭没有产生大的变革，残剩的电声彼此效力依旧会很强，一朝造成超导配对，对应的超导相变温度就或许会很高。

　　结果上，MgB2即是硼的σ 电子被金属化后造成的超导体，其超导相变温度高达39 K，是迄今为止常压下发明的临界温度最高的电声耦合超导体[12]。正在铜氧化物高温超导体中，铜的3d(x2－y2)轨道会与氧的2p轨道杂化造成σ键，空穴掺杂后，氧上的σ电子会被晋升到费米面，成为导电电子，并与二价铜离子的自旋造成Zhang—Rice自旋单态[13]，进而发生超导。是以，通过金属化σ电子来诱导高温超导体并不是一个新的物理形象。只是过去大多没故认识到，这实质上是一个多数创办并可用于发明新的高温超导体的普通性次序。

　　怎么将σ 电子能带晋升到费米能级，使其金属化，依赖于资料的化学因素和机闭，没有固定的形式。下面咱们以少少全部的例子来先容几种或许的途径。

　　(1)晶体场效应：晶体场与电子的彼此效力对分歧的能带能够是纷歧律的，行使这个本质，通过调整晶体场与电子的彼此效力，能够晋升价带电子的能量或消重导带电子的能量，使得σ 电子金属化。通过这种形式告竣超导的一个模范例子即是MgB2。正在这个资料中火狐娱乐，硼原子排成二维蜂巢机闭，镁原子位于硼六边形中央的正上方，坐落正在相邻两层硼原子层之间，Mg2+离子实对硼的π电子有很强的吸引彼此效力，但与硼的σ 电子彼此效力很幼。镁离子与硼的π电子的彼此效力大幅消重了π电子能带的能量，使得σ能带和π能带正在能量上产生重叠，从而导致了σ 能带的金属化(见图1(a))[14]。这些金属化的σ 电子又进一步与二维平面内硼原子的E2g声子形式耦合，使得MgB2成为一个39 K的超导体(见图1(b))[15]。

　　图1 (a)MgB2的能带图，红线和蓝色别离透露以硼原子的σ 电子和π电子为主所造成的能带，弧线的粗细代表σ 电子和π电子对这些能带功勋的巨细，费米能级取为零；(b)MgB2的声子谱，红线的粗细水平代表电子与E2g声子耦合的强弱

　　(2)高压：高压能够改良晶体的机闭，安稳少少亚稳态机闭，也能够通过调整电子能带的宽度改良能带的机闭。正在高压下，因为原子轨道之间的重叠积分增补，能带宽度增补。假使能带宽度的增补使得导带和价带(许多状况下是σ 能带)产生了明显的重叠，就能够使得σ 能带金属化。正在超导相变温度或许达190 K的硫化氢资料中，实践和表面企图均以为H2S正在高压下将剖析，超导首倘使H3S [8,16—18]。H3S中氢的s 电子与硫的p 电子杂化造成的σ 能带即是通过高压得以金属化的[18]。假使H3S正在200 GPa下的190 K超导电性取得实践进一步的证明，那么这种资料即是通过高压金属化σ 电子告竣超导的一个例子。

　　(3)电荷掺杂：电荷掺杂正在铜氧化物和铁基超导体的筹议中阐发了要紧的效力，也是有用调整费米能级的职位、金属化σ 能带的一种本领。2004年Ekimov和配合家发明2.8%硼掺杂的金刚石呈现了超导[19]，相变温度为4 K，这种超导电性即是因为硼掺杂把金刚石的价带，也即是sp3杂化造成的σ能带，晋升到费米能之上形成的，而不是杂质能带的功勋[20—22]。表面企图发明，假使能把金刚石中硼的掺杂浓度降低到20%—30%，超导相变温度还能够取得进一步的降低[23]，但对金刚石高浓度的硼掺杂现正在还难以告竣。铜氧化物高温超导体中空穴掺杂也是把铜的3d(x2－y2)电子与氧的2p 电子杂化造成的σ 键晋升到了费米能级，但正在此本原上电子怎么告竣超导配对，其机理目前还不知晓火狐娱乐。

　　以上筹商阐明，通过金属化σ 电子是一种普适并有用发明新的高温超导体的格式。基于这种图像，Pickett和配合家曾预言，有50%锂空隙(锂空隙等价于空穴掺杂)的LiBC是一个强耦合的电声超导体[24]，超导温度可达100K。没有掺杂状况下，LiBC是一个半导体，其晶体机闭与MgB2犹如，由交织陈设的蜂巢状硼碳层和正在硼碳正六边形中央上方插层的锂原子层所构成(见图2(a))，价带顶是硼碳原子造成的sp2杂化的σ 能带(见图2(d))。通过锂空隙掺杂空穴后，局限σ 能带电子穿过了费米能级。但实践尚未观测到Li0.5BC的超导电性电子 大小，理由是锂原子局限缺失后，硼碳原子层会产生机闭改良，全部改良了能带机闭，未能告竣σ 能带的金属化[25]。这个例子阐明，正在通过空穴掺杂晋升σ 能带的经过中电子 大小，应尽或许维持原晶体机闭的安稳性，使得σ 能带正在空穴掺杂后不会产生大的畸变。

　　图2 (a—c)LiBC，Li2B3C和Li3B4C2的晶体机闭图；(d—f)LiBC，Li2B3C和Li3B4C2的能带图，费米能级取为零。红线杂化的σ 轨道正在相应的布洛赫态中的权重

　　为了避免通过锂空隙掺杂导致的晶体担心稳性，比来咱们倡导对LiBC举行空穴掺杂，最好是行使硼原子局限交换碳原子，而不是发生锂空隙[26]。通过表面企图，咱们发明有两种相比照较安稳的资料，Li2B3C和Li3B4C2，其机闭如图2(b)和2(c)所示，都或许是相变温度较量高的超导体。Li2B3C是正在LiBC晶体机闭的本原上，将中央的硼碳层全部交换成硼原子层而造成。正在Li3B4C2中每层硼碳原子层均维持硼碳2:1的比例，层内两个碳原子排成正六边形机闭。图2(e)和2(f)别离是这两种资料的能带机闭，Li2B3C和Li3B4C2均有sp2杂化的σ 能带穿越费米能级。通过对电声彼此效力的第一性道理企图，咱们发明正在这两种资料中，正如所预期的，σ 能带电子与声子有很强的彼此效力。进一步遵循强耦合超导的Eliashberg表面企图，咱们发明它们的超导相变温度都正在50 K以上[26]。通过企图，咱们还发明，这两种资料的声子谱中都不存正在虚频，动力学上是安稳的，有很大的或许性正在实践室中合成出来。假使咱们的表面预言取得实践的证明，这将是正在常压下取得的超导相变温度最高的电声超导体。

　　正在金属化σ 能带经过中，维持晶体机闭的安稳性是一个必要负责对于的题目。其一，σ 电子与声子之间的强耦合或许诱导资料产生机闭相变，使晶体存有潜正在的担心稳性。要战胜这一过错，应尽量使与电子有强耦合的声子形式是光学支声子，而不是声学支声子。声学支声子频率低，强电声耦合或许会使其进一步软化，从而触发机闭相变。其二，σ 键对晶体机闭的安稳有要紧的效力，咱们不或许也不该当测验把全豹的σ 能带都金属化，而是要有挑选地把最亲昵费米能级的某一支或很少几支σ 能带，正在布里渊区的某些局限金属化即可。其三，因为二维体例的σ 能带沿笔直于二维平面倾向简直无色散，金属化后二维体例的σ 电子正在费米能级的态密度常常比正在三维体例中大火狐娱乐，有利于超导。是以消重体例的维度，能够有用地增补费米面上的态密度，降低超导相变温度。

　　总之，通过金属化σ 能带来发明新的高温超导体是一个值得摸索和生长的筹议倾向，有普及的施展空间，除了前面提到的Li2B3C和Li3B4C2，大批的半金属或半导体资料通过σ 能带的金属化都有或许成为强耦合的高温超导体。这种摸索标的显然，能够避免高温超导筹议中的盲目性和无意性，也能够更好地与表面(极度是密度泛函表面)企图团结，阐宣布面的指点效力，增补凯旋发明新的高温超导体的概率。

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