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镧系弱关联非中心对称超导体La4RuAl、La4IrAl以及LaIrGe的制备和物性研究

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摘要

第一章 绪论

1.1 超导简介

1.1.1 超导的基本特征

1.1.2 超导的发展历程

1.2 超导理论简介

1.2.1.London方程与Pippard非局域理论

1.2.2 Ginzburg-Landau理论

1.2.3 BCS理论

1.3 非中心对称超导体概述

1.3.1 晶体对称性与空间群

1.3.2 序参量的对称性

1.3.3 上临界场以及序参量的测量

1.3.4 非中心对称超导微观理论

1.3.5 几种典型的非中心对称超导体

第二章 实验方法

2.1 晶体生长

2.1.1 电弧放电法

2.1.2 助熔剂法

2.2 物性测量方法

2.2.1 X射线衍射法确定晶体结构

2.2.2 电阻测量

2.2.3 磁化率的测量

2.2.4 交流磁化率的测量

2.2.5 比热及其测量装置

2.2.6 同步差热热重分析及热分析仪

第三章 新型非中心超导体体系La4XAl(X=Ru,Ir)

3.1 引言

3.2 样品制备和实验方法

3.3 实验结果

3.3.1 材料晶体结构与空间对称性

3.3.2 电输运性质测量

3.3.3 交流磁化率和比热测量

3.3.4 上临界磁场

3.3.5 正常态直流磁化率和比热

3.4 与La4RuAl同结构La4IrAl的制备与物性测量

3.5 讨论

3.6 本章小结

第四章 LaIrGe的超导电性研究

4.1 引言

4.2 实验方法

4.3 实验结果

4.3.1 材料晶体结构与空间对称性

4.3.2 未退火材料的物性测量

4.3.3 退火后材料的电输运性质测量

4.3.4 交流磁化率与直流磁化率的测量

4.3.5 比热的测量以及对能隙的拟合

4.4 讨论

4.5 本章小结

总结和展望

参考文献

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摘要

非常规超导是当今凝聚态物理学研究的热点,超导意味着U(1)规范对称性破缺,而非常规超导中还会有其他对称性破缺。非中心对称超导体是晶体结构缺乏反演中心的超导体,由于晶体内不均匀势场通过反对称自旋轨道耦合作用(ASOC)破坏了能带的自旋简并,而超导电子对波函数也将由确定的宇称变为偶宇称自旋单态和奇宇称自旋三重态的混合态。这带来了包括非常规超导,拓扑奇异性,Majorana费米子等丰富的物理现象,近几年吸引了物理学界广泛的研究兴趣。Li2Pd3B,Li2Pt3B是研究弱关联非中心对称超导体的一个典型体系,研究发现重原子带来更强的反对称自旋轨道耦合作用,导致能隙存在节点,配对波函数中自旋三重态占主要部分。因此寻找新的弱关联非中心对称超导体并研究其超导电性对我们理解非常规超导具有重要意义。
  本文的主要内容集中于镧系弱关联非中心对称超导体La4RuAl、La4IrAl以及LaIrGe的制备和物性研究,论文由四部分构成,主要内容如下:
  第一部分为绪论,主要介绍超导的发展历史和主要理论模型,介绍解释非中心对称超导的微观理论模型和几种典型的研究材料。
  第二部分介绍本文用到的几种材料制备方法和物性测量手段,着重介绍对本文所提到的实验中关键的实验技巧。
  第三部分介绍立方镧系弱关联非中心对称超导体La4RuAl、La4IrAl的材料制备和物性表征,并对所得结果做一定讨论。实验发现La4RuAl、La4IrAl是未报道的块材新超导体,多晶粉末XRD衍射表明晶体结构都属于立方晶系,空间群F(4)3m(No.216),缺乏对称中心,在电阻和磁化率的测量中发现了零电阻现象和迈斯纳效应,转变温度分别为TcRu=1.76K和TcIr=1.6K,对比热的测量表明该超导是体效应,正常态电子比热系数为γRuN=20mJ/mol· K2以及γ/rN=22mJ/mol·K2,对于热处理后质量较高的La4RuAl,比热的拟合表明这可能是一个单能隙BCS超导体,能隙大小△=1.8kBTc,上临界场的行为可以用WHH理论较好拟合,μ0Hc2(0)=1.28T,未超过Pauli顺磁极限,很接近轨道极限。在该超导体中没有发现ASOC作用对能隙造成的明显影响,我们认为这是由于其处于非中心对称位置的原子互相抵消,造成自旋单态占主要部分。
  第四部分介绍四方晶系的镧系弱关联非中心对称超导体LalrGe材料的制备和物性表征。实验发现LalrGe的超导转变温度应该是1.35K而不是文献报道的4.5K,我们认为4.5K的超导相应该是来自杂相La3Ir2Ge2。多晶材料用电弧放电法制备,并经过长时间的热处理,XRD图谱表明,热处理后大量无序合金和固溶体形成了LalrGe。对电阻率,交(直)流磁化率以及比热的测量表明了块材超导性。正常态电子比热系数γN=6.05mJ/mol· K2,同时我们发现超导态电子比热的行为可以用两能隙模型很好拟合。

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