磁场穿透深度测量装置的设计及其在超导序参量研究中的应用

摘要

磁场穿透深度是联系宏观电磁学与超导微观机理的重要参量。通过测量穿透深度和超流密度随温度的依赖关系，我们可以获取超导序参量对称性的重要信息。因此，磁场穿透深度的测量是研究超导形成机理的一种重要的研究实验手段。 本论文的一项重要工作是设计、制作并调试基于隧道二极管的极低温磁场穿透深度测量装置。利用隧道二极管的负电阻特性补偿LC回路的功率损耗，我们制作出可在低温环境下运行的高稳定性谐振回路。该隧道二极管共振器(TDO)工作频率可达兆赫兹，信号噪音小于2ppb，穿透深度测量分辨率优于0.3(A)，其最低测量温度低于40mK。 应用该实验技术并结合其它物性测量，我们对几类新型超导材料的超导电性以及序参量对称性展开了研究。本论文研究的超导材料主要包括以下几类:填充式方钴矿超导体PrPt4Ge12和LaPt4Ge12、非中心对称超导体BiPd以及镍基三元镓化物LaNiGa2。主要的研究结果表现在以下几个方面: 1.通过基于TDO的磁场穿透深度和比热的测量，并结合μSR实验结果，我们对填充式方钴矿超导PrPt4Ge12和LaPt4Ge12的序参量对称性进行了系统的研究。我们发现，唯象两能带BCS模型可以很好地拟合PrPt4Ge12的超流密度ρs（T）以及电子比热Ce(T)/T随温度变化的关系。对LaPt4Ge12而言，由伦敦穿透深度计算出来的超流密度ρTDOs随温度变化的曲率在超导转变温度以下发生改变，ρTDOs在全温区随温度变化的关系可以很好地用弱耦合两能带模型来描述。在TF-μSR测量中，较小的能隙可能被磁场抑制，超流密度ρμSRs仅表现出单能带BCS超导的行为。ρTDOs与ρμSR之间的差异很可能是由LaPt4Ge12弱耦合多能带超导特性导致的。通过对比不同类型的稀土方钴矿超导我们发现，两能带超导是稀土方钴矿超导的共性，并且稀土元素的4f电子可以使不同超导能带之间的耦合作用增强。 2.非中心对称超导BiPd的穿透深度在低温区间（T(<<)Tc）表现出明显的各向异性:平面内穿透深度λac（T）在低温随温度呈e指数增加，而面间穿透深度λb（T）与温度呈幂指数关系。此外，超流密度在不同晶格方向的分量可以用各向异性的两能带模型描述。我们指出,BiPd的这种复杂的超导能隙可能是由于中心反演对称破缺造成的。在这种情况下，反对称自旋轨道耦合作用导致自旋简并能级的分裂，允许自旋单态和自旋三重态相互混合，从而使其产生各向异性的两能带超导电性。得益于对单晶样品的测量，我们首次观察到了这一与理论预言相吻合的实验结果。 3.最近的ZF-μSR实验表明，在超导转变温度以下，LaNiGa2的时间反演对称性被破坏，因而它被认为是一类新型的超导体。我们的实验结果指出，LaNiGa2的穿透深度在低温区间（T(＜＜)Tc）随温度的变化可以用BCS模型很好地拟合，这表明其超导能隙不存在节点结构。此外，LaNiGa2的超流密度ρs（T），电子比热Ce/T以及上临界磁场μ0Hc2在全温区间随温度的变化都可以用γ两能带模型描述。所有这些实验结果都自洽地表明了LaNiGa2是一类多能带超导体。最后我们从多能带的角度讨论了LaNiGa2时间反演对称破缺可能的形成原因。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 超导发展历程

1．2 超导穿透深度研究概述

1．2．1 铜氧化合物

1．2．2 铁基超导

1．2．3 多能带超导

1．2．4 重费米子超导

1．2．5 非中心对称超导

1．3 本论文的创新点和组织结构

第二章 超导序参量对称性和穿透深度

2．1 超导配对对称性

2．2 准粒子态密度和超导能隙对称性

2．3 伦敦穿透深度

2．4 准粒子态密度与穿透深度、超流密度的关系

2．5 半经典模型近似

2．6 多能带超导超流响应函数的性质

2．6．1 α两能带模型

2．6．2 γ两能带模型

第三章 穿透深度测量方法概述

3．1 μ介子自旋弛豫法

3．2 双线圈互感法

3．3 SQUID磁强计

3．4 磁力显微镜

3．5 表面微波阻抗法

第四章 隧道二极管共振器的设计与调试

4．1 低温技术

4．1．1 稀释制冷机

4．1．2 3He制冷机

4．1．3 弱连接控温系统

4．2 电感法穿透深度测量原理

4．3 隧道二极管共振器的设计

4．3．1 隧道二极管简介

4．3．2 低温电路设计

4．3．3 室温电路

4．4 TDO的机械设计

4．4．1 TDO在3He制冷机上的设计

4．4．2 TDO在稀释制冷机上的设计

4．5 TDO测量系统调试和校准

4．5．1 测量系统调试

4．5．2 样品G因子的校准

第五章 填充式方钻矿超导PrPt4Ge12、LaPt4Ge12序参量的研究

5．1 引言

5．2 样品的合成与表征

5．3 PrPt4Ge12序参量的研究

5．3．1 伦敦穿透深度和超流密度

5．3．2 比热

5．3 LaPt4Ge12序参量的研究

5．3．1 伦敦穿透深度和超流密度

5．3．2 TF-μSR实验结果

5．4 讨论

5．5 本章小结

第六章 非中心对称超导BiPd穿透深度的研究

6．1 简介

6．2 实验方法

6．3 实验结果

6．4 讨论

6．5 本章小结

第七章 LaNiGa2序参量对称性的研究

7．1 简介

7．2 样品的制备与表征

7．3 穿透深度和超流密度

7．4 比热

7．5 上临界磁场

7．6 讨论

7．7 本章小结

第八章 总结与展望

参考文献

攻读博士期间发表的论文