[論文レビュー] Physical Mechanism of Superconductivity

Xue-Shu Zhao, Yu-Ru Ge+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 4, 2010

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、キャリア誘発動的応力に基づく、超伝導の新しい物理的メカニズムを提案する。高エネルギーの非結合性電子が格子と相互作用することで、フェルミ準位より上に三次元のポテンシャル井戸が形成され、動的束縛状態を形成する。これらの電子の束縛エネルギーが転移温度を決定し、直流電圧下で位相整合した振動電流が生じ、ジョセフソン効果やh/e単位のフラックス量子化といった主要な現象を説明する。このメカニズムは、h/2eではなくh/eを単位としている。

ABSTRACT

The physical mechanism of superconductivity is proposed on the basis of carrier-induced dynamic strain effect. By this new model, superconducting state consists of the dynamic bound state of superconducting electrons, which is formed by the high-energy nonbonding electrons through dynamic interaction with their surrounding lattice to trap themselves into the three - dimensional potential wells lying in energy at above the Fermi level of the material. The binding energy of superconducting electrons dominates the superconducting transition temperature in the corresponding material. Under an electric field, superconducting electrons move coherently with lattice distortion wave and periodically exchange their excitation energy with chain lattice, that is, the superconducting electrons transfer periodically between their dynamic bound state and conducting state. Thus, the intrinsic feature of superconductivity is to generate an oscillating current under a dc voltage. The coherence lengths in cuprates must have the value equal to an even number times the lattice constant. A superconducting material must simultaneously satisfy three criteria required by superconductivity. Almost all of the puzzling behavior of the cuprates can be uniquely understood under this new model. We demonstrate that the factor 2 in Josephson current equation, in fact, is resulting from 2V, the voltage drops across the two superconductor sections on both sides of a junction, not from the Cooper pair, and the magnetic flux is quantized in units of h/e, postulated by London, not in units of h/2e. The central features of superconductivity, such as Josephson effect, the tunneling mechanism in multijunction systems, and the origin of the superconducting tunneling phenomena, are all physically reconsidered under this superconductivity model.

研究の動機と目的

• BCS理論を超えた超伝導の物理的起源を説明すること。
• 銅酸化物超伝導体における長年の謎、例えば異常な電子的性質やペアリング対称性を解消すること。
• コープァーパールに依存せずジョセフソン効果とフラックス量子化を再解釈すること。
• 超伝導の位相整合、トンネル効果、直流バイアス下の電流振動を統一的に説明するモデルを確立すること。
• 銅酸化物における位相整合長が格子定数の偶数倍でなければならないことを示すこと。

提案手法

• フェルミ準位より上に格子歪みによって形成される三次元ポテンシャル井戸に電子が自己捕獲するキャリア誘発動的応力効果を導入する。
• 超伝導電子を、格子と周期的なエネルギー交換を通じて束縛状態と伝導状態を往復する動的束縛状態としてモデル化する。
• 超伝導転移温度（Tc）の主な決定要因として、これらの動的束縛状態の束縛エネルギーを用いる。
• ジョセフソン効果を分析する際、電流式における係数2をコープァーパール形成ではなく、2つの超伝導領域間の電圧降下（2V）に起因するとする。
• 動的電子-格子相互作用モデルに基づき、フラックス量子化をh/e、h/2eではなくと再考する。
• マルチジャンクショントンネル系にモデルを適用し、ペアトンネル効果ではなく動的状態遷移を通じてトンネル現象を再解釈する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高温銅酸化物超伝導体における超伝導状態の形成に、どのような物理的メカニズムが関与しているか？
• RQ2 なぜ銅酸化物における位相整合長が格子定数の偶数倍となるのか？
• RQ3 コープァーパールを仮定せず、ジョセフソン効果をどのように説明できるか？
• RQ4 超伝導体における磁気フラックス量子化の真の起源はh/eか、h/2eか？
• RQ5 超伝導電子は直流電圧下でどのように位相整合した電流を維持できるか？

主な発見

• 超伝導転移温度は、フェルミ準位より上に形成される格子誘発ポテンシャル井戸に動的に捕獲された電子の束縛エネルギーによって決定される。
• 銅酸化物における位相整合長は、格子定数の整数倍の偶数倍でなければならない。これは実験的観察と整合する。
• ジョセフソン電流式における係数2は、コープァーパール形成ではなく、2つの超伝導領域間の電圧降下（2V）に起因する。
• 磁気フラックスはh/e単位で量子化され、伝統的なロンドンの仮説（h/2e）とは矛盾する。
• 直流電圧下における超伝導電流は、電子と格子間の周期的エネルギー交換により、本質的に振動的である。
• 本モデルは、ペアトンネル効果ではなく動的状態遷移を通じてマルチジャンクション系のトンネルメカニズムを説明できる。