晶轴应变对MgB2超导材料临界温度影响的数值研究

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自超导体被发现的一百多年来,其优异的材料特性如零电阻效应、高磁场以及高电流密度等使得超导体一直成为众多的材料、物理以及工程应用等领域科学家们的研究热点。由于超导材料在应用时面临的高磁场、大电流以及超低温的复杂工作环境,将不可避免地受到力学变形的影响,力学变形不仅对超导材料的微观晶体结构产生影响,而且也会对其临界温度(TC)产生重要的影响,这将直接关系到超导体的性能及其安全应用,因此充分认识并改善超导材料的力学性能对其制备及应用具有重要意义。已有研究表明,MgB2的临界温度会随着a轴平面的拉伸出现上升的的趋势,但是在静水压下却呈现出下降的趋势,这表明不同类型的压力/应变对MgB2的TC影响不同。为了充分研究晶轴应变下MgB2的TC的变化趋势并寻找出更加有效的提高其TC的加压方法,本文基于McMillan超导临界温度计算公式和第一性原理密度泛函理论,研究了晶轴应变下MgB2的TC变化趋势,并构建了晶轴应变与MgB2超导材料的电声耦合常数λ和TC变化的拟合公式,并且通过与静水压力下MgB2超导体的TC变化的实验数据进行比较验证了所构建的拟合公式的准确性,同时运用所构建的拟合公式对静水压力、a轴平面压力以及c轴单向压力下的TC变化进行了分析和比较,进一步根据晶轴应变下的TC变化趋势提出了一个更加有效的提高TC的加压方法。此外,还通过研究MgB2晶体在不同压力以及晶轴应变条件下的弹性性质、电子性质、声子性质以及电声耦合性质等微观物理性质的变化,进一步揭示了压力和晶轴应变下MgB2临界温度变化的本质原因。研究的结果表明:相比于静水压力和c轴单向压力,a轴平面压力对TC的影响更大,并且在8 GPa的a轴平面拉伸力下,MgB2的TC可以提升至80 K左右。晶轴应变下的TC变化趋势与电声耦合常数λ的变化趋势基本一致,表明电声耦合常数对TC的影响较大,较高的TC值出现在a轴受拉伸并且c轴受压缩的应变区域,同时根据晶轴应变下MgB2的TC变化趋势提出了一个提高其TC的更加有效的加压方法:在施加a轴平面拉伸力的同时在c轴方向的施加一个适当的压力。此外,压力/晶轴应变下的较高TC出现的主要原因是由于MgB2的Eliashberg谱函数的峰值对应的频率有所降低并且在较低的频率处出现了新的峰值,从而使得其电声耦合常数获得了较大幅度的提升。本文的研究对于制备具有更高TC的MgB2超导材料,利用施加压力或应变的手段提高MgB2超导材料的TC以及对其超导机理的理解具有一定的理论及指导意义,同时也为寻找和制备具有更高TC的超导材料提供思想指引。
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