Korkean lämpötilan suprajohtavuus

Korkean lämpötilan suprajohtavuus (HTSC, High-temperature supraconductors tai High-T c ) on suprajohtavuutta suhteellisen korkeissa lämpötiloissa. Historiallisesti raja-arvo on 30 K lämpötila, mutta useat HTSC:n kirjoittajat tarkoittavat suprajohtimia, joiden kriittinen lämpötila ylittää typen kiehumispisteen (77 K tai -196 °C).

Kuvaus

Suprajohtavuusilmiö koostuu materiaalin sähköisen vastuksen täydellisestä menettämisestä, kun se jäähtyy tämän materiaalin kriittisen lämpötilan alapuolelle. Korkean lämpötilan suprajohtavuuden erityinen merkitys piilee mahdollisuudessa käyttää käytännössä ilman voimakasta jäähdytystä tai klassisissa suprajohtimissa tarvittavaa paineistettua nestemäistä heliumia halvemmalla ja kätevämmällä jäähdytysaineella (nestemäinen vety, typpi, metaani).

Vuoteen 2020 mennessä ilmakehän paineessa korkeimmat suprajohteet ovat kupraatit  - keraamiset materiaalit (oksidiseos) [2] .

Vuonna 2018 tietokonemallit ennustivat kompleksisten hydridien suprajohtavuuden , jotka ovat "seostettuja" metallista vetyä lähellä huoneenlämpötiloja ja luokkaa 200 GPa [3] . Tämän teoreettisen kehityksen perusteella vuosina 2019–2020 lantaani- ja yttriumhydrideissä saatiin suprajohtavuus 245–260 K lämpötiloissa ja miljoonan ilmakehän paineissa, esimerkiksi LaH 10±x muuttuu suprajohteeksi, kun se jäähdytetään 250 °C:seen. K 188 GPa:n paineessa [4] , YH₆:lle suprajohtava muutos tapahtuu lämpötilassa 227 K ja paineessa 237 GPa, YH 9 :lle  - 243 K:n ja 201 GPa:n lämpötilassa, ThH 10 :lle  - 161 K:n ja 174: n lämpötilassa GPa, ThH 9  - 146 K ja 170 GPa, YH [2 ] [5] . Nämä arvot ovat keskimäärin 30 K pienempiä kuin malleissa ennustetaan, mikä vaatii mallien lisätutkimusta ja korjausta. Erityisesti Li2MgH16-yhdisteen ennustettu suprajohtavuus paineessa 250 GPa ja lämpötilassa 473 K voi myös osoittautua liian optimistiseksi [5] .

Historia

IBM Corporationin tiedeosaston työntekijät Karl Müller ja Georg Bednorz löysivät ensimmäisen korkean lämpötilan suprajohtavuuden ilmiön La 2-x Ba x CuO 4 -yhdisteessä, jonka kriittinen lämpötila on 35 K. Tästä löydöstä heille myönnettiin Nobel-palkinto vuonna 1987 . Tämän tyyppistä keramiikkaa (AMO3-perovskiitit) tutkittiin aktiivisesti Neuvostoliitossa samaan aikaan .

Vuonna 1987 löydettiin suprajohde YBCO (yttrium-barium-kuparioksidi), jonka kriittinen lämpötila oli 92 K. Se oli ensimmäinen suprajohde, jonka kriittinen lämpötila oli korkeampi kuin nestemäisen typen kiehumispiste (77 K).

Vuonna 2015 kriittisen lämpötilan T c 203 K ennätysarvo saavutettiin rikin ja vedyn yhdisteessä, joka asetettiin 150 GPa:n (1,5 miljoonan ilmakehän) paineeseen [6] .

Vuonna 2018 korkean lämpötilan suprajohtavuuden ennätys rikottiin kahdesti kerralla:

• kun lantaanisuperhydridi LaH 10 puristettiin 170 GPa:iin (1,7 miljoonaa ilmakehää), saatiin T c = -13 °C (260 K). [7] [8]
• Intialaisten tutkijoiden mukaan, kun nanorakenteinen hopea jäähdytetään kultasubstraatilla, he onnistuivat saamaan T c = 236 K (-37 °C) - normaalipaineessa, mutta heidän artikkelinsa ei ole vielä läpäissyt vertaisarviointiprosessia ja tulosta. ei voida pitää lopullisesti vahvistettuna. [9]

Muu

Keraamisten HTSC:iden rajoitettu käytännön käyttö johtuu siitä, että HTSC:n läpi virtaavan virran aiheuttama magneettikenttä suuressa arvossa johtaa johtimen sisäisen kerrosrakenteen tuhoutumiseen ja siten peruuttamattomaan häviöön. suprajohtavista ominaisuuksista. Samanaikaisesti suprajohtaville tuotteille (sekä HTSC- että klassisille) tällainen rikkomus yhdessä pisteessä riittää, koska tuloksena olevasta viasta tulee välittömästi korkean vastuksen omaava alue, jolle vapautuu lämpöä, mikä aiheuttaa vierekkäisten laitteiden peräkkäistä kuumenemista. alueet, eli lumivyörymäinen uloskäynti suprajohtavasta tilasta koko johtimen tilasta.

Normaalit (ja suprajohtavat) tilat osoittavat monia yhteisiä piirteitä eri kupraattikoostumusten välillä; monia näistä ominaisuuksista ei voida selittää BCS-teorian puitteissa . Hyvin muotoiltua teoriaa oksidi-HTSC:iden suprajohtavuudesta ei tällä hetkellä ole olemassa; ongelma on kuitenkin johtanut useisiin mielenkiintoisiin kokeellisiin ja teoreettisiin tuloksiin.

Alan tutkimuksen päätavoitteena ovat korkean lämpötilan suprajohteet - materiaalit, jotka toimivat vähintään maan päällä yleisissä lämpötiloissa (noin −30 °C) ja korkeintaan huoneenlämpötilassa. Niiden luominen johtaisi vallankumoukseen energia- ja elektroniikkateollisuudessa, joissa johtimien resistanssista johtuvat häviöt ovat merkittävä ongelma.

Korkean lämpötilan suprajohteiden kaksoisrakenne ja palautuva plastisuus vaikuttavat merkittävästi niiden suprajohtaviin ominaisuuksiin [10] .

Intermetallics

Vuonna 2001 löydettiin metalliseos Mg B 2 ( magnesiumdiboridi ), jonka lämpötila oli ennätyksellisen korkea siirtymävaiheessa suprajohtavaan tilaan metallien välisille yhdisteille T c = 40 K. Tämän aineen kiderakenne on vuorotellen boorikerros ja magnesiumkerrokset. . Kerrostaminen johtaa fysikaalisten ominaisuuksien anisotropiaan , eli sähkönjohtavuuden, optisen absorptiospektrin, lujuuden jne. arvot ovat erilaisia ​​kerrosten tasossa ja kerroksiin nähden kohtisuorassa suunnassa. Tästä kahden vyöhykkeen yhdisteestä tuli ensimmäinen tieteen tiedossa oleva suprajohde, jossa oli kaksi suprajohtavaa rakoa kerralla (kahden aukon suprajohtavuus), mikä ennustettiin teoreettisesti ja vahvistettiin kokeellisesti. Boorin reiän kvasi-kaksiulotteisissa vyöhykkeissä (σ-vyöhykkeet) suprajohtavaan tilaan siirtyessään kvasihiukkasten spektriin muodostuu aukko Δ σ (kiellettyjen energioiden kaista yksittäisille elektroneille ja rei'ille) arvoilla noin (10-11) meV maksimi T c :llä . Magnesiumin kolmiulotteisille vyöhykkeille (π-vyöhykkeet) muodostuu myös suprajohtava rako Δ π , jonka amplitudi on noin (1,5 - 3) meV. Siten suprajohtavassa Mg B2 :ssa esiintyy rinnakkain kaksi suprajohtavaa kondensaattia : isotrooppinen kolmiulotteinen (magnesiumin π-kaistoista) ja kaksiulotteinen reikäkondensaatti (lokalisoitunut boorikerroksiin).

Muiden atomien epäpuhtauksien lisääminen Mg B 2 :een eli seostus johtaa kriittisen siirtymälämpötilan T laskuun . Ilmeisesti tällä yhdisteellä on luonnostaan ​​suprajohtavuudelle optimoidut ominaisuudet, eikä sitä voida "parantaa" keinotekoisesti. Kun T c lasketaan arvosta 40 K arvoon 10 K, pienen raon Δ π arvo muuttuu hieman ja suuren raon Δ σ arvo pienenee kriittisen lämpötilan mukana, kokeen tekijät havaitsevat lineaarisen suhteen T c :n ja Δ :n välillä. σ . BCS-teorian ominaissuhde 2Δ σ /k B T s on johtavien venäläisten kokeilijoiden arvioiden mukaan välillä 5-7, mikä viittaa vahvaan elektroni-fononi-vuorovaikutukseen boorikerroksissa ja tuo Mg B 2 :ta lähemmäksi . kuparoida HTSC:itä.

Kiinnostus magnesiumdiboridin käytännön sovelluksiin johtuu mahdollisuudesta käyttää tätä suprajohdetta jäähdytettynä nestemäisellä vedyllä kalliin nestemäisen heliumin sijaan . Magnesiumdiboridin synteesin teknologioiden kehittäminen mahdollisti ensimmäisen Mg B 2 -pohjaisen suprajohtavan MRI:n luomisen vuonna 2006.

Rautapohjaiset suprajohteet

Vuonna 2008 löydettiin uusi suprajohtavien yhdisteiden luokka, joilla on korkeat kriittiset lämpötilat T c [11] [12]  – kerrostetut yhdisteet, jotka perustuvat rautaan ja ryhmän V alkuaineisiin ( pniktideihin ) tai seleeniin , niin sanotut ferropniktidet tai rautaselenidit . Suprajohtava tila löydettiin ensin yhdisteistä, jotka sisältävät Fe -atomeja . Kaikkien rautaa sisältävien suprajohteiden kiderakenne (6 perhettä tunnetaan jo) koostuu vuorottelevista kerroksista, joissa rautaatomeja ympäröi As- tai Se - atomien tetraedri . Tällä hetkellä T c :n ennätyksen haltija on happea korvaava fluorilla seostettu yhdiste GdOFeAs (Gd-1111). Sen T c saavuttaa 55 K.

Kaikilla rautaa sisältävillä suprajohteilla on monivyöhykerakenne ja ne ovat lähes kaksiulotteisia (niillä on ominaisuuksien anisotropiaa tasojen poikki suunnassa). Siirtyessään suprajohtavaan tilaan jokainen nauha avaa oman aukkonsa kvasihiukkasspektrissä, mikä johtaa vähintään kahden suprajohtavan kondensaatin ja monivälisen suprajohtavuuden ilmaantuvuuteen, kuten Mg B2 :n ( magnesiumdiboridin ) tapauksessa . BCS-teorian ominaissuhde 2Δ big / k B Ts on venäläisten kokeiden mukaan välillä 4,6 - 6.

Orgaaniset suprajohteet

1960-luvun lopulla ja 1970-luvun alussa oli suuria toiveita orgaanisten varauksensiirtokompleksien (CTC), kuten en :TCNQ -TTF ( tetrasyanokinodimetaani - tetratiafulvaleeni ) -kompleksien synteesistä. Huolimatta useiden lupaavien yhdisteiden synteesistä kävi kuitenkin ilmi, että suprajohtavuus näissä komplekseissa on epävakaa jopa pienillä virrantiheyksillä[ kuinka paljon? ] .

Katso myös

• BSCCO
• ReBCO
• TBCCO
• Yttrium-barium-kuparioksidi
• Lantaani-barium-kuparioksidi
• Cuprate suprajohteet

Muistiinpanot

1. ↑ José A. Flores-Livas, Lilia Boeri, Antonio Sanna, Gianni Profeta, Ryotaro Arita. Näkökulma tavanomaisiin korkean lämpötilan suprajohtimiin korkeassa paineessa: menetelmät ja materiaalit  //  Physics Reports. – 2020-04. — Voi. 856 . - s. 1-78 . - doi : 10.1016/j.physrep.2020.02.003 . Arkistoitu 3. toukokuuta 2020.
2. ↑ 1 2 Korzhimanov, A. Vuoden 2019 tulokset fysiikassa // Elements. - 2020 - 12. helmikuuta. — [ Video YouTubessa alkaen 42:10 42:10-59:10] .
3. ↑ Bi, Tiange. Suprajohtavuuden haku korkeapainehydrideissä ]  / Tiange Bi, Niloofar Zarifi, Tyson Terpstra … [ et al. ] // Kemian, molekyylitieteiden ja kemiantekniikan viitemoduuli, Elsevier. - 2019 - helmikuuta — [Preprint julkaistu 1.6.2018]. — ISBN 9780124095472 . - arXiv : 1806.00163 . - doi : 10.1016/B978-0-12-409547-2.11435-0 .
4. ↑ Somayazulu, Maddury. Todisteet yli 260 K:n suprajohtavuudesta lantaanisuperhydridissä megabaaripaineessa: [ eng. ]  / Maddury Somayazulu, Muhtar Ahart, Ajay K. Mishra … [ et al. ] // Physical Review Letters. - 2019. - Vol. 122, nro 2 (14. tammikuuta). — Art. 027001. - doi : 10.1103/PhysRevLett.122.027001 .
5. ↑ 1 2 Struzhkin, Viktor. Suprajohtavuus La- ja Y-hydrideissä: Jäljellä olevat kokeilukysymykset ja esitelty teoria: [ eng. ]  / Viktor Struzhkin, Bing Li, Cheng Ji … [ et al. ] // Matter and Radiation at Extremes. - 2020. - Vol. 5, ei. 2. - doi : 10.1063/1.5128736 .
6. ↑ A.P. Drozdov, M.I. Eremets, I.A. Troyan, V. Ksenofontov, S.I. Shilin. Tavanomainen suprajohtavuus 203 kelvinissä korkeissa paineissa rikkihydridijärjestelmässä  // Luonto. - 2015. - T. 525 . - S. 73-76 . — ISSN 1476-4687 . Arkistoitu alkuperäisestä 23. lokakuuta 2021.
7. ↑ Maddury Somayazulu, Muhtar Ahart, Ajay K. Mishra, Zachary M. Geballe, Maria Baldini. Todisteita yli 260 K:n suprajohtavuudesta lantaanisuperhydridissä megabaarin paineissa  // arXiv:1808.07695 [cond-mat]. – 23.8.2018 Arkistoitu alkuperäisestä 18. syyskuuta 2018.
8. ↑ Suprajohtavuus huoneenlämmössä: Neuvostoliiton tieteen kosto Arkistokopio 27. huhtikuuta 2019 Wayback Machinessa // RIA Novosti , 23. huhtikuuta 2019
9. ↑ https://arxiv.org . Haettu 16. marraskuuta 2018. Arkistoitu alkuperäisestä 16. marraskuuta 2018. (määrätön)
10. ↑ Boyko, 1991 , s. 238, 244.
11. ↑ Löytyi uusi rautaa sisältävä suprajohdeperhe (31.10.08). Haettu 3. marraskuuta 2011. Arkistoitu alkuperäisestä 17. helmikuuta 2012. (Venäjän kieli)
12. ↑ Alaska Subedi, Lijun Zhang, David J. Singh, Mao-Hua Du. FeS:n, FeSe:n ja FeTe:n tiheysfunktionaalinen tutkimus: elektronirakenne, magnetismi, fononit ja  suprajohtavuus . - 2008. - doi : 10.1103/PhysRevB.78.134514 .

Linkit

• Korkean lämpötilan suprajohtavuuden löytö
• Isotooppinen vaikutus HTSC-yhdisteissä

Kirjallisuus

• Maksimov EG Korkean lämpötilan suprajohtavuuden ongelma. Nykytila ​​// Uspekhi fizicheskikh nauk , 2000, v. 170, nro 10, s. 1033-1061.
• Sadovsky M.V. Pseudogap korkean lämpötilan suprajohtimissa // Uspekhi fizicheskikh nauk , 2001, v. 171, nro 5, s. 539-564.
• Aksenov VL Korkean lämpötilan kupraattisten suprajohteiden neutronidiffraktioanalyysi // Uspekhi fizicheskikh nauk , 2002, osa 172, nro 6, s. 701-705.
• Ponomarev Ya. G. Korkean lämpötilan suprajohteiden tunnelointi ja Andreevin spektroskopia // Uspekhi fizicheskikh nauk , 2002, osa 172, nro 6, s. 705-711.
• Kopaev Yu. V. Korkean lämpötilan suprajohtavuuden mallit // Uspekhi fizicheskikh nauk , 2002, osa 172, nro 6, s. 712-715.
• Chernoplekov N. A. Suurvirtasuprajohtavuutta koskevan työn tila // Uspekhi fizicheskikh nauk , 2002, osa 172, nro 6, s. 716-722.
• Belyavsky V. I. , Kopaev Yu. V. Yleistävä näkemys korkean lämpötilan suprajohtavuuden luonteesta (perustuu M2S-HTSC-VII materiaaleihin) // Uspekhi fizicheskikh nauk , 2004, osa 174, nro 4, s. 457-465.
• Mitsen K. V. , Ivanenko O. M. Vaihekaavio avaimena HTSC :n luonteen ymmärtämiseen // Uspekhi fizicheskikh nauk , 2004, osa 174, nro 5, s. 545-563.
• Elesin V. F. , Kapaev V. V. , Kopaev Yu. V. Ferromagnetismin ja epähomogeenisen suprajohtavuuden olemassaolo // Uspekhi fizicheskikh nauk , 2004, osa 174, nro 9, s. 1017-1022.
• Maksimov E. G. Korkean lämpötilan suprajohtavuus tänään // Uspekhi fizicheskikh nauk , 2004, v. 174, nro 9, s. 1026-1027.
• Ginzburg V. L. Useita huomautuksia suprajohtavuuden tutkimuksesta // Uspekhi fizicheskikh nauk , 2005, osa 175, nro 2, s. 187-190.
• V. L. Ginzburg, D. A. Kirzhnits Korkean lämpötilan suprajohtavuus (teoreettisten käsitteiden katsaus) // Uspekhi fizicheskikh nauk , vol. 152, s. 575-582 (1987).
• Belyavsky V.I. , Kopaev Yu.V. Ensimmäinen kansainvälinen konferenssi "Korkean lämpötilan suprajohtavuuden perusongelmat" // Uspekhi fizicheskikh nauk , 2005, osa 175, nro 2, s. 191-196.
• Eremets M. I., Drozdov A. P. Korkean lämpötilan tavanomaiset suprajohteet // Uspekhi fizicheskikh nauk , 2016, v. 186, nro 10, s. 1257-1263.
• Voronov V. K. , Podoplelov A. V. Fysiikka vuosituhannen vaihteessa: tiivistetty tila, 2. painos, M.: LKI, 2012, 336 sivua, ISBN 978-5-382-01365-7
• Kordyuk A. A. "ARPES-koe kvasi-kaksiulotteisten metallien fermiologiassa" // Fizika Nizkikh Temperatur , 2014, osa 40, nro 4, s. 375-388.
• Boiko V. S., Garber R. I., Kosevich A. M. Kiteiden palautuva plastisuus. - M  .: Nauka, 1991. - 280 s.
• Slate A. W., Messmer R. P., Murphy R. B. et ai. High-temperature supraconductors. — M  .: Mir , 1988. — 400 s. — ISBN 5-03-001248-6 .
• Gabovich A. Korkean lämpötilan suprajohtavuuden löytö : lehti // Tiede ja elämä. - 1982. - Nro 5. - S. 16-19.