Magas hőmérsékletű szupravezetés

A magas hőmérsékletű szupravezetés (HTSC, High-temperature superconductors vagy High-T c ) viszonylag magas hőmérsékleten tapasztalható szupravezetés . Történelmileg a határérték 30 K hőmérséklet, azonban a HTSC számos szerzője a nitrogén forráspontja feletti kritikus hőmérsékletű szupravezetőket érti (77 K vagy −196 °C).

Leírás

A szupravezetés jelensége abban áll, hogy az anyag elektromos ellenállásának teljes elvesztése, amikor az anyagra jellemző kritikus hőmérséklet alá hűtik. A magas hőmérsékletű szupravezetés különleges jelentősége abban rejlik, hogy erős hűtés nélkül, illetve a klasszikus szupravezetőkhöz szükséges nyomás alatti folyékony héliumnál olcsóbb és kényelmesebb hűtőközegekkel (folyékony hidrogén, nitrogén, metán) lehet praktikusan alkalmazni.

2020-ra a legtöbb magas hőmérsékletű szupravezető légköri nyomáson a kuprátok  – kerámiák (kevert oxidok) [2] .

2018-ban számítógépes modellek jósolták a komplex hidridek szupravezető képességét , amelyek fémes hidrogént "adalékolnak" szobahőmérsékleten és 200 GPa-s nagyságrendű nyomáson [3] . Ezen elméleti fejlemény alapján 2019–2020-ban lantán- és ittrium - hidridekben 245–260 K hőmérsékleten és 1 millió atmoszféra nagyságrendű nyomáson szupravezetést kaptak, például a LaH 10±x szupravezetővé válik 250 °C-ra hűtve. K 188 GPa nyomáson [4] , YH₆ esetén a szupravezető átmenet 227 K hőmérsékleten és 237 GPa nyomáson megy végbe, YH 9  esetén - 243 K és 201 GPa, ThH 10 esetén  - 161 K és 174 GPa hőmérsékleten GPa, ThH 9  - 146 K és 170 GPa esetén YH [2 ] [5] . Ezek az értékek átlagosan 30 K-vel kisebbek a modellekben előre jelzetteknél, ami további tanulmányozást és a modellek korrekcióját igényli. Különösen a Li2MgH16 vegyület előrejelzett szupravezetése 250 GPa nyomáson és 473 K hőmérsékleten túl optimistának bizonyulhat [5] .

Történelem

A 35 K kritikus hőmérsékletű La 2-x Ba x CuO 4 vegyület magas hőmérsékletű szupravezetésének első jelenségét Karl Müller és Georg Bednorz , az IBM Corporation tudományos részlegének munkatársai fedezték fel 1986-ban. Ezért a felfedezésért 1987 -ben Nobel-díjat kaptak . Az ilyen típusú vegyes kerámiákat (AMO3 perovszkitokat) a Szovjetunióban egyidejűleg aktívan tanulmányozták .

1987-ben fedezték fel az YBCO (itrium-bárium-réz-oxid) szupravezetőt, amelynek kritikus hőmérséklete 92 K. Ez volt az első olyan szupravezető, amelynek kritikus hőmérséklete magasabb volt, mint a folyékony nitrogén forráspontja (77 K).

2015-ben a T c 203 K kritikus hőmérséklet rekordértékét 150 GPa (1,5 millió atmoszféra) nyomás alá helyezett kén-hidrogén vegyületben érték el [6] .

2018-ban egyszerre kétszer is megdőlt a magas hőmérsékletű szupravezetési rekord:

• amikor a lantán - szuperhidrid LaH 10 -et 170 GPa-ra (1,7 millió atmoszférára) préselték, T c = -13 °C (260 K). [7] [8]
• Indiai tudósok szerint a nanostrukturált ezüst arany szubsztrátumon történő lehűtésekor sikerült T c = 236 K (-37°C) értéket elérniük - normál nyomáson, de cikkük még nem ment át a szakértői értékelésen és az eredményn. nem tekinthető véglegesen megerősítettnek. [9]

Egyéb

A kerámia HTSC-k korlátozott gyakorlati alkalmazása annak a ténynek köszönhető, hogy a HTSC-n átfolyó áram által létrehozott mágneses tér nagy értékű, a vezető belső réteges szerkezetének tönkretételéhez, és ennek következtében visszafordíthatatlan elvesztéséhez vezet. szupravezető tulajdonságokkal. Ugyanakkor a szupravezető termékeknél (mind a HTSC-nél, mind a klasszikusnál) elegendő egy ilyen megsértés egyetlen ponton, mivel a keletkező hiba azonnal nagy ellenállású régióvá válik, amelyen hő szabadul fel, ami a szomszédos területek egymás utáni felmelegedését okozza. régiók, azaz lavinaszerű kilépés a szupravezető állapotból a teljes vezető állapotából.

A normál (és szupravezető) állapotok sok közös vonást mutatnak a különböző kuprát-összetételek között; ezen tulajdonságok közül sok nem magyarázható a BCS elméleten belül . Az oxid HTSC-k szupravezetésére vonatkozó jól kialakított elmélet jelenleg nem létezik; a probléma azonban számos érdekes kísérleti és elméleti eredményhez vezetett.

A területen végzett kutatások fő célja a magas hőmérsékletű szupravezetők – olyan anyagok, amelyek legalább a Földön elterjedt hőmérsékleten (kb. –30 °C), legfeljebb szobahőmérsékleten működnek. Létrehozásuk forradalomhoz vezetne az energetikában és az elektronikában, ahol jelentős problémát jelentenek a vezető ellenállásából adódó veszteségek.

A magas hőmérsékletű szupravezetők ikerszerkezete és reverzibilis plaszticitása jelentősen befolyásolja szupravezető tulajdonságaikat [10] .

Intermetallics

2001 -ben egy Mg B 2 ( magnézium-diborid ) ötvözetet fedeztek fel, amelynek hőmérséklete rekord hőmérsékletű a szupravezető állapotba való átmenethez az intermetallikus vegyületek esetében T c = 40 K. Ennek az anyagnak a kristályszerkezete váltakozó bórréteg és magnéziumrétegek. . A rétegezés a fizikai tulajdonságok anizotrópiájához vezet , vagyis az elektromos vezetőképesség, az optikai abszorpciós spektrum, a szilárdság stb. értékei eltérőek a rétegek síkjában és a rétegekre merőleges irányban. Ez a kétzónás vegyület lett a tudomány által ismert első olyan szupravezető, amelynél egyszerre két szupravezető rés van (kétrés szupravezetés), amit elméletileg megjósoltak és kísérletileg is megerősítettek. A bór lyukas kvázi-kétdimenziós zónáiban (σ-zónák) a szupravezető állapotba való átmenetkor Δ σ rés keletkezik a kvázirészecskék spektrumában (egy elektronok és lyukak számára tiltott energiák sávja) értékekkel. hozzávetőlegesen (10-11) meV a maximális T c mellett . A magnézium háromdimenziós zónáiban (π-zónák) a Δ π szupravezető rés is kialakul hozzávetőlegesen (1,5 - 3) meV amplitúdóval. Így a Mg B 2 szupravezetőjében két szupravezető kondenzátum létezik : egy izotróp háromdimenziós (magnézium π-sávokból) és egy kétdimenziós lyukas (bórrétegekben lokalizálva).

Más atomok szennyeződéseinek bevitele Mg B 2 -be , azaz adalékolás a T kritikus átmeneti hőmérséklet csökkenéséhez vezet . Úgy tűnik, ennek a vegyületnek természeténél fogva a szupravezetésre optimalizált jellemzői vannak, és nem alkalmas mesterséges "javításra". Ha T c -t 40 K-ról 10 K-ra csökkentjük, a kis Δ π rés értéke kissé megváltozik, és a nagy rés Δ ​​σ értéke a kritikus hőmérséklettel együtt csökken, a kísérletezők lineáris összefüggést észlelnek T c és Δ között. σ . A BCS elmélet 2Δ σ /k B T s karakterisztikus aránya vezető orosz kísérletezők becslései szerint 5-7 tartományba esik, ami erős elektron-fonon kölcsönhatást jelez a bórrétegekben és közelebb hozza az Mg B 2 -t. a HTSC-k kuprálása érdekében.

A magnézium-diborid gyakorlati alkalmazásai iránti érdeklődés annak köszönhető, hogy ezt a szupravezetőt folyékony hidrogénnel hűtve a drága folyékony hélium helyett használhatják . A magnézium-diborid szintézisére szolgáló technológiák fejlesztése lehetővé tette az első Mg B 2 alapú szupravezető MRI elkészítését 2006-ban.

Vas alapú szupravezetők

2008- ban felfedezték a magas kritikus hőmérsékletű T c szupravezető vegyületek új osztályát [11] [12] – a vason és az V. csoportba tartozó elemeken ( pniktidok ) vagy szelénen  alapuló réteges vegyületeket , az úgynevezett ferropniktidikeket vagy vasszelenideket . A szupravezető állapotot először Fe atomokat tartalmazó vegyületekben fedezték fel . Az összes vastartalmú szupravezető (6 család ismert már) kristályszerkezete váltakozó rétegekből áll, amelyekben a vasatomokat As vagy Se atomokból álló tetraéder veszi körül . Jelenleg a T c értékének rekordere az oxigént helyettesítő fluorral adalékolt GdOFeAs (Gd-1111) vegyület. T c értéke eléri az 55 K- t.

Minden vastartalmú szupravezető többzónás szerkezettel rendelkezik, és kvázi kétdimenziós (tulajdonságok anizotrópiáját mutatják a síkok közötti irányban). A szupravezető állapotba való áttéréskor minden sáv megnyitja a saját rését a kvázirészecske-spektrumban, ami legalább két szupravezető kondenzátum megjelenéséhez és többrés szupravezetéshez vezet, hasonlóan a Mg B 2 ( magnézium-diborid ) esetéhez. A BCS elmélet 2Δ nagy /k B T s karakterisztikus aránya az orosz kísérletezők szerint 4,6-6 tartományba esik.

Szerves szupravezetők

Az 1960-as évek végén és az 1970-es évek elején nagy reményeket fűztek szerves töltés-transzfer komplexek (CTC) szintéziséhez, mint például a :TCNQ - TTF ( tetracianokinodimetán - tetratiafulvalén ) komplexekhez. Számos ígéretes vegyület szintézise ellenére azonban kiderült, hogy ezekben a komplexekben a szupravezetés alacsony áramsűrűség mellett is instabil.[ mennyit? ] .

Lásd még

• BSCCO
• ReBCO
• TBCCO
• Ittrium-bárium-réz-oxid
• Lantán-bárium-réz-oxid
• Cuprate szupravezetők

Jegyzetek

1. ↑ José A. Flores-Livas, Lilia Boeri, Antonio Sanna, Gianni Profeta, Ryotaro Arita. A hagyományos, magas hőmérsékletű szupravezetők perspektívája nagy nyomáson: Módszerek és anyagok  //  Fizikai jelentések. – 2020-04. — Vol. 856 . — P. 1–78 . - doi : 10.1016/j.physrep.2020.02.003 . Archiválva : 2020. május 3.
2. ↑ 1 2 Korzhimanov, A. 2019 eredményei a fizikában // Elemek. - 2020. - február 12. — [ Videó a YouTube - on 42:10 42:10-59:10 kezdéssel].
3. ↑ Bi, Tiange. A szupravezetés keresése a nagynyomású hidridekben ]  / Tiange Bi, Niloofar Zarifi, Tyson Terpstra … [ et al. ] // Kémiai, molekuláris tudományok és vegyészmérnöki referenciamodul, Elsevier. - 2019. - febr. — [Preprint megjelent: 2018. június 1.]. — ISBN 9780124095472 . - arXiv : 1806.00163 . - doi : 10.1016/B978-0-12-409547-2.11435-0 .
4. ↑ Somayazulu, Maddury. Bizonyítékok lantán-szuperhidrid 260 K feletti szupravezetésére megabar nyomáson: [ eng. ]  / Maddury Somayazulu, Muhtar Ahart, Ajay K. Mishra … [ et al. ] // Physical Review Letters. - 2019. - 1. évf. 122. sz. 2 (január 14.). - Művészet. 027001. - doi : 10.1103/PhysRevLett.122.027001 .
5. ↑ 1 2 Sztruzhkin, Viktor. Szupravezetés La- és Y-hidridekben: A kísérlethez és az elmélethez kapcsolódó fennmaradó kérdések: [ eng. ]  / Viktor Struzhkin, Bing Li, Cheng Ji … [ et al. ] // Anyag és sugárzás a szélsőségekben. - 2020. - Kt. 5, sz. 2. - doi : 10,1063/1,5128736 .
6. ↑ A.P. Drozdov, M.I. Eremets, I.A. Troyan, V. Ksenofontov, S.I. Shilin. Hagyományos szupravezetés 203 kelvinnél nagy nyomáson a kén-hidrid rendszerben  // Természet. - 2015. - T. 525 . - S. 73-76 . — ISSN 1476-4687 . Archiválva az eredetiből 2021. október 23-án.
7. ↑ Maddury Somayazulu, Muhtar Ahart, Ajay K. Mishra, Zachary M. Geballe, Maria Baldini. Bizonyíték a lantán-szuperhidrid 260 K feletti szupravezetésére megabar nyomáson  // arXiv:1808.07695 [cond-mat]. — 2018-08-23. Az eredetiből archiválva : 2018. szeptember 18.
8. ↑ Szupravezetés szobahőmérsékleten: a szovjet tudomány bosszúja 2019. április 27-i archív másolat a Wayback Machine -nél // RIA Novosti , 2019. április 23.
9. ↑ https://arxiv.org . Letöltve: 2018. november 16. Az eredetiből archiválva : 2018. november 16. (határozatlan)
10. ↑ Boyko, 1991 , p. 238, 244.
11. ↑ Új vasat tartalmazó szupravezető családot találtak (08.10.31.). Letöltve: 2011. november 3. Az eredetiből archiválva : 2012. február 17.. (Orosz)
12. ↑ Alaszka Subedi, Lijun Zhang, David J. Singh, Mao-Hua Du. FeS, FeSe és FeTe sűrűségfunkcionális vizsgálata: Elektronikus szerkezet, mágnesesség, fononok és  szupravezetés . - 2008. - doi : 10.1103/PhysRevB.78.134514 .

Linkek

• A magas hőmérsékletű szupravezetés felfedezése
• Izotópos hatás HTSC vegyületekben

Irodalom

• Maksimov EG A magas hőmérsékletű szupravezetés problémája. Jelenlegi állapot // Uspekhi fizicheskikh nauk , 2000, 170. v., 10. sz., p. 1033-1061.
• Sadovsky M.V. Pseudogap magas hőmérsékletű szupravezetőkben // Uspekhi fizicheskikh nauk , 2001, 171. v., 5. sz., p. 539-564.
• Aksenov VL Magas hőmérsékletű kuprát szupravezetők neutrondiffrakciós elemzése // Uspekhi fizicheskikh nauk , 2002, 172. kötet, 6. szám, p. 701-705.
• Ponomarev Ya. G. Magas hőmérsékletű szupravezetők alagút- és Andreev-spektroszkópiája // Uspekhi fizicheskikh nauk , 2002, 172. kötet, 6. szám, 6. o. 705-711.
• Kopaev Yu. V. A magas hőmérsékletű szupravezetés modelljei // Uspekhi fizicheskikh nauk , 2002, 172. évf., 6. szám, p. 712-715.
• Chernoplekov N. A. A nagyáramú alkalmazott szupravezetéssel kapcsolatos munka állapota // Uspekhi fizicheskikh nauk , 2002, 172. kötet, 6. szám, 1. o. 716-722.
• Belyavsky V. I. , Kopaev Yu. V. Általános nézet a magas hőmérsékletű szupravezetés természetéről (M2S-HTSC-VII anyagok alapján) // Uspekhi fizicheskikh nauk , 2004, 174. évf., 4. szám, p. 457-465.
• Mitsen K. V. , Ivanenko O. M. Fázisdiagram mint a HTSC természetének megértésének kulcsa // Uspekhi fizicheskikh nauk , 2004, 174. köt., 5. szám, o. 545-563.
• Elesin V. F. , Kapaev V. V. , Kopaev Yu. V. A ferromágnesesség és az inhomogén szupravezetés megléte // Uspekhi fizicheskikh nauk , 2004, 174. évf., 9. szám, p. 1017-1022.
• Maksimov E. G. Magas hőmérsékletű szupravezetés ma // Uspekhi fizicheskikh nauk , 2004, 174. v., 9. sz., p. 1026-1027.
• Ginzburg V. L. Számos megjegyzés a szupravezetés vizsgálatához // Uspekhi fizicheskikh nauk , 2005, 175. évf., 2. szám, p. 187-190.
• V. L. Ginzburg, D. A. Kirzhnits Magas hőmérsékletű szupravezetés (az elméleti koncepciók áttekintése) // Uspekhi fizicheskikh nauk , 152. köt., p. 575-582 (1987).
• Belyavsky V.I. , Kopaev Yu.V. Az első nemzetközi konferencia "A magas hőmérsékletű szupravezetés alapvető problémái" // Uspekhi fizicheskikh nauk , 2005, 175. évf., 2. szám, p. 191-196.
• Eremets M. I., Drozdov A. P. Magas hőmérsékletű hagyományos szupravezetők // Uspekhi fizicheskikh nauk , 2016, v. 186, no. 10, p. 1257-1263.
• Voronov V. K. , Podoplelov A. V. Fizika az ezredfordulón: sűrített állapot, 2. kiadás, M.: LKI, 2012, 336 oldal, ISBN 978-5-382-01365-7
• Kordyuk A. A. „ARPES-kísérlet a kvázi-kétdimenziós fémek fermiológiájában” // Fizika Nizkikh Temperatur , 2014, 40. kötet, 4. szám, 4. o. 375-388.
• Boiko V. S., Garber R. I., Kosevich A. M. Kristályok reverzibilis plaszticitása. — M  .: Nauka, 1991. — 280 p.
• Slate A. W., Messmer R. P., Murphy R. B. et al., High-temperature superconductors. — M  .: Mir , 1988. — 400 p. — ISBN 5-03-001248-6 .
• Gabovich A. A magas hőmérsékletű szupravezetés felfedezése : folyóirat // Tudomány és élet. - 1982. - 5. sz. - S. 16-19.