Високотемпературна надпровідність

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук

Високотемпературні надпровідники (англ. High-temperature superconductivity або HTS) це матеріали, які поводяться як надпровідники на незвично високих температурах.

Перші надпровідники зберігали свої унікальні властивості при нагріванні аж до температур близько 20K (двадцять градусів вище абсолютного нуля). Довгий час це вважалося температурною межею надпровідності. Проте в 1986 р. співробітники швейцарської лабораторії комп'ютерної фірми IBM Георг Беднорц та Александр Мюллер відкрили сплав, надпровідні властивості якого зберігаються і при 30 K[1]. Трохи згодом були одержані матеріали, що мають температури надпровідності до 133 К[2] за атмосферного тиску та 160 K[3] під високим тиском. У 2015 році було встановлено новий рекорд надпровідності, 203 К[4], у сірководні під високим тиском. При цьому загальноприйнятої теорії, яка пояснювала б цей клас високотемпературної надпровідності, ще не створено, але цілком зрозуміло, що в рамках теорії БКШ пояснити надпровідність в усіх матеріалах неможливо.

Розглянутий у рамках теорії БКШ механізм переходу в надпровідний стан заснований на міжелектронній взаємодії через теплові коливання кристалічної ґратки. Як показують оцінки, для такого механізму надпровідності, званого фононним, максимальна величина критичної температури не може перевищувати 40К за атмосферного тиску, хоча під високим тиском БКШ пояснює високотемпературну надпровідність у воденьвмісних сполуках[4][5].

Для реалізації високотемпературної надпровідності (> 90К) необхідно було шукати інший механізм кореляції електронів. Один з можливих підходів описаний американським фізиком Літтлом. Він припустив, що в органічних речовинах особливої будови можлива надпровідність при кімнатних температурах. Основна ідея полягала в тому, щоб отримати своєрідну полімерну нитку з регулярно розташованими електронними фрагментами. Кореляція електронів, що рухаються уздовж ланцюжка, здійснюється за рахунок поляризації цих фрагментів, а не кристалічної ґратки. Оскільки маса електрона на декілька порядків менше маси будь-якого іона, поляризація електронних фрагментів може бути сильнішою, а критична температура — більш високою, ніж при фононовому механізмі.

Екситонний механізм взаємодії електронів[ред.ред. код]

В основі теоретичної моделі високотемпературної надпровідності (ВТНП), розробленої академіком В. Л. Гінзбургом, лежить так званий екситонний механізм взаємодії електронів. Справа в тому, що в електронній системі існують особливі хвилі — екситони. Подібно фононам, що описують теплові коливання ґратки, екситони є квазічастинками, не пов'язаними з перенесенням електричного заряду і маси. Модельний зразок такого надпровідника являє собою металеву плівку в шарах діелектрика або напівпровідника. Електрони провідності, що рухаються в металі, відштовхують електрони діелектрика, тобто оточують себе хмарою надлишкового позитивного заряду, який і призводить до утворення електронної пари. Такий механізм кореляції електронів пророкує вельми високі значення критичної температури.

Сама ідея ВТНП в органічних сполуках була висунута ще в 1950 р. Лондоном і лише через 14 років Літтл і Гінзбург, незалежно один від одного, теоретично довели можливість ВТНП в неметалевих системах. Роботою Беднорц і Мюллера розпочався наступний етап розвитку ВТНП. Число публікацій з проблеми ВТНП, що з'явилися після 1986 р., істотно перевищує повне число взагалі всіх попередніх публікацій з надпровідності, починаючи з 1911 р. Більше того, після відкриття надпровідності в купратних з'єднаннях з ітрієм (YBCO) з ~ 90К і ртуттю з ~ 135–160К проблема ВТНП з суто наукової перетворилася на практично значиму, завдяки можливості вкрай важливих технічних додатків. Ця обставина і стала, в основному, причиною потужного потоку фінансів і нових дослідників у цю область.

Основними досягненнями першого етапу можна вважати наступні результати :

  • чітке і ясне усвідомлення того, що крім добре відомого електрон-фононного механізму надпровідності, обумовленого міжелектронним тяжінням за рахунок обміну фононами, можуть існувати й інші механізми, пов'язані з міжелектронною кулонівською взаємодією ;
  • доказ відсутності яких-небудь строгих, на рівні закону природи, обмежень на можливе значення критичної температури надпровідного переходу. Протилежне твердження було висунуто дуже авторитетними фахівцями в теорії надпровідності Андерсоном і Коеном і, безумовно, зробило негативний вплив на розвиток досліджень з проблеми ВТНП ; докази того, що високі значення можуть бути отримані тільки в системах з сильними ефектами локального поля, тобто в системах з сильною взаємодією ;
  • виконаний детальний аналіз різних факторів, що визначають при фононному механізмі надпровідності

Подальші теорії[ред.ред. код]

Новий етап розвитку проблеми ВТНП, крім самого факту експериментального виявлення відповідних систем і вже згадуваної масштабності досліджень, мав ряд інших відмінностей, у тому числі і в теоретичних підходах. Як вже зазначалося, досить давно стало ясно, що високі значення можуть мати тільки системи з сильною взаємодією. На першому етапі достатньої уваги вивченню таких ВТНП-систем не приділялося. Основна ж частина досліджень другого етапу пов'язана саме з вивченням ефектів сильної обмінно — кореляційної взаємодії та їх проявів як у нормальному, так і надпровідному стані.

Велика частина теоретичних робіт пов'язана з моделлю Хаббарда, в якій основну роль грає сильне кулонівське відштовхування електронів на одному центрі. Саме в рамках моделі Хаббарда було запропоновано дві найбільш радикальні ідеї про природу ВТНП в купратах, засновані на моделі так званих резонансних валентних зв'язків. Фактично, ці ідеї в значній мірі спираються на результати, отримані для одновимірних моделей взаємодіючих електронів. У них низькотемпературна поведінка електронів різко відрізняється від стандартної поведінки в тривимірних системах. Електрон, що має заряд і спін, перестає бути добре визначеним збудженням. Відбувається так званий поділ заряду і спіну. У такій моделі спін переноситься незарядженими збудженнями, а заряд — безспіновими збудженнями. Подібну систему називають латтінжерівською рідиною.

Основна ідея про сутність ВТНП-систем, що розвивається Андерсоном, полягає в тому, що електронна система в таких з'єднаннях являє собою саме латтінжерівську рідину як у нормальному, так і в надпровідному стані.

Відмінність ідеї, запропонованої Лафлін з співавторами, від підходу Андерсона полягає у використанні дробової статистики для опису низькоенергетичних збуджень в ВТНП — системах. Це означає, що відповідні порушення не є ні бозонами (як, наприклад, фонони), ні ферміонами (як самі електрони). У квантовій теорії поля для них використовується термін «аніони». Істотно при цьому, що аніонна теорія приводить до порушення симетрії щодо звернення часу, оскільки в системі фактично виникають спонтанні магнітні потоки. На жаль, експериментальні дані спростовують таку можливість. Теорія ВТНП-систем Андерсона також не викликає ентузіазму у більшої частини дослідників.

Значна частина теоретичних досліджень ВТНП -з'єднань на другому етапі, як, втім, і на першому, зводиться до досить стандартної процедури. Розглядається система квазічастинкових електронних збуджень, тільки замість фононів і екситонів, що призводять до міжелектронного тяжіння і спаровування, вводиться щось інше. Це можуть бути спінові флуктуації, виникнення «спінових мішків», специфіка зонної структури тощо

Єдина відмінність другого етапу — це більш детальне дослідження моделей, заснованих на існуванні сильного міжелектронного відштовхування. Дослідникам вдалося досить глибоко просунутися в цій проблемі, проте, все ще не вирішені проблеми, пов'язані з поведінкою ВТНП -систем як у нормальному, так і в надпровідному станах[6].

Примітки[ред.ред. код]

  1. Bednorz, J. G.; Müller, K. A. (1986-06-01). Possible highTc superconductivity in the Ba−La−Cu−O system. Zeitschrift für Physik B Condensed Matter (en) 64 (2). с. 189–193. ISSN 0722-3277. doi:10.1007/BF01303701. Процитовано 2017-10-11. 
  2. Schilling, A.; Cantoni, M.; Guo, J. D.; Ott, H. R. (1993-05-06). Superconductivity above 130 K in the Hg–Ba–Ca–Cu–O system. Nature (en) 363 (6424). с. 56–58. doi:10.1038/363056a0. Процитовано 2017-10-11. 
  3. Gao, L.; Xue, Y. Y.; Chen, F.; Xiong, Q.; Meng, R. L.; Ramirez, D.; Chu, C. W.; Eggert, J. H. та ін. (1994-08-01). Superconductivity up to 164 K in ${\mathrm{HgBa}}_{2}$${\mathrm{Ca}}_{\mathit{m}\mathrm{\ensuremath{-}}1}$${\mathrm{Cu}}_{\mathit{m}}$${\mathrm{O}}_{2\mathit{m}+2+\mathrm{\ensuremath{\delta}}}$ (m=1, 2, and 3) under quasihydrostatic pressures. Physical Review B 50 (6). с. 4260–4263. doi:10.1103/PhysRevB.50.4260. Процитовано 2017-10-11. 
  4. а б Drozdov, A. P.; Eremets, M. I.; Troyan, I. A.; Ksenofontov, V.; Shylin, S. I. (2015-09-03). Conventional superconductivity at 203 kelvin at high pressures in the sulfur hydride system. Nature (en) 525 (7567). с. 73–76. ISSN 0028-0836. doi:10.1038/nature14964. Процитовано 2017-10-11. 
  5. Pietronero, Luciano; Boeri, Lilia; Cappelluti, Emmanuele; Ortenzi, Luciano (2017-09-09). Conventional/unconventional superconductivity in high-pressure hydrides and beyond: insights from theory and perspectives. Quantum Studies: Mathematics and Foundations (en). с. 1–17. ISSN 2196-5609. doi:10.1007/s40509-017-0128-8. Процитовано 2017-10-11. 
  6. ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ, СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ФИЗИКИ