Высокотемпературная сверхпроводимость

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Высокотемпературная сверхпроводимость (ВТСП, Высокотемпературные сверхпроводники или Высокие-Tc) — сверхпроводимость при относительно больших температурах. Исторически граничной величиной является температура в 30 К, однако ряд авторов под ВТСП подразумевает сверхпроводники с критической температурой выше точки кипения азота (77 К или −196 °C).

Как и "обычная" сверхпроводимость, явление заключается в полной утрате материалом электрического сопротивления при охлаждении ниже характерной для данного материала критической температуры. А особое их значение заключается в возможности практического использования с более дешевыми и удобными охладителями (жидким водородом, азотом), чем необходимый для классических сверхпроводников жидкий гелий под давлением.

На 2017 год явление наиболее широко известно и изучено в семействе сверхпроводящих керамик (смешанных оксидов) с общей структурной особенностью — слоями компонентов, разделёнными медно-кислородными слоями. Их также называют сверхпроводниками на основе купратов. Температура сверхпроводящего перехода, которая может быть достигнута в некоторых составах в этом семействе, является самой высокой среди устойчивых при нормальном давлении и температуре сверхпроводников.

История[править | править код]

Первыми явление высокотемпературной сверхпроводимости в соединении La2-xBaxCuO4 с критической температурой 35К открыли сотрудники научного подразделения корпорации IBM Карл Мюллер и Георг Беднорц в 1986 году. За это открытие в 1987 г. им была немедленно присуждена Нобелевская премия. Любопытно, что смешанные керамики такого типа (перовскиты AMO3) в то же время активно изучались в СССР.

В 1987 году был открыт сверхпроводник YBCO (оксид иттрия-бария-меди), с критической температурой 92К. Это был первый сверхпроводник, критическая температура которого выше температуры кипения жидкого азота (77К).

В настоящее время (на 1993 г.) рекордным значением критической температуры Tc =135 K (под давлением Tc=165 K, −109 °C) обладает фаза HgBa2Ca2Cu3O8+x, открытое в 1993 г. С. Н. Путилиным и Е. В. Антиповым из МГУ.

Другое[править | править код]

Ограниченность практического применения керамических ВТСП обусловлена тем, что магнитное поле, создаваемое протекающим по ВТСП током, при большой величине приводит к разрушению собственной слоистой структуры проводника и, следовательно, необратимой утрате сверхпроводящих свойств. При этом для сверхпроводящих изделий (как ВТСП, так и классических) достаточно такого нарушения в одной единственной точке, т.к. возникший дефект мгновенно становится участком с большим сопротивлением, на котором выделяется тепло, что вызывает последовательный нагрев соседних участков, т.е. лавинообразный выход из сверхпроводящего состояния всего проводника.

Нормальное (и сверхпроводящие) состояния показывают много общих особенностей между различными составами купратов; многие из этих свойств не могут быть объяснены в рамках теории БКШ. Четко сформированной теории сверхпроводимости в оксидных ВТСП в настоящее время не существует; однако, проблема привела ко множеству интересных экспериментальных и теоретических результатов.

Главной целью исследований в области являются ВТСП - материалы, работающие как минимум при температурах, широко распространенных на Земле (порядка -30°C), как максимум - при комнатной температуре. Их создание привело бы к революции в энергетике и электронике, где значительной проблемой являются потери на сопротивление проводника. Однако в настоящее время (2017) нет уверенности, что такие материалы вообще могут быть получены, т.к. накопленные теоретические знания позволяют оценить верхнюю границу температуры перехода для стабильных материалов при нормальном давлении на уровне -100°C.

Любопытно, что сероводород является самым высокотемпературным сверхпроводником из известных на данный момент, с переходом при температуре 203 К (-70 °C) и давлении 150 ГПа (более 1,4 миллиона атмосфер), обнаруженное исследователями из института имени Макса Планка в 2015 г. Большая величина требуемого давления обуславливает то, что практического применения сероводороду как ВТСП нет и это открытие рассматривается как важное, но экзотическое, стоящее особняком.

Двойниковая структура и обратимая пластичность высокотемпературных сверхпроводников существенно влияет на их сверхпроводящие характеристики[1].

Интерметаллиды[править | править код]

В 2001 году открыт сплав MgB2 (диборид магния) с рекордной для интерметаллидов температурой перехода в сверхпроводящее состояние Тс= 40 К. Кристаллическая структура этого вещества представляет собой чередующиеся слои бора и слои магния. Слоистость приводит к анизотропии физических свойств, то есть величины электрической проводимости, оптического спектра поглощения, прочности и т. д. различны в плоскости слоёв и в направлении перпендикулярном слоям. Это двухзонное соединение стало первым известным науке сверхпроводником, обладающим сразу двумя сверхпроводящими щелями (двухщелевая сверхпроводимость), что было предсказано теоретически и подтверждено экспериментально. В дырочных квазидвумерных зонах бора (σ-зонах) при переходе в сверхпроводящее состояние в спектре квазичастиц образуется щель Δσ (зона запрещённых энергий для одиночных электронов и дырок) со значениями примерно (10-11) мэВ при максимальных Тс. В трёхмерных зонах магния (π-зонах) также образуется сверхпроводящая щель Δπ с амплитудой примерно (1,5 — 3) мэВ. Таким образом, в сверхпроводящем MgB2 сосуществуют два сверхпроводящих конденсата: изотропный трёхмерный (от π-зон магния) и двумерный дырочный (локализованный в слоях бора).

Внесение примесей других атомов в MgB2, то есть легирование, приводит к понижению критической температуры перехода Тс. Судя по всему, это соединение имеет оптимизированные для сверхпроводимости характеристики от природы и не поддаётся искусственному «улучшению». При понижении Тс от 40 К до 10 К величина малой щели Δπ меняется слабо, а значение большой щели Δσ понижается вместе с критической температурой, экспериментаторы отмечают линейную связь между Тс и Δσ. Характеристическое отношение теории БКШ 2Δσ/kBТс по оценкам ведущих российских экспериментаторов находится в диапазоне 5-7, что говорит о сильном электрон-фононном взаимодействии в слоях бора и приближает MgB2 к купратным ВТСП.

Интерес к практическим применениям диборида магния вызван возможностью использовать данный сверхпроводник при охлаждении жидким водородом вместо дорогостоящего жидкого гелия. Развитие технологий синтеза диборида магния позволило создать первые сверхпроводящие МРТ на основе MgB2 в 2006 году.

Сверхпроводники на основе железа[править | править код]

В 2008 году произошло[2][3] открытие нового класса сверхпроводящих соединений с высокими значениями критической температуры Tc — слоистых соединений на основе железа и элементов V группы (пниктидов) либо Se, так называемых ферропниктидов или селенидов железа. Впервые было обнаружено сверхпроводящее состояние у соединений, содержащих атомы Fe. Кристаллическая структура всех железосодержащих сверхпроводников (уже известно 6 семейств) представляет собой чередующиеся слои, в которых атомы железа окружены тетраэдром из атомов As или Se. На данный момент рекордсменом по значению Tc является соединение GdOFeAs (Gd-1111), допированное фтором, который замещает кислород. Его Tc достигает 55 К.

Все железосодержащие сверхпроводники обладают многозонной структурой и квазидвумерны (проявляют анизотропию свойств в направлении поперёк плоскостей). При переходе в сверхпроводящее состояние в каждой зоне открывается собственная щель в квазичастичном спектре, что приводит к появлению как минимум двух сверхпроводящих конденсатов и многощелевой сверхпроводимости, подобной случаю MgB2 (диборида магния). Характеристическое отношение теории БКШ 2Δбольшая/kBТс по оценкам российских экспериментаторов находится в диапазоне 4,6 — 6.

Органические сверхпроводники[править | править код]

В конце 1960-х — начале 1970-х гг. были большие надежды на синтез органических комплексов с переносом заряда (КПЗ) — например, комплексов en:TCNQ-TTF (тетрацианохинодиметан-тетратиафульвален). Однако, несмотря на синтез ряда перспективных соединений, оказалось, что сверхпроводимость в этих комплексах неустойчива даже при небольших плотностях тока[сколько?].

Примечания[править | править код]

  1. Бойко, 1991, с. 238, 244.
  2. Найдено новое семейство сверхпроводников, содержащих железо (рус.) (31.10.08). Проверено 3 ноября 2011. Архивировано 17 февраля 2012 года.
  3. Alaska Subedi, Lijun Zhang, David J. Singh, Mao-Hua Du. Density functional study of FeS, FeSe and FeTe: Electronic structure, magnetism, phonons and superconductivity (англ.). — 2008. — DOI:10.1103/PhysRevB.78.134514.

Ссылки[править | править код]

Литература[править | править код]