Войти
Образец BSCCO, который в настоящее время является одним из наиболее практичных высокотемпературных сверхпроводников. Примечательно, что он не содержит редкоземельных элементов. BSCCO - это купратный сверхпроводник на основе висмута и стронция. Благодаря более высокой рабочей температуре, становятся конкурентами более обычных сверхпроводников на основе ниобия, а также сверхпроводников диборида магния. Высокотемпературные сверхпроводники (сокращенно high-T cили HTS ) оперативно как материалы, которые ведут себя как сверхпроводники при температурах выше 77 K ( -196,2 ° C; -321,1 ° F), точка кипения жидкого азота, одного из простейших хладагентов в криогенике. Все известные сверхпроводящие материалы при обычных давлениях в настоящее время работают намного ниже температуры окружающей среды и требуют охлаждения. Большинство высокотемпературных сверхпроводников - это керамические материалы. С другой стороны, металлические сверхпроводники обычно работают при температуре ниже -200 ° C: тогда их называют низкотемпературными сверхпроводниками. Металлические сверхпроводники также являются обычными сверхпроводниками, поскольку они открывались раньше высокотемпературных.
Керамические сверхпроводники в настоящее время становятся пригодными для некоторого практического использования, но у них все еще есть много производственных проблем, и существует очень мало успешных практических примеров использования. Большинство керамических материалов хрупко, что делает изготовление из них проводов очень проблематичным.
Основным преимуществом высокотемпературных керамических сверхпроводников то, что их можно охлаждать с помощью жидкого азота. С другой стороны, металлические сверхпроводники обычно требуют сложных хладагентов - в основном жидкого гелия. К сожалению, ни один из высокотемпературных сверхпроводников не охлаждается с использованием только сухого льда, и ни один из них не работает при температуре и давлении (они работают значительно ниже самой низкой температуры, зарегистрированной на Земле ). Все высокотемпературные сверхпроводники требуют каких-либо систем охлаждения.
Основной класс высокотемпературных сверхпроводников относится к классу оксидов меди (только некоторые оксиды меди). Второй класс высокотемпературных сверхпроводников в практической классификации - это класс соединений на основе железа. Диборид магния иногда включает в себя высокотемпературные сверхпроводники: он обладает сверхпроводимостью только при температуре ниже -230 ° C, что делает его непригодным для охлаждения жидким азотом (примерно на 30 ° C ниже температуры тройной точки азот). Например, его можно охлаждать жидким гелием, который работает при гораздо более низких температурах.
Многие керамические сверхпроводники физически ведут себя как сверхпроводники второго типа.
Первый высокотемпературный сверхпроводник был открыт в 1986 году исследователями IBM Беднор и Мюллером, которые удостоены Нобелевской премии по физике в 1987 году «за важный прорыв в открытии сверхпроводимости в керамических материалах».
Некоторые сверхвысокие давления супергидриды соединения обычно относят к высокотемпературным сверхпроводникам. На самом деле, можно найти множество статей о высокотемпературных сверхпроводниках, посвященных исследованиям газов высокого давления, которые не подходят для практических приложений. Текущий рекорд T C - углеродистый гидрид серы, побив предыдущий рекорд декагидрида лантана почти на 30 ° C.
Хронология открытий сверхпроводников. Справа можно увидеть температуру жидкого азота, которая обычно разделяет сверхпроводники при высоких температурах и сверхпроводники при низких температурах. Купраты с синими ромбами, а сверхпроводники на основе железа - желтыми квадратами. Диборид магния и другие низкотемпературные металлические сверхпроводники BCS показаны для справки в виде зеленых кружков. Сверхпроводимость была обнаружена Камерлинг-Оннесом в 1911 году в металлический твердый. С тех пор исследователи пытались наблюдать сверхпроводимость при повышении температуры с целью найти сверхпроводник при комнатной температуре. К концу 1970-х годов сверхпроводимость наблюдалась в нескольких металлических соединениях (в частности, на основе Nb, таких как NbTi, Nb3Sn и Nb3Ge ) при температурах, которые были намного выше, чем у элементарных металлов, и которые могли даже плюс 20 К (-253,2 ° С). В 1986 году в исследовательской лаборатории IBM недалеко от Цюриха, в Швейцарии, Беднорц и Мюллер искали сверхпроводимость в новом классе керамика : оксиды меди или купраты. Беднорц обнаружил особый оксид меди, сопротивление которого упало до нуля при температуре около -238 ° C (35,1 K). Результаты вскоре были подтверждены многократно, в частности Полом Чу из Университета Хьюстона и Сёдзи Танака из Университета Токио.
Вскоре после этого, в Принстонский университет, Андерсон дал первое теоретическое описание этих материалов, основанное на теории резонирующих валентных связей, но полное понимание этих материалов все еще развивается сегодня. Теперь известно, что эти сверхпроводники обладают симметрией d-волновой пары. Первое предположение о том, что высокотемпературная купратная сверхпроводимость включает в себя спаривание волн, было сделано в 1987 году Бикерсом, Скалапино и Скалеттаром, а в 1988 году последовали три последующие теории Инуи, Дониаха, Хиршфельда и Рукенштейна с использование спиновых волн. теорию флуктуаций, а также Гро, Пойлбланк, Райс и Чжан, а также Котляр и Лю, определяющие образование пар d-волн как естественное следствие теории RVB. Подтверждение d-волны природы купратных сверхпроводников сделано различными экспериментами, включая прямое наблюдение узлов d-волны в спектре возбуждения с помощью фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением, наблюдение полуцелого потока при туннелировании. экспериментов, косвенно по температурной зависимости проникновения, теплоемкости и теплопроводности.
Сверхпроводник с самой высокой температурой перехода при атмосферном - это купрат ртути, бария и кальция, около 133 К. Существуют и другие сверхпроводники с более высокими зарегистрированными температурами перехода - например, супергидрид лантана при 250 К, но это происходит только при очень высоких давлениях.
Происхождение высокотемпературной сверхпроводимости все еще не ясно, но кажется, что вместо механизмов притяжения электронов и фононов, как в обычной коррепроводимости, один имеет дело с настоящими электронными механизмами (например, с помощью антиферромагнитных механизмов), и вместо обычного, чисто s-волнового спаривания, что задействованы более экзотические парные симметрии (d-волна в случае купратов; в основном протяженная s-волна, но иногда и d-волна, в случае сверхпроводников на основе железа). В 2014 году ученые EPFL показали доказательства того, что фракционные частицы могут встретиться в квазидвумерных магнитных материалах, которые подтверждают теорию высокотемпературной сверхпроводимости Андерсона.
| Tcсоответственно точка кипения | Материал | Примечания | |
|---|---|---|---|
| в K | в ° C | ||
| 287 | 14 | H2S + CH 4 при 267 ГПа | Первый сверхпроводник при комнатной температуре |
| 250 | -23 | LaH 10 при 170 ГПа | металлический сверхпроводник с одной из самых известных критических температур |
| 203 | -70 | Фаза высокого давления сероводорода при 100 ГПа | механизм неясен, наблюдаемый изотопный эффект |
| 194,6 | −78,5 | Двуок углерода : точка сублимации при атмосферном давлении (обычный охлаждающий агент; для справки) | |
| 138 | −135 | Hg12Tl3Ba30Ca30Cu45O127 | высокотемпературные сверхпроводники с оксидом меди с относительно высоким значением критические |
| 110 | −163 | Bi2Sr2Ca2Cu3O10(BSCCO ) | |
| 92 | −181 | YBa 2Cu3O7(YBCO ) | |
| 87 | -186 | Аргон : точка кипения при атмосферном давлении (обычный охлаждающий агент; для справки) | |
| 77 | -196 | Азот : точка кипения при атмосферном давлении (обычный охлаждающий агент; для справки) | |
| 45 | -228 | SmFeAsO 0,85 F 0,15 | низкотемпературные сверхпроводники с относительно высокими критическими температурами |
| 41 | −232 | CeOFeAs | |
| 39 | −234 | MgB 2 | металлический сверхпроводник с относительно высокой критической температурой при атмосферном давлении |
| 30 | −243 | La2 - x BaxCuO 4 | Первый высокотемпературный сверхпроводник с оксидом меди, открытый Беднорцем и Мюллером |
| 27 | −246 | Неон : точка кипения при атмосферном давлении (обычный охлаждающий агент; для справки) | |
| 21,15 | -252 | Водород : точка кипения при атмосферном давлении (обычный охлаждающий агент; для справки) | |
| 18 | -255 | Nb3Sn | металлический низкий низкий - температурные сверхпроводники, имеющие техническое значение |
| 9,2 | −264,0 | NbTi | |
| 4,21 | −269,94 | Гелий : точка кипения при атмосферном давлении (обычный хладагент физики низких температур; для справки) | |
| 4,15 | -269,00 | Hg (Меркурий ) | металлические низкотемпературные сверхпроводники |
| 1,09 | - 272,06 | Ga (Галлий ) | |
К сожалению, класс «высокотемпературных» сверхпроводников имеет множество определений в контексте сверхпроводимости.
Ярлык high-T c следует использовать для материалов с критическими температурами, превышающими точку кипения жидкого азота. Однако ряд материалов, включая открытие и недавно обнаруженные пниктидные сверхпроводники, имеют критические температуры ниже 77 K, но, тем Не менее, обычно упоминаются в публикациях как класс с высокой T c.
Вещество с критической температурой выше точки кипения жидкого азота вместе с высокой критической температурой. разрушается сверхпроводимость) значительно улучшенные технологические применения. ое магнитное поле может оказаться более ценным, чем само высокое значение T c. Некоторые купраты имеют верхнее критическое поле около 100 тесла. Однако купратные материалы включают в себя хрупкую керамику, которую нужно усилить, и которую нелегко превратить в другую полезную форму. Кроме того, высокотемпературные сверхпроводники не образуют больших сплошных сверхпроводящих доменов, а скорее кластеры микродоменов, которые возникают внутри сверхпроводимости. Поэтому они не подходят для применений, требующие наличия реальных сверхпроводящих токов, таких как магниты для магниторезонансных спектрометров. Для решения этой проблемы (порошки) см. HTS_wire.
. Были серьезные споры относительно сосуществования высокотемпературной сверхпроводимости с магнитным упорядочением в YBCO, сверхпроводниках на основе железа, несколько рутенокупратов и других экзотических сверхпроводников, и продолжается поиск других семейств материалов. ВТСП - это сверхпроводники типа II, которые позволяют магнитным полям проникать в их внутреннюю часть в квантованных потоков потока, что означает, что для подавления сверхпроводимости требуются гораздо более высокие магнитные поля.. Слоистая структура также дает направленную зависимость отклика магнитного поля.
Фазовая диаграмма купратных сверхпроводников: они могут быть в основном разделены на электронные (n) и дырочные (p) купраты, легированные, как для базовых моделей, описывающих полупроводники. Оба стандартных купратных сверхпроводника, YBCO и BSCCO, в частности, дырочно-легированные .купраты - слоистые материалы, состоящие из сверхпроводящих слоев оксида меди, разделенных разделительными слоями. Купраты обычно двух имеют, близкую к структуремерного материала. Их сверхпроводящие свойства электронами, движущимися внутри слабосвязанных слоев оксида меди (CuO 2). Соседние содержащие ионы, такие как лантан, барий, стронций, или другие атомы, которые для стабилизации структуры и легируют электроны или дырки на слоях оксида меди.. Нелегированные «родительские» или «материнские» соединения предоставить собой изоляторы Мотта с дальним антиферромагнитным порядком при достаточно низких температурах. Обычно считается, что одинарных полосных моделей достаточно для описания электронных свойств.
Купратные сверхпроводники имеют структуру перовскита. Плоскости оксида меди представьте собой решетку шахматной доски с квадратами первым O с ионом Cu в центре каждого квадрата. Элементарная ячейка повернута на 45 ° от этих квадратов. Химические формулы сверхпроводящих материалов обычно содержат дробные числа для описания легирования, необходимого для сверхпроводимости. Существует несколько семейств купратных сверхпроводников, и их можно разделить на категории по содержащимся в них элементам и количеству внутренних слоев оксида меди в каждом сверхпроводящем блоке. Например, YBCO и BSCCO могут альтернативно называться Y123 и Bi2201 / Bi2212 / Bi2223 в зависимости от количества слоев в каждом сверхпроводящем блоке (n). Было обнаружено, что температура сверхпроводящего перехода достигает максимума при оптимальном значении легирования (p = 0,16) и оптимального слоя в каждом сверхпроводящем блоке, обычно n = 3.
Возможные механизмы сверхпроводимости в купратах продолжают оставаться предметом дискуссий и дальнейшие исследования. Выявлены некоторые общие для всех материалов аспекты. Сходство между антиферромагнетиком, низкотемпературным состоянием нелегированных материалов и сверхпроводящим состоянием, которое возникает при легировании, в первую очередь орбитальным состоянием d xy типом Cu, предполагает, что электрон-электронные являются более значительными, чем электрон-фононные взаимодействия в купратах, что делает сверхпроводимость нетрадиционной. Недавняя работа с поверхностью Ферми показала, что нестинг происходит в четырех точках антиферромагнитной зоны Бриллюэна, где существуют спиновые волны, и что сверхпроводящая энергетическая щель больше в этих точках. Слабые изотопические эффекты, наблюдаемые для некоторых купратов, контрастируют с обычными сверхпроводниками, которые хорошо описываются теорией БКШ.
Переходы и различия в свойствах дырочно-легированных и электронно-используемых купратов:
Рис. 1. поверхность Ферми двухслойного BSCCO, рассчитанная (слева) и измеренная с помощью ARPES (справа). Пунктирный прямоугольник представляет первую зону Бриллюэна.. Электронная структура сверхпроводящих купратов сильно анизотропна (см. Кристаллическая структура YBCO или BSCCO ). Следовательно, поверхность Ферми ВТСП очень близка к поверхности Ферми легированной плоскости CuO 2 (или многоплоскостей, в случае многослойных купратов) и может быть представлена на двумерном обратном пространстве ( или импульсном пространстве) решетки CuO 2. Типичная поверхность Ферми в пределах первой зоны Бриллюэна CuO 2на рис. 1 (слева). Его можно получить измерителей из вычислений зонной структуры или с помощью фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением (ARPES ). На рис. 1 (справа) показана поверхность Ферми BSCCO, измеренная с помощью ARPES. В широком диапазоне концентраций носителей заряда (уровень легирования), в котором дырочно-легированные ВТСП являются сверхпроводящими, поверхность Ферми является дырочной (т.е. открытой, как показано на рис.1). Это приводит к внутренней анизотропии электронных свойств ВТСП.
Фазовая диаграмма для высокотемпературных сверхпроводников на основе железа. Сверхпроводники на основе железа содержат слои железа и пниктогена - например, мышьяк или фосфор - или халькоген. В настоящее время это семейство со второй по величине критической температурой после купратов. Интерес к их сверхпроводящим свойствам начался в 2006 году с открытия сверхпроводимости в LaFePO при 4 К и привлек гораздо большее внимание в 2008 году после того, как было обнаружено, что аналогичный материал LaFeAs (O, F) обладает сверхпроводимостью при температурах до 43 К под давлением. Самые высокие критические температуры в семействе сверхпроводников на основе железа существуют в тонких пленках FeSe, где в 2014 году сообщалось о критической температуре, превышающей 100 К.
С момента первоначальных открытий несколько семейств сверхпроводников на основе железа получили Появились:
Наиболее нелегированное железо на основе сверхпроводники демонстрируют тетрагонально-орторомбический структурный фазовый переход, за которым при более низкой температуре следует магнитное упорядочение, подобное купратным сверхпроводникам. Однако они являются плохими металлами, а не изоляторами Мотта, и имеют пять полос на поверхности Ферми, а не одну. Фазовая диаграмма, возникающая при легировании слоев арсенида железа, удивительно похожа: сверхпроводящая фаза близка к магнитной фазе или перекрывает ее. Уже появились убедительные доказательства того,что значение T c изменяется в зависимости от валентных углов As-Fe-As, и показывает, что оптимальное значение T c достигается с неискаженным FeAs 4 тетраэдры. Симметрия волновой функции спаривания все еще широко обсуждается, но в настоящее время отдается предпочтение расширенному сценарию s-волн.
Диборид магния иногда называют высокотемпературным сверхпроводником, поскольку его значение T c в 39 K выше, чем исторически ожидалось для BCS сверхпроводники. Как правило, он считается обычным сверхпроводником с наивысшей T c, повышенная T c в результате присутствия двух отдельных полос на уровне Ферми.
Фуллерид. сверхпроводники, в которых атомы щелочных металлов интеркалированы в молекулы C 60, демонстрируют сверхпроводимость при температурех до 38 K для Cs 3C60.
Все известные высокие температуры T c сверхпроводники - это сверхпроводники второго типа. В отличие от сверхпроводников типа I, которыеесняют все магнитные поля из-за эффекта Мейснера, сверхпроводники типа II позволяют магнитным полям проникать внутрь их квантованных блоков, создавая «дыры» или « трубки »нормальных металлических области в сверхпроводящем объеме, называемые вихрями. Следовательно, сверхпроводники с высоким T c могут выдерживать гораздо более сильные магнитные поля.
Структура купратов, которые используются сверхпроводниками, часто связаны со структурой перовскита, и структура этих соединений описана как искаженная многослойная структура перовскита. Структура оксидных сверхпроводников представляет собой чередование многослойных плоскостей CuO 2 со сверхпроводимостью между этими слоями. Чем больше слоев CuO 2, тем выше T c. проводящих и сверхпроводящих свойств, поскольку электрические токи переносятся дырками, индуцированными в кислородных узлах листов CuO 2. Электропроводность сильнозотропна, с гораздо более высокой проводимостью, параллельной плоскости CuO 2, чем в перпендикулярном направлении. Обычно критические температуры от химического состава, за ущерб катионов и содержания кислорода. Их можно классифицировать как суперстрайпы ; то есть частные реализации сверхрешеток на атомном пределе из сверхпроводящих атомных слоев, проводов, точек, разделенных разделительных слоями, что дает многозонную и многощелевую сверхпроводимость.
Элемент первая ячейка для купрата бария и иттрия (YBCO) Купрат бария и иттрия, YBa 2Cu3O7 - x (или Y123), был сверхпроводником, обнаруженным выше точки кипения жидкого азота. На каждый атом иттрия приходится два атома бария. Пропорции трех различных металлов в сверхпроводнике YBa 2Cu3O7находятся в молярном блоке от 1 до 2 до 3 для иттрия, бария и меди, соответственно: этот конкретный сверхпроводник также часто называют сверхпроводником 123.
Элементарная ячейка YBa 2Cu3O7состоит из трех элементарных ячеек перовскита, которые являются псевдокубическими, почти орторомбическими. Остальные сверхпроводящие купраты имеют другую структуру: они имеют тетрагональную ячейку. Каждая перовскитная ячейка содержит атом Y или Ba в центре: Ba в нижней элементарной ячейке, Y в средней и Ba в верхней элементарной ячейке. Таким образом, Y и Ba укладываются в последовательность [Ba - Y - Ba] вдоль оси c. Все угловые позиции элементарной емкости заняты Cu, который имеет две системы, Cu (1) и Cu (2), по отношению к кислороду. Есть четыре кристаллографических сайта для кислорода: O (1), O (2), O (3) и O (4). Координационные полиэдры Y и Ba по отношению к кислороду различны. Утроение элементарной ячейки перовскита приводит к девяти атомам кислорода, как YBa 2Cu3O7имеет семь атомов кислорода и, следовательно, упоминается как структура перовскита с дефицитом кислорода. Структура имеет набор различных слоев: (CuO) (BaO) (CuO 2) (Y) (CuO 2) (BaO) (CuO). Одной из ключевых элементов элементарной ячейки YBa 2Cu3O7-x (YBCO) является наличие двух слоев CuO 2. Роль плоскости Y заключается в том, чтобы служить разделителем между двумя плоскостями CuO 2. В YBCO цепи Cu-O, как известно, играет важную роль в сверхпроводимости. T c максимально около 92 К, когда x ≈ 0,15 и структура ромбическая. Сверхпроводимость исчезает при x ≈ 0,6, где структурное превращение YBCO происходит из орбического в тетрагональном.
Кристаллическая решетка купрата висрата и стронция (BSCCO )Получение других купратов сложнее, чем YBCO. Они также имеют другую кристаллическую структуру: они тетрагональные, где YBCO орторомбический. Проблемы в этих сверхпроводниках возникают из-за существования трех или более фаз, имеющих соответствующую слоистую структуру. Более того, кристаллическая структура испытанных купратных сверхпроводников очень похожа. Как и YBCO, характерны особенности перовскитного типа и наличие. простой оксида меди (CuO 2) слои также существуют в этих сверхпроводниках. Однако в отличие от YBCO цепочки Cu-O отсутствуют в этих сверхпроводниках. c имеют тетрагональную структуру.
Там представлены три основных класса сверхпроводящих купратов: на основе висмута, на основе таллия и на основе р тути.
Вторым по практическому значению купратом в настоящее время является BSCCO, соединение Bi-Sr-Ca-Cu-O . Содержание висмута и стронция некоторые химические проблемы. Он имеет три сверхпроводящие фазы, образующие гомологичную последовательность как Bi 2Sr2Can-1 CunO4 + 2n + x (n = 1, 2 и 3). Этими тремя фазами являются Bi-2201, Bi-2212 и Bi-2223, имеющие температуру перехода 20, 85 и 110 K соответственно, где система нумерации представляет количество элементов для Bi, Sr, Ca и Cu соответственно. Две фазы имеют тетрагональную структуру, состоящую из двух кристаллографических элементарных ячеек со сдвигом. Элементарная ячейка этой фазы имеет двойную плоскость Bi - O, которая уложена друг на друга таким образом, что атом Bi одной плоскости находится ниже атома следующей плоскости. Атом Са образует слой внутри слоев CuO 2 как в Bi-2212, так и в Bi-2223; в фазе Bi-2201 отсутствует слой Ca. Эти три фазы отличаются друг от друга купратных плоскостей; Фазы Bi-2201, Bi-2212 и Bi-2223 имеют одну, две и три плоскости CuO 2 соответственно. Постоянные решетки этих фаз по оси c возрастают с поверхности положения купратных плоскостей (см. Таблицу ниже). Координация атома Cu различна в трех фазах. Атом Cu образует октаэдрическую координацию по отношению к атомам кислорода в фазе 2201, тогда как в 2212 году атом Cu окружает пятью атомами кислорода в пирамидальном расположении. В структуре 2223 Cu имеет две связанные по отношению к кислороду: один атом Cu связан с четырьмя атомами кислорода в квадратной плоской конфигурации, а другой атом Cu координирован с пятью атомами кислорода в пирамидальном расположении.
Купрат Tl - Ba –Ca: Первая серия сверхпроводника на основе Tl, содержащая один слой Tl - O, имеет общую формулу TlBa 2Can-1 CunO2n + 3, тогда как вторая серия, содержащая два Tl– Слои O формулу Tl 2Ba2Can-1 CunO2n + 4 с n = 1, 2 и 3. В структуре Tl 2Ba2CuO 6 ( Tl- 2201) имеется один слой CuO 2 с последовательностью укладки (Tl - O) (Tl - O) (Ba - O) (Cu - O) (Ba - O) (Tl - O) (Tl - О). В Tl 2Ba2CaCu 2O8(Tl-2212) есть два слоя Cu - O со слоем Ca между ними. Подобно структура Tl 2Ba2CuO 6, слои Tl - O присутствуют вне слоев Ba - O. В Tl 2Ba2Ca2Cu3O10(Tl-2223) имеется три слоя CuO 2, охватывающие слои Ca между каждым из них. Обнаружено, что в сверхпроводниках на основе Tl T c сконцентрировано на слоях CuO 2. Однако значение T c уменьшается после четырех слоев CuO 2 в TlBa 2Can-1 CunO2n + 3 и в Tl 2Ba2Can-1 CunO2n + 4, оно уменьшается после трех слоев CuO 2.
Купрат Hg - Ba - Ca Кристаллическая структура HgBa 2 CuO 4 (Hg-1201), HgBa 2 CaCu 2O6(Hg -1212) и HgBa 2Ca2Cu3O8(Hg-1223) аналогично Tl -1201, Tl-1212 и Tl-1223, с Hg вместо Tl. Примечательно, что T c соединения Hg (Hg-1201), содержащего один слой CuO 2, намного больше по сравнению с одним слоем CuO 2 -слойное соединение таллия (Тл-1201). В сверхпроводнике на основе Hg также обнаружено, что T c увеличивается по мере увеличения слоя CuO 2. Для Hg-1201, Hg-1212 и Hg-1223 значения T c составляют 94, 128 и рекордное значение при атмосферном давлении 134 K соответственно, как показано в таблице ниже. Наблюдение за тем, что T c Hg-1223 увеличивает до 153 K под высоким давлением, указывает на то, что T c это соединение очень чувствительно к структуре соединения.
| Название | Формула | Температура (K) | Число плоскостей CuO2. в элементарной ячейке | Кристаллическая структура |
|---|---|---|---|---|
| Y-123 | YBa 2Cu3O7 | 92 | 2 | Орторомбическая |
| Bi-2201 | Bi2Sr2CuO 6 | 20 | 1 | Тетрагональная |
| Bi-2212 | Bi2Sr2CaCu 2O8 | 85 | 2 | Тетрагональный |
| Bi-2223 | Bi2Sr2Ca2Cu3O10 | 110 | 3 | Тетрагональный |
| Tl-2201 | Tl2Ba2CuO 6 | 80 | 1 | Тетрагональный |
| Tl-2212 | Tl2Ba2CaCu 2O8 | 108 | 2 | Тетрагональный |
| Tl-2223 | Tl2Ba2Ca2Cu3O10 | 125 | 3 | Тетрагональный |
| Tl-1234 | TlBa 2Ca3Cu4O11 | 122 | 4 | Тетрагональный |
| Hg-1201 | HgBa 2 CuO 4 | 94 | 1 | Тетрагональный |
| Hg-1212 | HgBa 2 CaCu 2O6 | 128 | 2 | Тетрагональный |
| Hg-1223 | HgBa 2Ca2Cu3O8 | 134 | 3 | Тетрагональный |
Простейший метод изготовления керамических сверхпроводников - термохимическая реакция в твердом состоянии, включающая смешение, прокалив ание и спекание. Соответствующие количества порошков-предшественников, обычно оксидов и карбонатов, полностью перемешивают с использованием шаровой мельницы. Способы растворной химии, такие как соосаждение, сублимационная сушка и золь-гель, альтернативные способы приготовления гомогенной смеси. Эти порошки кальцинируют в диапазоне температур от 800 ° C до 950 ° C в течение нескольких часов. Порошки охлаждаются, перетираются и снова кальцинируются. Этот процесс повторяется несколько раз, чтобы получить однородный материал. Затем порошки прессуют в таблетки и спекают. Среда спекания, такая как температура, время отжига, атмосфера и скорость охлаждения, играет очень важную роль в получении хороших сверхпроводящих материалов с высокой T c. Соединение YBa 2Cu3O7-x получают прокаливанием и спеканием гомогенной смеси Y 2O3, BaCO 3 и CuO в соответствующем атомном предложении. Прокаливание проводится при 900–950 ° C, а спекание - при 950 ° C в атмосфере кислорода. Стехиометрия кислорода в этом материале очень важна для получения сверхпроводящего соединения YBa 2Cu3O7-x. Во время спекания образуется полупроводниковое тетрагональное соединение YBa 2Cu3O6, которое при медленном охлаждении в атмосфере кислорода превращается в сверхпроводящее YBa 2Cu3O7-x. Поглощение и потеря кислорода обратимы в YBa 2Cu3O7-x. Полностью оксигенированный орторомбический образец YBa 2Cu3O7-x может быть преобразован в тетрагональный YBa 2Cu3O6путем нагревания в вакууме при температуре выше 700 ° C.
Получение Bi-, Tl- и получение высокотемпературных c сверхпроводников на основе Hg сложнее, чем получение YBCO. Проблемы в этих сверхпроводниках возникают из-за существования трех или более фаз, имеющих аналогичную слоистую структуру. Таким образом, во время синтеза возникают синтаксические срастания и дефекты, такие как дефекты упаковки, и становится трудно изолировать одну сверхпроводящую фазу. Для Bi – Sr – Ca – Cu – O относительно просто приготовить фазу Bi-2212 (T c ≈ 85 K), тогда как приготовить одну фазу Bi-2223 очень сложно. (T c ≈ 110 К). Фаза Bi-2212 появляется только через несколько часов спекания при 860–870 ° C, но большая часть фазы Bi-2223 образуется после продолжительного времени реакции, более недели при 870 ° C. Хотя было обнаружено, что замещение Pb в соединении Bi – Sr – Ca – Cu – O способствует росту фазы с высоким T c, все же требуется длительное время спекания.
Вопрос о том, как возникает сверхпроводимость в высокотемпературных сверхпроводниках, является одной из основных нерешенных проблем теоретической физики конденсированного состояния. Механизм, который заставляет электроны в этих кристаллах образовывать пары, неизвестен. Несмотря на интенсивные исследования и многообещающие выводы, объяснение до сих пор ускользает от ученых. Одна из причин этого заключается в том, что рассматриваемые материалы обычно представляют собой очень сложные многослойные кристаллы (например, BSCCO ), что затрудняет теоретическое моделирование.
Улучшение качества и разнообразия образцов также дает повод для значительных исследований, как с целью улучшения характеристик физических свойств существующих соединений, так и с синтезом новых материалов, часто с надеждой на увеличение T c. Технологические исследования сосредоточены на производстве ВТСП-материалов в количествах, достаточных для того, чтобы их использование было экономически целесообразным, и оптимизации их свойств по отношению к приложениям.
Существовали две репрезентативные теории для высоких температур или 135>нетрадиционная сверхпроводимость. Во-первых, теория слабой связи предполагает, что сверхпроводимость возникает из-за антиферромагнитных спиновых флуктуаций в легированной системе. Согласно этой теории, волновая функция спаривания купратных ВТСП должна иметь симметрию d x-y. Таким образом, определение того, имеет ли волновая функция спаривания симметрию d-волны, необходимо для проверки механизма спиновых флуктуаций. То есть, если параметр порядка ВТСП (волновая функция спаривания) не обладает d-волновой симметрией, то можно исключить механизм спаривания, связанный со спиновыми флуктуациями. (Аналогичные аргументы можно привести для сверхпроводников на основе железа.) Во-вторых, существовала модель межслойной связи, согласно которой слоистая структура, состоящая из BCS-типа (s-волновая симметрия) сверхпроводники могут усиливать сверхпроводимость сами по себе. Вводя дополнительное туннельное взаимодействие между каждым слоем, эта модель успешно объяснила анизотропную симметрию порядка, а также возникновение ВТСП. Таким образом, для решения этой нерешенной проблемы было проведено множество экспериментов, таких как фотоэмиссионная спектроскопия, ЯМР, измерения теплоемкости и т. Д. результаты были неоднозначными, некоторые отчеты поддерживали d-симметрию для HTS, тогда как другие поддерживали s-симметрию. Эта мутная ситуация, возможно, возникла из-за косвенного характера экспериментальных данных, а также из-за экспериментальных проблем, таких как качество образца, рассеяние примесей, двойникование и т. Д.
В этом резюме неявное предположение : сверхпроводящие свойства можно рассматривать с помощью теории среднего поля. Здесь также не упоминается, что в дополнение к сверхпроводящей щели существует вторая щель, псевдощель . Слои купратов являются изолирующими, а сверхпроводники легированы межслойными примесями, чтобы сделать их металлическими. Температуру сверхпроводящего перехода можно максимизировать путем изменения легирующей примеси . Простейшим примером является La 2 CuO 4, состоящий из чередующихся слоев CuO 2 и LaO, которые в чистом виде являются изолирующими. Когда 8% La заменяется на Sr, последний действует как легирующая добавка, создавая дырки в слоях CuO 2 и как образец металлическим. Примеси Sr также как электронные мосты, межслойное взаимодействие. Исходя из этой картины, некоторые утверждают, что основные спаривающие отношения по-прежнему являются общими с фононами, как в обычных сверхпроводниках с куперовскими парами. В то время как нелегированные материалы являются антиферромагнитными, даже несколько примесных примесей имеют меньшую псевдощель в плоскостях CuO 2, что также вызвано фононами. Щель с распространителем заряда, и по мере приближения к сверхпроводящему достижению своего максимума. Причина высокой температуры распространения как утверждается, связана с перколяционным поведением носителей - носители следуют зигзагообразными перколяционными путями, в основном в металлических доменах в плоскостях CuO 2, пока не будут заблокированы зарядом волны плотности доменные стенки, где они используют перемычки из легирующих примесей для перехода в металлический домен соседней плоскости CuO 2. Максимумы температуры достигаются, когда решетка-основа имеет слабые силы изгиба связей, которые вызывают сильные электронно-фононные взаимодействия в межслоевых примесях.
S-магните, левитирующее выше высокотемпературной системы охлаждения жидким азотом : это случай эффект Мейснера.Для проверки симметрии был предложен эксперимент, основанный на квантовании потока трехзеренного кольца YBa 2Cu3O7(YBCO) программы порядка в ВТСП. Симметрию порядка лучше всего исследовать на границе перехода, когда куперовские пары туннелируют через джозефсоновский переход или слабую связь. Ожидалось, что полуцелый поток, то есть спонтанная намагниченность, может возникнуть только для перехода сверхпроводников с d-симметрией. Но, даже если эксперимент с переходами - самый надежный метод определения симметрии процедуры ВТСП, результаты были неоднозначными. J. R. Kirtley и C. C. Tsuei посчитали, что неоднозначные результаты были вызваны дефектами внутри HTS, поэтому они разработали эксперимент, в котором одновременно учитывались как чистый предел (отсутствие дефектов), так и грязный предел (максимальные дефекты). В эксперименте явно наблюдалась спонтанная намагниченность в YBCO, что подтверждено d-симметрию порядка в YBCO. Но, поскольку YBCO является ромбическим, он может иметь примесь s-симметрии. Таким образом, при настройке своей техники они представлены, что в YBCO присутствует примесь s -метрии в пределах примерно 3%. Кроме того, они представлены, что существует чистая симметрия параметров порядка d xy в тетрагональном Tl 2Ba2CuO 6.
, несмотря на все эти годы, механизм-высоких T c сверхпроводимость по-прежнему большие споры, в основном из-за отсутствия теоретических расчетов таких сильных электронных электронных систем. Однако самые строгие теоретические расчеты, включая феноменологический и схематический подходы, сходятся на магнитных флуктуациях как механизме спаривания этих систем. Качественное объяснение таково:
В сверхпроводнике поток электронов не может быть разделен на отдельные электроны, а вместо этого из нескольких связанных электронов, называемых куперовскими парами. В обычных сверхпроводниках эти пары образуются, когда электрон, движущийся через материал, искажает кристаллическую решетку, которая в свою очередь, притягивает другой электрон и образует связанную пару. Иногда это называют эффектом «водяной кровати». Каждая куперовская пара требует определенного минимума энергии для ущерба, и если тепловые флуктуации в кристаллической решетке меньше этой энергии, пара может течь без рассеивания энергии. Эта способность электронов течь без сопротивления приводит к сверхпроводимости.
В сверхпроводнике с высокой T c механизм очень похож на обычный сверхпроводник, за исключением того, что в этом случае фононы практически не играют роли, и их роль заменяется спиновой плотностью. волны. Так же, как все известные сверхпроводники сильными фононными системами, все известные сверхпроводники с высокой T c представляют собой системы сильных волн спиновой плотности в непосредственной близости от магнитного перехода, например, к антиферромагнетику. Когда он движется в сверхпроводнике с высоким электроном T c. Эта волна спиновой плотности, в свою очередь, заставляет соседний электрон упасть в спиновую депрессию, созданную первым электроном (снова эффект водяного слоя). Таким образом, снова образуется куперовская пара. Когда температура системы понижается, это приводит к сверхпроводимости. Обратите внимание, что в системе с высоким T c, поскольку эти системы являются магнитными системами из-за кулоновского взаимодействия, между электронами существует сильное кулоновское отталкивание. Это кулоновское отталкивание предотвращает спаривание куперовских пар на одном узле решетки. В результате спаривание электронов происходит в ближайших узлах решетки. Это так называемое спаривание с d-волнами, при котором состояние спаривания имеет узел (ноль) в начале координат.
Примеры купратных сверхпроводников с высоким T c включают YBCO и BSCCO, которые являются наиболее известными материалами. которые достигают сверхпроводимости выше точки кипения жидкого азота.
| Применение перехода | Элемент | Тип |
|---|---|---|
| 195 K (−78 ° C) | Сухой лед (диоксид углерода) - Сублимация | Охлаждающая жидкость |
| 184K (-89 ° C) | Самая низкая температура, система на Земле | Охлаждающая жидкость |
| 110K (- 163 ° C) | BSCCO | Купратные сверхпроводники |
| 93K (-180 ° C) | YBCO | |
| 77K (-196 ° C) | Азот - кипение | Охлаждающая жидкость |
| 55K (−218 ° C) | SmFeAs (O, F) | Сверхпроводники на основе железа |
| 41K (−232 ° C) | CeFeAs (O, F) | |
| 26K (−247 ° C) | LaFeAs (O, F) | |
| 18K (−255 ° C) | Nb3Sn | Металлические низкотемпературные сверхпроводники |
| 3K ( - 270 ° C) | Гелий - кипящий | Охлаждающая жидкость |
| 3K (−270 ° C) | Hg (ртуть : первый обнаруженный СК) | Металлические низкотемпературные сверхпроводники |
