Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Части ячейки высокого давления после синтеза сверхпроводящего алмаза, сильно легированного бором. Алмаз (черный шар) находится между двумя графитовыми нагревателями.

Ковалентные сверхпроводники - это сверхпроводящие материалы, в которых атомы связаны ковалентными связями . Первым таким материалом стал синтетический алмаз, легированный бором, выращенный методом высокого давления и высокой температуры (HPHT). [1] Открытие не имело практического значения, но удивило большинство ученых, поскольку сверхпроводимость не наблюдалась в ковалентных полупроводниках, включая алмаз и кремний.

История [ править ]

Магнитная восприимчивость к переменному току, измеренная как функция температуры в алмазах, обогащенных изотопами 12 C, 13 C, 10 B или 11 B. Наблюдение и величина сдвига 12 C- 13 C подтверждают механизм сверхпроводимости BCS в объемном поликристаллическом алмазе, легированном бором.

Приоритет многих открытий в науке сильно оспаривается (см., Например, споры о Нобелевской премии ). Другой пример. После того, как Сумио Иидзима «открыл» углеродные нанотрубки в 1991 году, многие ученые отметили, что углеродные нановолокна действительно наблюдались десятилетиями раньше . То же можно сказать и о сверхпроводимости в ковалентных полупроводниках. Сверхпроводимость в германии и кремнии-германии была предсказана теоретически еще в 1960-х годах. [2] [3] Вскоре после этого в теллуриде германия была экспериментально обнаружена сверхпроводимость . [4] [5]В 1976 г. сверхпроводимость с Tc = 3,5 К была экспериментально обнаружена в германии, имплантированном ионами меди; В [6] было экспериментально продемонстрировано, что аморфизация важна для сверхпроводимости (в Ge), и сверхпроводимость приписывалась самому Ge, а не меди.

Алмаз [ править ]

Сверхпроводимость в алмазе была достигнута за счет сильного легирования бором p-типа , так что отдельные легирующие атомы начали взаимодействовать и образовали «примесную полосу». Сверхпроводимость была II типа с критической температурой Tc = 4 K и критическим магнитным полем Hc = 4 T. Позже Tc ~ 11 K была достигнута в гомоэпитаксиальных CVD- пленках. [7] [8]

Относительно происхождения сверхпроводимости в алмазе были предложены три альтернативные теории: обычная теория БКШ, основанная на фононно-опосредованном спаривании, теория коррелированных примесных зон [9] и спаривание дырок, слабо локализованных в окрестности уровня Ферми, с переворотом спина. [10] Эксперименты с алмазами, обогащенными изотопами 12 C, 13 C, 10 B или 11 B, показали явный сдвиг Tc, и его величина подтверждает механизм сверхпроводимости BCS в массивном поликристаллическом алмазе. [11]

Углеродные нанотрубки [ править ]

Хотя были сообщения о собственной сверхпроводимости в углеродных нанотрубках , [12] [13] многие другие эксперименты не нашли доказательств сверхпроводимости, и достоверность этих результатов остается предметом споров. [14] Однако обратите внимание на принципиальное различие между нанотрубками и алмазом: хотя нанотрубки содержат ковалентно связанные атомы углерода, они ближе по свойствам к графиту, чем алмаз, и могут быть металлическими без легирования. Между тем нелегированный алмаз - изолятор.

Интеркалированный графит [ править ]

Основная статья: Соединение интеркаляции графита
Структура CaC 6

Когда атомы металла вставляются (интеркалируются) между графитовыми плоскостями, создается несколько сверхпроводников со следующими температурами перехода: [15] [16]

МатериалCaC 6Li 3 Ca 2 C 6YbC 6SrC 6KC 8RbC 8NaC 3KC 3LiC 3NaC 2LiC 2
Tc (К)11,511.156.51,650,140,0252,3–3,83.0<0,355.01.9

Кремний [ править ]

Было высказано предположение [1], что «Si и Ge, которые также образуются в структуре алмаза, могут аналогичным образом проявлять сверхпроводимость при соответствующих условиях», и действительно, открытия сверхпроводимости в сильно легированном бором Si (Si: B) [17] и SiC: B [18] быстро последовали за ним. Подобно алмазу, Si: B является сверхпроводником II типа , но он имеет гораздо меньшие значения Tc = 0,4 K и Hc = 0,4 T. Сверхпроводимость в Si: B была достигнута за счет сильного легирования (более 8 ат.%), Реализованного за счет специальный неравновесный метод легирования иммерсионным лазером .

Карбид кремния [ править ]

Сверхпроводимость в SiC была достигнута за счет сильного легирования бором [19] или алюминием. [20] Как кубическая (3C-SiC), так и гексагональная (6H-SiC) фазы являются сверхпроводящими и показывают очень близкую Tc, равную 1,5 К. Однако наблюдается принципиальная разница в поведении магнитного поля при легировании алюминием и бором: SiC: Al относится к типу II , так же, как Si: B. Напротив, SiC: B является тип-I . В попытке объяснить эту разницу было отмечено, что узлы Si более важны, чем узлы углерода для сверхпроводимости в SiC. В то время как бор замещает углерод в SiC, Al замещает позиции Si. Следовательно, Al и B «видят» разную среду, которая может объяснить разные свойства SiC: Al и SiC: B. [21]

Сероводород [ править ]

При давлении выше 90 ГПа ( гигапаскаль ) сероводород становится металлическим проводником электричества. При охлаждении ниже критической температуры его фаза высокого давления проявляет сверхпроводимость . Критическая температура увеличивается с увеличением давления от 23 К при 100 ГПа до 150 К при 200 ГПа. [22] Если сероводород находится под давлением при более высоких температурах, а затем охлаждается, критическая температура достигает 203 K (-70 ° C), наивысшей принятой критической температуры сверхпроводимости по состоянию на 2015 год. Замещая небольшую часть серы фосфором и используя даже более высоких давлений, было предсказано, что можно будет поднять критическую температуру выше 0 ° C (273 K) и достичьсверхпроводимость при комнатной температуре . [23]

См. Также [ править ]

  • Обычный сверхпроводник  - материалы, которые демонстрируют сверхпроводимость в соответствии с теорией БКШ или ее расширениями.
  • Список сверхпроводников
  • Высокотемпературная сверхпроводимость  - сверхпроводящее поведение при температурах намного выше абсолютного нуля.
  • Сверхпроводник при комнатной температуре  - материал, обладающий сверхпроводимостью выше 0 ° C.
  • Кремний  - химический элемент с атомным номером 14
  • Карбид кремния  - чрезвычайно твердый полупроводник, содержащий кремний и углерод.
  • Сверхпроводимость  - электропроводность с нулевым сопротивлением.
  • Классификация сверхпроводников  - различные типы сверхпроводников
  • Синтетический алмаз  - алмаз, произведенный искусственным способом.
  • Технологические приложения сверхпроводимости
  • Хронология низкотемпературных технологий  - аспект истории
  • Сверхпроводник I  типа - Тип сверхпроводника с одним критическим магнитным полем.
  •  Сверхпроводник II типа - сверхпроводник, характеризующийся образованием магнитных вихрей в приложенном магнитном поле.
  • Нетрадиционный сверхпроводник  - сверхпроводящие материалы, не объясненные существующими установленными теориями.

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b Екимов Э. А.; Сидоров В.А.; ЭД Бауэр; Н. Н. Мельник; NJ Curro; JD Thompson; С.М. Стишов (2004). «Сверхпроводимость в алмазе». Природа . 428 (6982): 542–545. arXiv : cond-mat / 0404156 . Bibcode : 2004Natur.428..542E . DOI : 10,1038 / природа02449 . PMID  15057827 .
    Л. Боэри, Дж. Кортус и О.К. Андерсен " Трехмерная сверхпроводимость типа MgB 2 в дырочно-легированном алмазе" ,
    К.-В. Ли и У. Пикетт "Сверхпроводимость в алмазе, легированном бором" [ постоянная мертвая связь ] ,
    X. Blase, Ch. Адесси и Д. Коннетабль «Роль легирующей примеси в сверхпроводимости алмаза» [ постоянная мертвая связь ] ,
    Э. Бустаррет и др. «Зависимость температуры сверхпроводящего перехода от уровня легирования в монокристаллических алмазных пленках» [ постоянная мертвая ссылка ] - скачать бесплатно
  2. ↑ Гуревич В.Л., Ларкин А.И., Фирсов Ю.А. (1962). Сов. Phys. Твердое состояние. 4: 185.
  3. ^ ML Коэн (1964). «Существование сверхпроводящего состояния в полупроводниках». Ред. Мод. Phys . 36 (1): 240–243. Bibcode : 1964RvMP ... 36..240C . DOI : 10.1103 / RevModPhys.36.240 .
  4. ^ RA Hein; и другие. (1964). «Сверхпроводимость в теллуриде германия». Phys. Rev. Lett . 12 (12): 320–322. Bibcode : 1964PhRvL..12..320H . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.12.320 .
  5. ^ Л. Файнголд (1964). «Теллурид германия: удельная теплоемкость и сверхпроводимость» . Phys. Rev. Lett . 13 (7): 233–234. Bibcode : 1964PhRvL..13..233F . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.13.233 .
  6. ^ Б. Стрицкер; Х. Вуль (1976). «Сверхпроводимость аморфного германия, полученного ионной имплантацией». Zeitschrift für Physik Б . 24 (4): 367–370. Bibcode : 1976ZPhyB..24..367S . DOI : 10.1007 / BF01351526 .
  7. ^ Ю. Такано; и другие. (2007). «Сверхпроводящие свойства гомоэпитаксиального CVD-алмаза». Диам. Relat. Матер . 16 (4–7): 911–914. Bibcode : 2007DRM .... 16..911T . DOI : 10.1016 / j.diamond.2007.01.027 .
  8. ^ Y. Такано (2006). «Обзор» . Sci. Technol. Adv. Матер . 7 : S1. Bibcode : 2006STAdM ... 7S ... 1T . DOI : 10.1016 / j.stam.2006.06.003 .
  9. ^ Г. Баскаран (2008). «Примесные ленточные диэлектрики Мотта: новый путь к высокотемпературной сверхпроводимости» . Sci. Technol. Adv. Матер . 9 (4): 044104. Bibcode : 2008STAdM ... 9d4104B . DOI : 10.1088 / 1468-6996 / 9/4/044104 . PMC 5099631 . PMID 27878017 .  
  10. ^ Дж. Марес; и другие. (2008). «Избранные темы, связанные с транспортом и сверхпроводимостью в алмазе, легированном бором» . Sci. Technol. Adv. Матер . 9 (4): 044101. Bibcode : 2008STAdM ... 9d4101M . DOI : 10.1088 / 1468-6996 / 9/4/044101 . PMC 5099628 . PMID 27878014 .  
  11. ^ Е.А. Екимов; и другие. (2008). «Структура и сверхпроводимость алмаза, обогащенного изотопами бором» . Sci. Technol. Adv. Матер . 9 (4): 044210. Bibcode : 2008STAdM ... 9d4210E . DOI : 10.1088 / 1468-6996 / 9/4/044210 . PMC 5099641 . PMID 27878027 .  
  12. ^ ZK Tang; и другие. (2001). "Сверхпроводимость в однослойных углеродных нанотрубках 4 Ангстрема". Наука . 292 (5526): 2462–5. Bibcode : 2001Sci ... 292.2462T . DOI : 10.1126 / science.1060470 . PMID 11431560 . 
  13. ^ М. Kociak; и другие. (2001). «Сверхпроводимость канатов из однослойных углеродных нанотрубок». Письма с физическим обзором . 86 (11): 2416–2419. arXiv : cond-mat / 0010220 . Bibcode : 2001PhRvL..86.2416K . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.86.2416 . PMID 11289943 . 
  14. ^ М. Бократ (2006). «Углеродные нанотрубки: самое слабое звено». Физика природы . 2 (3): 155–156. Bibcode : 2006NatPh ... 2..155B . DOI : 10.1038 / nphys252 .
  15. ^ Н. Эмери; и другие. (2008). «Синтез и сверхпроводящие свойства CaC 6 » . Sci. Technol. Adv. Матер . 9 (4): 044102. Bibcode : 2008STAdM ... 9d4102E . DOI : 10.1088 / 1468-6996 / 9/4/044102 . PMC 5099629 . PMID 27878015 .  
  16. ^ И. Т. Белаш; и другие. (1990). «Сверхпроводимость ГИС с Li, Na и K». Синтетические металлы . 34 (1–3): 455–460. DOI : 10.1016 / 0379-6779 (89) 90424-4 .
  17. ^ Э. Бустаррет; и другие. (2006). «Сверхпроводимость в легированном кубическом кремнии» . Природа . 444 (7118): 465–8. Bibcode : 2006Natur.444..465B . DOI : 10,1038 / природа05340 . PMID 17122852 . 
  18. ↑ Zhi-An Ren; и другие. (2007). «Сверхпроводимость в SiC, легированном бором». J. Phys. Soc. Jpn . 76 (2): 103710. Bibcode : 2007JPSJ ... 76b3710M . DOI : 10,1143 / JPSJ.76.023710 . hdl : 2433/136766 .
  19. ^ М. Крайнер; и другие. (2008). «Сверхпроводимость в сильно легированном бором карбиде кремния» . Sci. Technol. Adv. Матер . 9 (4): 044205. arXiv : 0810.0056 . Bibcode : 2008STAdM ... 9d4205K . DOI : 10.1088 / 1468-6996 / 9/4/044205 . PMC 5099636 . PMID 27878022 .  
  20. ^ Т. Муранака; и другие. (2008). «Сверхпроводимость в карбиде кремния, легированном носителями» . Sci. Technol. Adv. Матер . 9 (4): 044204. Bibcode : 2008STAdM ... 9d4204M . DOI : 10.1088 / 1468-6996 / 9/4/044204 . PMC 5099635 . PMID 27878021 .  
  21. ^ Y. Yanase; Н. Йорозу (2008). «Сверхпроводимость в компенсированных и некомпенсированных полупроводниках» . Sci. Technol. Adv. Матер . 9 (4): 044201. Bibcode : 2008STAdM ... 9d4201Y . DOI : 10.1088 / 1468-6996 / 9/4/044201 . PMC 5099632 . PMID 27878018 .  
  22. ^ А.П. Дроздов; и другие. (2015). «Обычная сверхпроводимость при 203 кельвина при высоких давлениях в системе гидрида серы». Природа . 525 (7567): 73–76. arXiv : 1506.08190 . Bibcode : 2015Natur.525 ... 73D . DOI : 10,1038 / природа14964 . PMID 26280333 . 
  23. ^ Картлиддж, Эдвин (18 августа 2015). «Рекорд сверхпроводимости вызывает волну последующей физики» . Природа . 524 (7565): 277. Bibcode : 2015Natur.524..277C . DOI : 10.1038 / nature.2015.18191 . PMID 26289188 . 

Внешние ссылки [ править ]

  • Международный семинар по сверхпроводимости в алмазе и родственных материалах 2005 г.
  • Международный семинар по сверхпроводимости в алмазе и родственных материалах 2008 г.
  • New Diamond and Frontier Carbon Technology Том 17, № 1 Специальный выпуск о сверхпроводимости в CVD-алмазе
  • Некоторые статьи о сверхпроводящем алмазе