Купратные сверхпроводники - это семейство высокотемпературных сверхпроводящих материалов, состоящих из слоев оксидов меди (CuO 2 ), чередующихся со слоями оксидов других металлов, которые действуют как резервуары заряда. При атмосферном давлении купратные сверхпроводники являются известными сверхпроводниками с самой высокой температурой. Однако механизм возникновения сверхпроводимости до сих пор не изучен.
История
Первый купратный сверхпроводник был обнаружен в 1986 году исследователями IBM Беднорцем и Мюллером в нестехиометрическом оксиде купрата лантана, бария, меди . Критическая температура для этого материала составляла 35 К, что намного выше предыдущего рекорда в 23 К. [1] Это открытие привело к резкому увеличению исследований купратов, в результате чего в период с 1986 по 2001 годы были опубликованы тысячи публикаций. [2] Беднорц и Мюллер. были удостоены Нобелевской премии по физике в 1987 году, всего через год после своего открытия. [3]
С 1986 года было идентифицировано много купратных сверхпроводников, и их можно разделить на три группы на фазовой диаграмме: критическая температура в зависимости от содержания дырок кислорода и дырок меди:
- лантан барий- (LB-CO), Tc = -240 ° C (35 K).
- иттрий-барий- (YB-CO), Tc = -215 ° C (60 K).
- висмут стронций кальций- (BiSC-CO), Tc = -180 ° C (95 K).
- таллий барий кальций- (TBC-CO), Tc = -150 ° C (125 K). [4]
- ртуть барий кальций- (HGBC-CO) 1993, с Tc = -140 ° C (133 K), в настоящее время самая высокая критическая температура купрата. [5] [6]
Состав
Купраты представляют собой слоистые материалы, состоящие из сверхпроводящих плоскостей оксида меди , разделенных слоями, содержащими ионы, такие как лантан , барий , стронций , которые действуют как резервуар заряда, допуская электроны или дырки в плоскости оксида меди. Таким образом, структура описывается как сверхрешетка из сверхпроводящих слоев CuO 2, разделенных разделительными слоями, в результате чего получается структура, часто тесно связанная со структурой перовскита . Сверхпроводимость имеет место внутри листов оксида меди (CuO 2 ) со слабой связью между соседними плоскостями CuO 2 , что делает свойства близкими к свойствам двумерного материала. Электрические токи протекают внутри листов CuO 2 , что приводит к большой анизотропии нормальных проводящих и сверхпроводящих свойств с гораздо более высокой проводимостью, параллельной плоскости CuO 2, чем в перпендикулярном направлении.
Критические сверхпроводящие температуры зависят от химического состава, замещения катионов и содержания кислорода. Химические формулы сверхпроводящих материалов обычно содержат дробные числа для описания легирования, необходимого для сверхпроводимости. Существует несколько семейств купратных сверхпроводников, которые можно разделить на категории по содержащимся в них элементам и количеству соседних 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 пика при оптимальном значении легирования ( p = 0,16) и оптимальном количестве слоев в каждом сверхпроводящем блоке, обычно n = 3.
Нелегированные «родительские» или «материнские» соединения представляют собой изоляторы Мотта с дальним антиферромагнитным порядком при достаточно низких температурах. Одиночные ленточные модели , как правило , считается достаточно для описания электронных свойств.
Купратные сверхпроводники обычно содержат оксиды меди в степени окисления 3+ и 2+. Например, YBa 2 Cu 3 O 7 описывается как Y 3+ (Ba 2+ ) 2 (Cu 3+ ) (Cu 2+ ) 2 (O 2- ) 7 . Ионы меди 2+ и 3+ имеют тенденцию располагаться в шахматном порядке, явление, известное как упорядочение зарядов . [7] Все сверхпроводящие купраты представляют собой слоистые материалы, имеющие сложную структуру, описываемую как сверхрешетка из сверхпроводящих слоев CuO 2, разделенных спейсерами, где деформация несоответствия между различными слоями и легирующими добавками в спейсерах вызывает сложную неоднородность, которая в сценарии сверхполосок является внутренней для высокотемпературной сверхпроводимости.
Сверхпроводящий механизм
Сверхпроводимость в купратах считается нетрадиционной и не объясняется теорией БКШ . Возможные механизмы спаривания для купратной сверхпроводимости продолжают оставаться предметом значительных дискуссий и дальнейших исследований. Сходство между низкотемпературным антиферромагнитным состоянием в нелегированных материалах и низкотемпературным сверхпроводящим состоянием, которое возникает при допировании, в первую очередь орбитальным состоянием d x 2 -y 2 ионов Cu 2+ , позволяет предположить, что в купратах электрон-электронные взаимодействия более выражены. значительнее, чем обычные электрон-фононные взаимодействия. Недавние исследования поверхности Ферми показали, что нестинг возникает в четырех точках антиферромагнитной зоны Бриллюэна, где существуют спиновые волны, и что сверхпроводящая энергетическая щель больше в этих точках. Слабые изотопические эффекты, наблюдаемые для большинства купратов, контрастируют с обычными сверхпроводниками, которые хорошо описываются теорией БКШ.
Приложения
Сверхпроводники BSCCO уже нашли широкое применение. Например, десятки километров сверхпроводящих проводов BSCCO-2223 при 77 K используются в токоподводах Большого адронного коллайдера в ЦЕРНе . [8] (но в основных катушках возбуждения используются металлические более низкотемпературные сверхпроводники, в основном на основе ниобия – олова ).
Смотрите также
Библиография
- Рыбицки и др., Перспектива фазовой диаграммы купратных высокотемпературных сверхпроводников , Лейпцигский университет, 2015 doi : 10.1038 / ncomms11413
Рекомендации
- ^ JG Bednorz; К. А. Мюллер (1986). «Возможная сверхпроводимость с высокими температурами T C в системе Ba-La-Cu-O». Z. Phys. B . 64 (2): 189–193. Bibcode : 1986ZPhyB..64..189B . DOI : 10.1007 / BF01303701 .
- ^ Марк Бьюкенен (2001). «Обратите внимание на псевдощель». Природа . 409 (6816): 8–11. DOI : 10.1038 / 35051238 . PMID 11343081 .
- ↑ Автобиография Нобелевской премии .
- ^ Sheng, ZZ; Герман А.М. (1988). «Объемная сверхпроводимость при 120 К в системе Tl – Ca / Ba – Cu – O». Природа . 332 (6160): 138–139. Bibcode : 1988Natur.332..138S . DOI : 10.1038 / 332138a0 .
- ^ Шиллинг, А .; Cantoni, M .; Guo, JD; Отт, Х.Р. (1993). «Сверхпроводимость выше 130 К в системе Hg – Ba – Ca – Cu – O». Природа . 363 (6424): 56–58. Bibcode : 1993Natur.363 ... 56S . DOI : 10.1038 / 363056a0 .
- ^ Ли, Патрик А. (2008). «От высокотемпературной сверхпроводимости к квантовой спиновой жидкости: прогресс в физике сильных корреляций». Отчеты о достижениях физики . 71 : 012501. arXiv : 0708.2115 . Bibcode : 2008RPPh ... 71a2501L . DOI : 10.1088 / 0034-4885 / 71/1/012501 .
- ^ Ли, Синьтун; Цзоу, Чанвэй; Дин, Инь; Ян, Хунтао; Е, Шусен; Ли, Хайвэй; Хао, Чжэньци; Чжао, Линь; Чжоу, Синцзян; Ван, Яю (12 января 2021 г.). "Эволюция модуляций плотности заряда и пар в передозированном $ {\ mathrm {Bi}} _ {2} {\ mathrm {Sr}} _ {2} {\ mathrm {CuO}} _ {6+ \ suremath {\ delta} } $ " . Physical Review X . 11 (1): 011007. DOI : 10,1103 / PhysRevX.11.011007 .
- ^ Амалия Балларино (23 ноября 2005 г.). «ВТСП материалы для токоподводов LHC» . ЦЕРН .