Органический сверхпроводник представляет собой синтетическое органическое соединение , которое проявляет сверхпроводимости при низких температурах.
По состоянию на 2007 год самая высокая достигнутая критическая температура для органического сверхпроводника при стандартном давлении составляет 33 К (-240 ° C; -400 ° F), что наблюдается в фуллерене, легированном щелочью RbCs 2 C 60 . [1] [2]
В 1979 году Клаус Бехгаард синтезировал первый органический сверхпроводник (TMTSF) 2 PF 6 (соответствующий класс материалов был назван в его честь позже) с температурой перехода T C = 0,9 K при внешнем давлении 11 кбар. [3]
Многие материалы можно охарактеризовать как органические сверхпроводники. Они включают в себя соль Бехгаарда и Fabre соль , которые оба квази-одномерный, и квази-двумерный материалы , такие как к -BEDT-TTF 2 X комплекс с переносом заряда , λ -BETS 2 Х соединения, интеркалированные соединения графита и три мерные материалы , такие как щелочные - легированные фуллерены .
Органические сверхпроводники представляют особый интерес не только для ученых, ищущих сверхпроводимость при комнатной температуре и для модельных систем, объясняющих происхождение сверхпроводимости, но и для решения повседневных проблем, поскольку органические соединения в основном состоят из углерода и водорода, которые относятся к наиболее распространенным элементам в природе. земля в отличие от меди или осмия .
Одномерные соли Фабра и Бехгаарда
Соли Fabre состоят из тетраметилтетратиафульвалена (TMTTF) и солей Бехгаарда тетраметилтетраселенафульвалена (TMTSF). Эти две органические молекулы похожи, за исключением того, что атомы серы в TMTTF заменены атомами селена в TMTSF. Молекулы уложены в столбики (со склонностью к димеризации ), разделенные анионами . Типичными анионами являются, например, октаэдрические PF 6 , AsF 6 или тетраэдрические ClO 4 или ReO 4 .
Оба класса материалов являются квазиодномерными при комнатной температуре, проводят только вдоль стопок молекул и имеют очень богатую фазовую диаграмму, содержащую антиферромагнитное упорядочение , порядок заряда , состояние волны спиновой плотности , размерный кроссовер и сверхпроводимость.
Было обнаружено, что только одна соль Бехгаарда является сверхпроводящей при атмосферном давлении, которая составляет (TMTTF) 2 ClO 4 с температурой перехода T C = 1,4 К. Некоторые другие соли становятся сверхпроводящими только под внешним давлением. Внешнее давление, необходимое для превращения большинства солей Фабра в сверхпроводимость, настолько велико, что в лабораторных условиях сверхпроводимость наблюдалась только в одном соединении. Выбор температуры перехода и соответствующего внешнего давления для нескольких одномерных органических сверхпроводников показан в таблице ниже.
Материал | Т С (К) | p ext (кбар) |
---|---|---|
(TMTSF) 2 SbF 6 | 0,36 | 10,5 |
(TMTSF) 2 ПФ 6 | 1.1 | 6.5 |
(TMTSF) 2 AsF 6 | 1.1 | 9,5 |
(TMTSF) 2 ReO 4 | 1.2 | 9,5 |
(TMTSF) 2 TaF 6 | 1,35 | 11 |
(TMTTF) 2 Br | 0,8 | 26 |
Двумерный (BEDT-TTF) 2 X
BEDT-TTF - это короткая форма бисэтилендитио-тетратиафульвалена, обычно обозначаемая аббревиатурой ET. Эти молекулы образуют плоскости, разделенные анионами. Структура молекул в плоскостях не уникальна, но существует несколько различных фаз роста, в зависимости от аниона и условий роста. Важными фазами, касающимися сверхпроводимости, являются α- и θ-фазы с молекулами, упорядоченными в структуре «рыбьей кости», а также β- и особенно κ-фазы, которые упорядочиваются в шахматной структуре с молекулами, димеризованными в κ-фазе. Эта димеризация делает κ-фазы особенными, поскольку они представляют собой системы, заполненные не на четверть, а на половину, что приводит к сверхпроводимости при более высоких температурах по сравнению с другими фазами.
Количество возможных анионов, разделяющих два листа молекул ET, практически бесконечно. Существуют простые анионы, такие как I 3 , полимерные, такие как очень известный Cu [N (CN) 2 ] Br, и анионы, содержащие растворители, например Ag (CF 3 ) 4 · 112DCBE. Электронные свойства кристаллов на основе ET определяются его фазой роста, его анионом и приложенным внешним давлением. Внешнее давление, необходимое для перевода ET-соли с изолирующим основным состоянием в сверхпроводящее, намного меньше, чем необходимое для солей Бехгаарда . Например, κ- (ET) 2 Cu [N (CN) 2 ] Cl требуется всего лишь давление около 300 бар, чтобы стать сверхпроводящим, чего можно достичь, поместив кристалл в смазку, замороженную ниже 0 ° C (32 ° F). а затем обеспечить достаточное напряжение, чтобы вызвать сверхпроводящий переход. Кристаллы очень чувствительны, что можно впечатляюще наблюдать в α- (ET) 2 I 3, лежащем несколько часов на солнце (или более контролируемом в духовке при 40 ° C, 104 ° F). После такой обработки получается α Tempered - (ET) 2 I 3, которое является сверхпроводящим.
В отличие от солей Фабра или Бехгаарда универсальные фазовые диаграммы для всех солей на основе ET пока только предложены. Такая фазовая диаграмма будет зависеть не только от температуры и давления (т.е. от ширины полосы), но и от электронных корреляций . В дополнение к сверхпроводящему основному состоянию эти материалы демонстрируют зарядовый порядок , антиферромагнетизм или остаются металлическими до самых низких температур. Одно соединение даже считается спиновой жидкостью .
Наивысшие температуры перехода при атмосферном давлении и внешнем давлении обнаруживаются в κ-фазах с очень похожими анионами. κ- (ET) 2 Cu [N (CN) 2 ] Br становится сверхпроводящим при T C = 11,8 K при атмосферном давлении, а давление 300 бар приводит в действие дейтерированный κ- (ET) 2 Cu [N (CN) 2 ] Cl из антиферромагнетика в основное сверхпроводящее состояние с температурой перехода T C = 13,1 К. В следующей таблице показаны только несколько примерных сверхпроводников этого класса. Дополнительные сведения о сверхпроводниках см. В справочной литературе Лебедя (2008).
Материал | Т С (К) | p ext (кбар) |
---|---|---|
β H - (ET) 2 I 3 | 1.5 | 0 |
θ- (ЭТ) 2 I 3 | 3,6 | 0 |
к- (ЭТ) 2 I 3 | 3,6 | 0 |
α- (ЭТ) 2 KHg (SCN) 4 | 0,3 | 0 |
α- (ЭТ) 2 KHg (SCN) 4 | 1.2 | 1.2 |
β '' - (ET) 2 SF 5 CH 2 CF 2 SO 3 | 5,3 | 0 |
κ- (ET) 2 Cu [N (CN) 2 ] Cl | 12,8 | 0,3 |
κ- (ET) 2 Cu [N (CN) 2 ] Cl дейтерированный | 13,1 | 0,3 |
κ- (ET) 2 Cu [N (CN) 2 ] Br дейтерированный | 11.2 | 0 |
κ- (ЭТ) 2 Cu (NCS) 2 | 10,4 | 0 |
κ- (ET) 4 Hg 2,89 Cl 8 | 1,8 | 12 |
κ H - (ET) 2 Cu (CF 3 ) 4 · TCE | 9.2 | 0 |
κ H - (ET) 2 Ag (CF 3 ) 4 · TCE | 11.1 | 0 |
Еще больше сверхпроводников можно найти, слегка изменив молекулы ET, заменив атомы серы селеном (BEDT-TSF, BETS) или кислородом (BEDO-TTF, BEDO).
Некоторые двумерные органические сверхпроводники семейств κ- (ET) 2 X и λ (BETS) 2 X являются кандидатами в фазу Фульде-Феррелла-Ларкина-Овчинникова (FFLO), когда сверхпроводимость подавляется внешним магнитным полем. [4]
Допированные фуллерены
Сверхпроводящие фуллерены на основе C 60 существенно отличаются от других органических сверхпроводников. Строительные молекулы больше не являются управляемыми углеводородами, а представляют собой молекулы чистого углерода . Вдобавок эти молекулы больше не плоские, а громоздкие, что дает трехмерный изотропный сверхпроводник. Чистый C 60 растет в ГЦК-решетке и является изолятором . Помещая щелочные атомы в междоузлия, кристалл становится металлическим и в конечном итоге становится сверхпроводящим при низких температурах.
К сожалению, кристаллы C 60 нестабильны в окружающей атмосфере. Их выращивают и исследуют в закрытых капсулах, что ограничивает возможные методы измерения. Наивысшая температура перехода, измеренная до сих пор, составляла T C = 33 K для Cs 2 RbC 60. Самая высокая измеренная температура перехода в органическом сверхпроводнике была обнаружена в 1995 г. в Cs 3 C 60 под давлением 15 кбар, что составило T C = 40 K. давление это соединение показывает уникальное поведение. Обычно самая высокая Т С достигается при низком давлении , необходимом для приведения в действие перехода. Дальнейшее повышение давления обычно снижает температуру перехода. Однако в Cs 3 C 60 сверхпроводимость возникает при очень низких давлениях, порядка 100 бар, и температура перехода продолжает расти с увеличением давления. Это указывает на совершенно иной механизм, нежели просто расширение полосы пропускания.
Материал | Т С (К) | p ext (мбар) |
---|---|---|
К 3 С 60 | 18 | 0 |
Руб 3 С 60 | 30,7 | 0 |
К 2 CsC 60 | 24 | 0 |
К 2 RbC 60 | 21,5 | 0 |
К 5 С 60 | 8,4 | 0 |
Sr 6 C 60 | 6,8 | 0 |
(NH 3 ) 4 Na 2 CsC 60 | 29,6 | 0 |
(NH 3 ) К 3 С 60 | 28 год | 14,8 |
Больше органических сверхпроводников
Рядом с тремя основными классами органических сверхпроводников (SC) есть больше органических систем, становящихся сверхпроводящими при низких температурах или под давлением. Ниже приведены несколько примеров.
SC на базе TTP
TMTTF, а также BEDT-TTF основаны на молекуле TTF ( тетратиафульвален ). Используя ТТФ (тетратиапентален) в качестве основных молекул, можно получить множество новых органических молекул, служащих катионами в органических кристаллах. И некоторые из них сверхпроводящие. Об этом классе сверхпроводников было сообщено только недавно, и исследования все еще продолжаются.
СК фенантренового типа
Вместо использования сульфатированных молекул или довольно больших фуллеренов Бакминстера в последнее время стало возможным синтезировать кристаллы из углеводородного пикена и фенантрена . Легирование кристаллического пикена и фенантрена щелочными металлами, такими как калий или рубидий, и отжиг в течение нескольких дней приводит к сверхпроводимости с температурами перехода до 18 К (-255 ° C; -427 ° F). Для AxPhenanthrene сверхпроводимость возможна нетрадиционно. И фенантрен, и пикен называются полициклическими ароматическими углеводородами фенантренового типа . Увеличение количества бензольных колец приводит к более высокой Т c .
СЭ интеркаляции графита
Помещение посторонних молекул или атомов между листами шестиугольника графита приводит к упорядоченным структурам и сверхпроводимости, даже если ни чужая молекула, ни атом, ни слои графита не являются металлическими. Было синтезировано несколько стехиометрий с использованием в основном атомов щелочных металлов в качестве анионов.
Несколько Т С с для необычного SCs
Материал | Т С (К) |
---|---|
(БДА-ТТП) 2 AsF 6 | 5,8 |
(DTEDT) 3 Au (CN) 2 | 4 |
К 3.3 Пичене | 18 |
Rb 3.1 Пичене | 6.9 |
K 3 Фенантрен | 4,95 |
Rb 3 Фенантрен | 4,75 |
CaC 5 | 11,5 |
NaC 2 | 5 |
KC 8 | 0,14 |
Рекомендации
- ↑ Лебедь, А.Г. (Ред.) (2008). Физика органических сверхпроводников и проводников . Серия Спрингера по материаловедению, Vol. 110. ISBN 978-3-540-76667-4
- ^ Синглтон, Джон; Мильке, Чарльз (2002). «Квазидвумерные органические сверхпроводники: обзор». Современная физика . 43 (2): 63. arXiv : cond-mat / 0202442 . Bibcode : 2002ConPh..43 ... 63S . DOI : 10.1080 / 00107510110108681 .
- ^ Jérome, D .; Mazaud, A .; Ribault, M .; Бечгаард, К. (1980). «Сверхпроводимость в синтетическом органическом проводнике (ТМТСФ) 2ПФ 6» . Journal de Physique Lettres . 41 (4): 95–98. DOI : 10,1051 / jphyslet: 0198000410409500 .
- ^ Шимахара, Х. (2008) "Теория состояния Фульде-Феррелла-Ларкина-Овчинникова и применение к квази-низкоразмерным органическим сверхпроводникам", в Физике органических сверхпроводников и проводников . Лебедь А.Г. (ред.). Спрингер, Берлин.