Нетрадиционные сверхпроводники являются материалами , которые отображают сверхпроводимости , которая не соответствует ни традиционной теории БКША или Николай Боголюбов теории «s или его расширениям.
История
О сверхпроводящих свойствах CeCu 2 Si 2 , типа материала с тяжелыми фермионами , сообщил в 1979 году Франк Стеглих . [1] Долгое время считалось, что CeCu 2 Si 2 является синглетным d-волновым сверхпроводником, но с середины 2010-х годов это мнение сильно оспаривается. [2] В начале восьмидесятых было обнаружено гораздо больше нетрадиционных сверхпроводников с тяжелыми фермионами , включая UBe 13 , [3] UPt 3 [4] и URu 2 Si 2 . [5] В каждом из этих материалов анизотропный характер спаривания объясняется степенной зависимостью скорости релаксации ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и удельной теплоемкости от температуры. Наличие узлов в сверхпроводящем промежутке UPt 3 было подтверждено в 1986 году поляризационной зависимостью затухания ультразвука. [6]
Первый нетрадиционный триплетный сверхпроводник, органический материал (TMTSF) 2 PF 6 , был открыт Дени Джеромом и Клаусом Бехгаардом в 1979 году. [7] Экспериментальные работы групп Пола Чайкина и Майкла Нотона, а также теоретический анализ их данных Андреем Лебедь твердо подтвердил нетрадиционный характер сверхпроводящего спаривания в органических материалах (TMTSF) 2 X (X = PF 6 , ClO 4 и др.). [8]
Высокотемпературная синглетная d-волновая сверхпроводимость была обнаружена Дж. Г. Беднорцем и К. А. Мюллером в 1986 году, которые также обнаружили, что перовскитный материал из купрата на основе лантана LaBaCuO 4 развивает сверхпроводимость при критической температуре ( T c ) примерно 35 K (-238 градусов) Цельсия ). Это было намного выше самой высокой критической температуры, известной в то время ( T c = 23 K), и поэтому новое семейство материалов было названо высокотемпературными сверхпроводниками . Беднорц и Мюллер получили Нобелевскую премию по физике за это открытие в 1987 году. С тех пор было синтезировано много других высокотемпературных сверхпроводников .
LSCO (La 2− x Sr x CuO 4 ) был открыт в том же 1986 году. Вскоре после этого, в январе 1987 года, было обнаружено, что оксид иттрия-бария-меди (YBCO) имеет T c, равную 90 K, и стал первым материалом, достигшим сверхпроводимости выше точки кипения жидкого азота (77 K). [9] Это было очень важно с точки зрения технологических применений сверхпроводимости из-за гораздо меньшей стоимости жидкого азота, чем жидкий гелий , который требуется для охлаждения обычных сверхпроводников до их критической температуры. В 1988 году были открыты оксид висмута, стронция, кальция, меди (BSCCO) с T c до 107 K, [10] и оксид таллия, бария, кальция, меди (TBCCO) (T = таллий) с T c, равной 125 K. Текущая рекордная критическая температура составляет около T c = 133 K (-140 ° C) при стандартном давлении, и несколько более высокие критические температуры могут быть достигнуты при высоком давлении. Тем не менее, в настоящее время считается маловероятным, что материалы из купратного перовскита будут иметь сверхпроводимость при комнатной температуре.
С другой стороны, были обнаружены другие нетрадиционные сверхпроводники. К ним относятся те, которые не обладают сверхпроводимостью при высоких температурах, такие как рутенат стронция Sr 2 RuO 4 , но которые, как и высокотемпературные сверхпроводники, являются нетрадиционными в других отношениях. (Например, происхождение силы притяжения, приводящей к образованию куперовских пар, может отличаться от той, которая постулируется в теории БКШ .) В дополнение к этому, сверхпроводники, которые имеют необычно высокие значения T c, но не являются купратными перовскитами, имеют был обнаружен. Некоторые из них могут быть крайними примерами обычных сверхпроводников (предполагается, что это диборид магния MgB 2 с T c = 39 K). Другие могут отображать более нетрадиционные функции.
В 2008 году был открыт новый класс, не включающий медь (слоистые оксипниктидные сверхпроводники), например LaOFeAs. [11] [12] [13] Оксипниктид самария, по- видимому, имел T c около 43 K, что было выше, чем предсказывала теория BCS . [14] Испытания при температуре до 45 Тл [15] [16] показали, что верхнее критическое поле LaFeAsO 0,89 F 0,11 составляет около 64 Тл. Некоторые другие сверхпроводники на основе железа не содержат кислорода.
По состоянию на 2009 год[Обновить], самым высокотемпературным сверхпроводником (при атмосферном давлении) является оксид ртути, бария, кальция, меди (HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O x ), при 138 К и удерживаемый купрат-перовскитным материалом [17], возможно, 164 К при высоком давлении. . [18]
Были обнаружены и другие нетрадиционные сверхпроводники, не основанные на структуре купратов. [19] Некоторые из них имеют необычно высокие значения критической температуры , Т с , и , следовательно , они иногда также называют высокотемпературные сверхпроводники.
Графен
В 2017 году эксперименты по сканирующей туннельной микроскопии и спектроскопии графена, близкого к электронно-легированному (нехиральному) сверхпроводнику с d- волнами Pr 2− x Ce x CuO 4 (PCCO), выявили доказательства нетрадиционной сверхпроводящей плотности состояний, индуцированной в графене. [20] Публикации в марте 2018 года предоставили доказательства нетрадиционных сверхпроводящих свойств бислоя графена, в котором один слой смещен на «магический угол» 1,1 ° относительно другого. [21]
Текущее исследование
После более чем двадцати лет интенсивных исследований происхождение высокотемпературной сверхпроводимости все еще не ясно, но кажется, что вместо механизмов электрон-фононного притяжения, как в обычной сверхпроводимости , возникают настоящие электронные механизмы (например, за счет антиферромагнитных корреляций). Кроме того, вместо образования пар s-волн существенны d-волны.
Одна из целей многих исследований - сверхпроводимость при комнатной температуре . [22]
Вопрос о том, как возникает сверхпроводимость в высокотемпературных сверхпроводниках, является одной из основных нерешенных проблем теоретической физики конденсированного состояния по состоянию на 2016 год.[Обновить]. 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, как правило, представляют собой очень сложные многослойные кристаллы (например, BSCCO ), что затрудняет теоретическое моделирование.
Возможные механизмы
Наиболее спорная тема в физике конденсированной сред была механизмом высокого Т с сверхпроводимостью (HTS). Существуют две репрезентативные теории HTS: (См. Также теорию резонирующей валентной связи )
- Теория слабой связи
- Во-первых, было высказано предположение, что ВТСП возникает в результате антиферромагнитной спиновой флуктуации в легированной системе. [23] Согласно этой теории слабой связи , волновая функция спаривания ВТСП должна иметь симметрию d x 2 - y 2 . Таким образом, является ли симметрия волновой функции спаривания d- симметрией или нет, важно продемонстрировать механизм HTS в отношении спиновой флуктуации. То есть, если параметр порядка ВТСП (волновая функция спаривания) не обладает d- симметрией, то механизм спаривания, связанный со спиновыми флуктуациями, может быть исключен. Туннеля эксперимент (смотри ниже) , как представляется , чтобы обнаружить d симметрии в некоторых HTS.
- Модель межслойной связи
- Во-вторых, существует модель межслойной связи , согласно которой слоистая структура, состоящая из сверхпроводника типа БКШ (s-симметрии), может сама усиливать сверхпроводимость. [24] Путем введения дополнительного туннельного взаимодействия между каждым слоем эта модель успешно объяснила анизотропную симметрию параметра порядка в ВТСП, а также возникновение ВТСП. [ необходима цитата ]
Чтобы решить эту нерешенную проблему, было проведено множество экспериментов, таких как фотоэлектронная спектроскопия, ЯМР, измерение теплоемкости и т. Д. К сожалению, результаты были неоднозначными: одни отчеты поддерживали d-симметрию для ВТСП, а другие поддерживали s-симметрию. [ необходима цитата ] 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.
Предыдущие исследования симметрии параметра порядка ВТСП
Симметрия параметра порядка ВТСП изучалась в измерениях ядерного магнитного резонанса , а в последнее время - с помощью фотоэмиссии с угловым разрешением и измерений глубины проникновения микроволн в кристалле ВТСП. Измерения ЯМР исследуют локальное магнитное поле вокруг атома и, следовательно, отражают восприимчивость материала. Они представляли особый интерес для ВТСП-материалов, потому что многие исследователи задавались вопросом, могут ли спиновые корреляции играть роль в механизме ВТСП.
Измерения резонансной частоты YBCO методом ЯМР показали, что электроны в сверхпроводниках из оксида меди спарены в спин-синглетных состояниях. Этот признак исходит из поведения сдвига Найта, сдвига частоты, который происходит, когда внутреннее поле отличается от приложенного поля: в нормальном металле магнитные моменты электронов проводимости в окрестности исследуемого иона совпадают с прикладное поле и создайте внутреннее поле большего размера. Когда эти металлы становятся сверхпроводящими, электроны с противоположно направленными спинами соединяются, образуя синглетные состояния. В анизотропном ВТСП, возможно, измерения ЯМР показали, что скорость релаксации меди зависит от направления приложенного статического магнитного поля, причем скорость выше, когда статическое поле параллельно одной из осей в плоскости оксида меди. Хотя это наблюдение одной группы подтвердило d-симметрию ВТСП, другие группы не смогли ее наблюдать.
Также, измеряя глубину проникновения , можно изучить симметрию параметра порядка ВТСП. Глубина проникновения микроволн определяется плотностью сверхтекучей жидкости, которая экранирует внешнее поле. В теории БКШ s-волны, поскольку пары могут термически возбуждаться через зазор Δ, изменение плотности сверхтекучей жидкости на единицу изменения температуры происходит по экспоненциальному закону, exp (-Δ / k B T ). В этом случае глубина проникновения также изменяется экспоненциально с температурой Т . Если есть узлы в запрещенной зоне, как в ВТСП с d- симметрией, электронная пара может быть более легко разрушена, сверхтекучая плотность должна иметь более сильную температурную зависимость, и ожидается, что глубина проникновения будет увеличиваться как степень T при низких температурах. Если симметрия особенно равна d x 2 - y 2, то глубина проникновения должна линейно изменяться с T при низких температурах. Этот метод все чаще используется для изучения сверхпроводников, и его применение ограничено в основном качеством доступных монокристаллов.
Фотоэмиссионная спектроскопия также может дать информацию о симметрии ВТСП. Рассеивая фотоны на электронах в кристалле, можно снимать энергетические спектры электронов. Поскольку этот метод чувствителен к углу испускаемых электронов, можно определить спектр для различных волновых векторов на поверхности Ферми. Однако в пределах разрешения фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением (ARPES) исследователи не могли сказать, доходит ли щель до нуля или становится очень маленькой. Кроме того, ARPES чувствительны только к величине, а не к знаку разрыва, поэтому он не может определить, станет ли разрыв в какой-то момент отрицательным. Это означает, что ARPES не может определить, имеет ли параметр порядка ВТСП d- симметрию или нет.
Переходный эксперимент, подтверждающий симметрию d-волны
Для преодоления запутанной ситуации был разработан хитроумный экспериментальный план. Эксперимент, основанный на парном туннелировании и квантовании потока в трехзеренном кольце YBa 2 Cu 3 O 7 (YBCO), был разработан для проверки симметрии параметра порядка в YBCO. [25] Такое кольцо состоит из трех кристаллов YBCO с определенной ориентацией, соответствующей симметрии спаривания d-волн, чтобы вызвать спонтанно генерируемый полуцелый квантовый вихрь в точке встречи трикристалла. Кроме того, в этом эксперименте с трикристаллами учитывалась возможность того, что границы раздела переходов могут быть в чистом пределе (без дефектов) или с максимальным зигзагообразным беспорядком. [25] Предложение об изучении вихрей с квантами половинного магнитного потока в сверхпроводниках с тяжелыми фермионами в трех поликристаллических конфигурациях было сделано в 1987 г. В. Б. Гешкенбейном, А. Ларкиным и А. Бароне в 1987 г. [26]
В первом эксперименте по симметрии спаривания трикристаллов [25] спонтанная намагниченность кванта половинного потока явно наблюдалась в YBCO, что убедительно подтверждало d-волновую симметрию параметра порядка в YBCO. Поскольку YBCO является ромбическим , он может иметь примесь s-волновой симметрии. Таким образом, при дальнейшей настройке их техники было обнаружено, что в YBCO присутствует примесь s-волновой симметрии в пределах примерно 3%. [27] Кроме того, это было продемонстрировано Цуэи, Киртли и др. что в тетрагональном Tl 2 Ba 2 CuO 6 существует чистая симметрия параметра порядка d x 2 - y 2 . [28]
Рекомендации
- ^ Steglich, F .; Aarts, J .; Bredl, CD; Lieke, W .; Meschede, D .; Franz, W .; Шефер, Х. (1979). «Сверхпроводимость при сильном парамагнетизме Паули: CeCu2Si2». Письма с физическим обзором . 43 (25): 1892–1896. Bibcode : 1979PhRvL..43.1892S . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.43.1892 . ЛВП : 1887/81461 .
- ^ Киттака, Шуничиро; Аоки, Юя; Шимура, Ясуюки; Сакакибара, Тоширо; Сейро, Сильвия; Гейбель, Кристоф; Стеглич, Франк; Икеда, Хироаки; Мачида, Казусигэ (12 февраля 2014 г.). "Многополосная сверхпроводимость с неожиданным дефицитом узловых квазичастиц в $ {\ mathrm {CeCu}} _ {2} {\ mathrm {Si}} _ {2} $". Физические [ постоянная мертвая ссылка ] Письма с обзором . 112 (6): 067002. arXiv : 1307.3499 . Bibcode : 2014PhRvL.112f7002K . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.112.067002 . PMID 24580704 . S2CID 13367098 .
- ^ Отт, HR; Rudigier, H .; Фиск, З .; Смит, Дж. (1983). "UBe_ {13}: нетрадиционный актинидный сверхпроводник" . Письма с физическим обзором . 50 (20): 1595–1598. Bibcode : 1983PhRvL..50.1595O . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.50.1595 .
- ^ Стюарт, GR; Фиск, З .; Уиллис, Джо; Смит, Дж. Л. (1984). «Возможность сосуществования объемной сверхпроводимости и спиновых флуктуаций в UPt3» . Письма с физическим обзором . 52 (8): 679–682. Bibcode : 1984PhRvL..52..679S . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.52.679 .
- ^ Пальстра, ТТМ; Меновский, АА; Берг, Дж. Ван ден; Диркмаат, AJ; Kes, PH; Nieuwenhuys, GJ; Mydosh, JA (1985). «Сверхпроводящие и магнитные переходы в системе тяжелых фермионов URu_ {2} Si_ {2}» . Письма с физическим обзором . 55 (24): 2727–2730. Bibcode : 1985PhRvL..55.2727P . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.55.2727 . PMID 10032222 .
- ^ Шиварам, Б.С.; Jeong, YH; Розенбаум, Т.Ф .; Хинкс, Д. (1986). «Анизотропия поперечного звука в сверхпроводнике с тяжелыми фермионами UPt3» (PDF) . Письма с физическим обзором . 56 (10): 1078–1081. Bibcode : 1986PhRvL..56.1078S . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.56.1078 . PMID 10032562 .
- ^ Jérome, D .; Mazaud, A .; Ribault, M .; Бечгаард, К. (1980). «Сверхпроводимость в синтетическом органическом проводнике (TMTSF) 2PF 6» (PDF) . Journal de Physique Lettres . 41 (4): 95. DOI : 10,1051 / jphyslet: 0198000410409500 .
- ^ Бехгаард, Клаус; Карнейро, Клаус С .; Olsen, Мальте; Расмуссен, Финн; Якобсен, Клаус (1981). «Органический сверхпроводник при нулевом давлении: ди- (тетраметилтетраселенафульвалениум) -перхлорат [(TMTSF) 2ClO4]» (PDF) . Письма с физическим обзором . 46 (13): 852. Bibcode : 1981PhRvL..46..852B . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.46.852 .
- ^ KM Wu; и другие. (1987). «Сверхпроводимость при 93 К в новой смешанной системе соединений Yb-Ba-Cu-O при атмосферном давлении» . Phys. Rev. Lett . 58 (9): 908–910. Bibcode : 1987PhRvL..58..908W . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.58.908 . PMID 10035069 .
- ^ Х. Маэда; Ю. Танака; М. Фукутуми и Т. Асано (1988). «Новая High- T с оксидным сверхпроводник без редкоземельного элемента» . Jpn. J. Appl. Phys . 27 (2): L209 – L210. Bibcode : 1988JaJAP..27L.209M . DOI : 10,1143 / JJAP.27.L209 .
- ^ Хироки Такахаси, Кадзуми Игава, Казунобу Ари, Йоичи Камихара, Масахиро Хирано, Хидео Хосоно; Игава; Арии; Камихара; Хирано; Хосоно (2008). «Сверхпроводимость при 43 К в слоистом соединении на основе железа LaO 1− x F x FeAs». Природа . 453 (7193): 376–378. Bibcode : 2008Natur.453..376T . DOI : 10,1038 / природа06972 . PMID 18432191 . S2CID 498756 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
- ^ "Железо как высокотемпературный сверхпроводник: журнал Scientific American" . Sciam.com. 23 апреля 2008 . Проверено 29 октября 2009 года .
- ^ Новые высокотемпературные сверхпроводники на основе железа с необычными магнитными свойствами
- ^ Самарий оксипниктид
- ^ Высокотемпературные сверхпроводники открывают путь для «супермагнитов» [ постоянная мертвая связь ]
- ^ Hunte, F .; Jaroszynski, J .; Гуревич, А .; Ларбалестиер, округ Колумбия; Jin, R .; Sefat, AS; Макгуайр, Массачусетс; Продажи, БК; и другие. (2008). «Двухзонная сверхпроводимость в очень сильном поле в LaFeAsO0.89F0.11 при очень сильных магнитных полях». Природа . 453 (7197): 903–5. arXiv : 0804.0485 . Bibcode : 2008Natur.453..903H . DOI : 10,1038 / природа07058 . PMID 18509332 . S2CID 115211939 .
- ^ П. Дай, BC Chakoumakos, GF Sun, KW Wong, Y. Xin и DF Lu (1995). «Синтез и нейтронное порошковое исследование сверхпроводника HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8 + δ путем замещения Tl». Physica C . 243 (3–4): 201–206. Bibcode : 1995PhyC..243..201D . DOI : 10.1016 / 0921-4534 (94) 02461-8 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
- ^ Л. Гао; YY Xue; Ф. Чен; Q. Xiong; RL Meng; Д. Рамирес; CW Чу; Дж. Х. Эггерт и Х. К. Мао (1994). «Сверхпроводимость до 164 К в HgBa 2 Ca m-1 Cu m O 2m + 2 + δ (m = 1, 2 и 3) при квазигидростатических давлениях». Phys. Rev. B . 50 (6): 4260–4263. Bibcode : 1994PhRvB..50.4260G . DOI : 10.1103 / PhysRevB.50.4260 . PMID 9976724 .
- ^ Хироки Такахаси, Кадзуми Игава, Казунобу Ари, Йоичи Камихара, Масахиро Хирано, Хидео Хосоно; Игава; Арии; Камихара; Хирано; Хосоно (2008). «Сверхпроводимость при 43 К в слоистом соединении на основе железа LaO1- x F x FeAs». Природа . 453 (7193): 376–378. Bibcode : 2008Natur.453..376T . DOI : 10,1038 / природа06972 . PMID 18432191 . S2CID 498756 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
- ^ Ди Бернардо, А .; Millo, O .; Barbone, M .; Alpern, H .; Kalcheim, Y .; Sassi, U .; Отт, АК; Фацио, Д. Де; Юн, Д. (19 января 2017 г.). «p-волна инициировала сверхпроводимость в однослойном графене на оксидном сверхпроводнике, легированном электронами» . Nature Communications . 8 : 14024. arXiv : 1702.01572 . Bibcode : 2017NatCo ... 814024D . DOI : 10.1038 / ncomms14024 . ISSN 2041-1723 . PMC 5253682 . PMID 28102222 .
- ^ Гибни, Элизабет (5 марта 2018 г.). «Неожиданное открытие графена может раскрыть секреты сверхпроводимости» . Новости. Природа . 555 (7695): 151–2. Bibcode : 2018Natur.555..151G . DOI : 10.1038 / d41586-018-02773-ш . PMID 29517044 .
Физики теперь сообщают, что расположение двух слоев графена толщиной в атом так, чтобы рисунок их атомов углерода был смещен на угол 1,1 градуса, делает материал сверхпроводником.
- ^ А. Мурачкин (2004). Сверхпроводимость при комнатной температуре . Кембриджское международное научное издательство. arXiv : cond-mat / 0606187 . Bibcode : 2006 second.mat..6187M . ISBN 1-904602-27-4.
- ^ П. Мунту; Балацкий, А .; Сосны, Д .; и другие. (1992). «Теория слабой связи высокотемпературной сверхпроводимости в антиферромагнитно коррелированных оксидах меди». Phys. Rev. B . 46 (22): 14803–14817. Bibcode : 1992PhRvB..4614803M . DOI : 10.1103 / PhysRevB.46.14803 . PMID 10003579 .
- ^ С. Чакраварти; Sudbo, A .; Андерсон, П. В.; Strong, S .; и другие. (1993). «Межслоевое туннелирование и щелочная анизотропия в высокотемпературных сверхпроводниках». Наука . 261 (5119): 337–40. Bibcode : 1993Sci ... 261..337C . DOI : 10.1126 / science.261.5119.337 . PMID 17836845 . S2CID 41404478 .
- ^ а б в CC Tsuei; Киртли, младший; Chi, CC; Yu-Jahnes, Lock See; Gupta, A .; Shaw, T .; Вс, JZ; Кетчен, МБ; и другие. (1994). «Симметрия пар и квантование потока в трикристаллическом кольце сверхпроводника YBa2Cu3O7-дельта». Phys. Rev. Lett . 73 (4): 593–596. Bibcode : 1994PhRvL..73..593T . DOI : 10.1103 / PHYSREVLETT.73.593 . PMID 10057486 .
- ^ В.Б. Гешкенбейн; Ларкин, А .; Barone, A .; и другие. (1987). «Вихри с половинными квантами магнитного потока в сверхпроводниках с тяжелыми фермионами ». Phys. Rev. B . 36 (1): 235–238. Bibcode : 1987PhRvB..36..235G . DOI : 10.1103 / PhysRevB.36.235 . PMID 9942041 .
- ^ JR Kirtley; Цуэй, СС; Ариандо, А .; Verwijs, CJM; Harkema, S .; Hilgenkamp, H .; и другие. (2006). «Фазочувствительное определение симметрии в плоскости зазора в YBa2Cu3O7-дельта с угловым разрешением». Nat. Phys . 2 (3): 190. Bibcode : 2006NatPh ... 2..190K . DOI : 10.1038 / nphys215 . S2CID 118447968 .
- ^ CC Tsuei; Киртли, младший; Ren, ZF; Wang, JH; Раффи, H .; Ли, ZZ; и другие. (1997). «Чистая симметрия параметра порядка dx2 - y2 в тетрагональном сверхпроводнике TI2Ba2CuO6 + delta». Природа . 387 (6632): 481. Bibcode : 1997Natur.387..481T . DOI : 10.1038 / 387481a0 . S2CID 4314494 .