Высокотемпературная сверхпроводимость

Высокотемпературная сверхпроводимость (ВТСП, Высокотемпературные сверхпроводники или Высокие-Tc) — сверхпроводимость при относительно больших температурах. Исторически граничной величиной является температура в 30 К, однако ряд авторов под ВТСП подразумевает сверхпроводники с критической температурой выше точки кипения азота (77 К или −196 °C).

График открытий сверхпроводимости с 1900 по 2015 годы

Описание
Критические температуры сверхпроводящего перехода для обычных веществ и их гидридов при атмосферном и высоком давлениях[1]

Явление сверхпроводимости заключается в полной утрате материалом электрического сопротивления при охлаждении ниже характерной для данного материала критической температуры. Особое значение высокотемпературной сверхпроводимости заключается в возможности практического использования без сильного охлаждения или с более дешевыми и удобными охладителями (жидким водородом, азотом, метаном), чем необходимый для классических сверхпроводников жидкий гелий под давлением.

К 2020 году наиболее высокотемпературными сверхпроводниками при атмосферном давлении являются купраты — керамики (смешанные оксиды)[2].

В 2018 году в компьютерных моделях была предсказана сверхпроводимость сложных гидридов, представляющих собой «легированный» металлический водород при близких к комнатной температурах и давлениях порядка 200 ГПа[3]. На основе этой теоретической разработки в 2019—2020 годах получена сверхпроводимость в гидридах лантана и иттрия при температурах 245−260 K и давлениях порядка 1 млн атмосфер, например, LaH10±x становится сверхпроводником при охлаждении до 250 K под давлением 188 ГПа[4], у YH₆ сверхпроводящий переход происходит при температуре 227 K и давлении 237 ГПа, у YH9 — при 243 K и 201 ГПа, у ThH10 — при 161 K и 174 ГПа, у ThH9 — 146 K и 170 ГПа, YH[2][5]. Эти значения в среднем на 30 K меньше предсказанных в моделях, что требует дальнейшего изучения и корректировки моделей. В частности, предсказанная сверхпроводимость соединения Li₂MgH₁₆ при давлении 250 ГПа и температуре 473 K может оказаться также слишком оптимистичной[5].

История

Первыми явление высокотемпературной сверхпроводимости в соединении La2-xBaxCuO4 с критической температурой 35 К открыли сотрудники научного подразделения корпорации IBM Карл Мюллер и Георг Беднорц в 1986 году. За это открытие в 1987 году им была присуждена Нобелевская премия. Смешанные керамики такого типа (перовскиты AMO3) в это же время активно изучались в СССР.

В 1987 году был открыт сверхпроводник YBCO (оксид иттрия-бария-меди), с критической температурой 92 К. Это был первый сверхпроводник, критическая температура которого выше температуры кипения жидкого азота (77 К).

На 2015 год рекордное значение критической температуры Tc 203 K было достигнуто в соединении серы и водорода, помещённой под давление 150 ГПа (1,5 млн атмосфер)[6].

В 2018 году рекорд высокотемпературной сверхпроводимости побит сразу дважды:

  • при сжатии супергидрида лантана LaH10 до 170 ГПа (1,7 млн атмосфер) получили Tc = −13 °С (260 К).[7][8]
  • по утверждению индийских учёных, при охлаждении наноструктурированного серебра на золотой подложке им удалось получить Tc= 236 К (-37°С) — при нормальном давлении, однако их статья пока не прошла процесс peer-review и результат нельзя считать окончательно подтверждённым.[9]

В 2020 году в журнале Nature опубликован новый рекорд для гидрида серы. Добавлением углерода группа ученых из университета Рочестера добилась критической температуры более 15 °С (при давлении 267 ГПа).[10].

Другое

Ограниченность практического применения керамических ВТСП обусловлена тем, что магнитное поле, создаваемое протекающим по ВТСП током, при большой величине приводит к разрушению собственной слоистой структуры проводника и, следовательно, необратимой утрате сверхпроводящих свойств. При этом для сверхпроводящих изделий (как ВТСП, так и классических) достаточно такого нарушения в одной единственной точке, так как возникший дефект мгновенно становится участком с большим сопротивлением, на котором выделяется тепло, что вызывает последовательный нагрев соседних участков, то есть лавинообразный выход из сверхпроводящего состояния всего проводника.

Нормальное (и сверхпроводящие) состояния показывают много общих особенностей между различными составами купратов; многие из этих свойств не могут быть объяснены в рамках теории БКШ. Четко сформированной теории сверхпроводимости в оксидных ВТСП в настоящее время не существует; однако, проблема привела ко множеству интересных экспериментальных и теоретических результатов.

Главной целью исследований в области являются ВТСП — материалы, работающие как минимум при температурах, широко распространенных на Земле (порядка −30 °C), как максимум — при комнатной температуре. Их создание привело бы к революции в энергетике и электронике, где значительной проблемой являются потери на сопротивление проводника.

Двойниковая структура и обратимая пластичность высокотемпературных сверхпроводников существенно влияет на их сверхпроводящие характеристики[11].

Интерметаллиды

В 2001 году открыт сплав MgB2 (диборид магния) с рекордной для интерметаллидов температурой перехода в сверхпроводящее состояние Тс= 40 К. Кристаллическая структура этого вещества представляет собой чередующиеся слои бора и слои магния. Слоистость приводит к анизотропии физических свойств, то есть величины электрической проводимости, оптического спектра поглощения, прочности и т. д. различны в плоскости слоёв и в направлении перпендикулярном слоям. Это двухзонное соединение стало первым известным науке сверхпроводником, обладающим сразу двумя сверхпроводящими щелями (двухщелевая сверхпроводимость), что было предсказано теоретически и подтверждено экспериментально. В дырочных квазидвумерных зонах бора (σ-зонах) при переходе в сверхпроводящее состояние в спектре квазичастиц образуется щель Δσ (зона запрещённых энергий для одиночных электронов и дырок) со значениями примерно (10-11) мэВ при максимальных Тс. В трёхмерных зонах магния (π-зонах) также образуется сверхпроводящая щель Δπ с амплитудой примерно (1,5 — 3) мэВ. Таким образом, в сверхпроводящем MgB2 сосуществуют два сверхпроводящих конденсата: изотропный трёхмерный (от π-зон магния) и двумерный дырочный (локализованный в слоях бора).

Внесение примесей других атомов в MgB2, то есть легирование, приводит к понижению критической температуры перехода Тс. Судя по всему, это соединение имеет оптимизированные для сверхпроводимости характеристики от природы и не поддаётся искусственному «улучшению». При понижении Тс от 40 К до 10 К величина малой щели Δπ меняется слабо, а значение большой щели Δσ понижается вместе с критической температурой, экспериментаторы отмечают линейную связь между Тс и Δσ. Характеристическое отношение теории БКШ 2Δσ/kBТс по оценкам ведущих российских экспериментаторов находится в диапазоне 5-7, что говорит о сильном электрон-фононном взаимодействии в слоях бора и приближает MgB2 к купратным ВТСП.

Интерес к практическим применениям диборида магния вызван возможностью использовать данный сверхпроводник при охлаждении жидким водородом вместо дорогостоящего жидкого гелия. Развитие технологий синтеза диборида магния позволило создать первые сверхпроводящие МРТ на основе MgB2 в 2006 году.

Сверхпроводники на основе железа

В 2008 году произошло[12][13] открытие нового класса сверхпроводящих соединений с высокими значениями критической температуры Tc — слоистых соединений на основе железа и элементов V группы (пниктидов) либо Se, так называемых ферропниктидов или селенидов железа. Впервые было обнаружено сверхпроводящее состояние у соединений, содержащих атомы Fe. Кристаллическая структура всех железосодержащих сверхпроводников (уже известно 6 семейств) представляет собой чередующиеся слои, в которых атомы железа окружены тетраэдром из атомов As или Se. На данный момент рекордсменом по значению Tc является соединение GdOFeAs (Gd-1111), допированное фтором, который замещает кислород. Его Tc достигает 55 К.

Все железосодержащие сверхпроводники обладают многозонной структурой и квазидвумерны (проявляют анизотропию свойств в направлении поперёк плоскостей). При переходе в сверхпроводящее состояние в каждой зоне открывается собственная щель в квазичастичном спектре, что приводит к появлению как минимум двух сверхпроводящих конденсатов и многощелевой сверхпроводимости, подобной случаю MgB2 (диборида магния). Характеристическое отношение теории БКШ 2Δбольшая/kBТс по оценкам российских экспериментаторов находится в диапазоне 4,6 — 6.

Органические сверхпроводники

В конце 1960-х — начале 1970-х годов были большие надежды на синтез органических комплексов с переносом заряда (КПЗ) — например, комплексов en:TCNQ-TTF (тетрацианохинодиметан-тетратиафульвален). Однако, несмотря на синтез ряда перспективных соединений, оказалось, что сверхпроводимость в этих комплексах неустойчива даже при небольших плотностях тока[сколько?].

См. также

Примечания
  1. José A. Flores-Livas, Lilia Boeri, Antonio Sanna, Gianni Profeta, Ryotaro Arita. A perspective on conventional high-temperature superconductors at high pressure: Methods and materials (англ.) // Physics Reports. — 2020-04. — Vol. 856. — P. 1–78. — doi:10.1016/j.physrep.2020.02.003.
  2. Коржиманов, А. Итоги 2019 года в физике // Элементы. — 2020. — 12 февраля. — [Видео на YouTube, начиная с 42:10 42:10−59:10].
  3. Bi, Tiange. The Search for Superconductivity in High Pressure Hydrides : [англ.] / Tiange Bi, Niloofar Zarifi, Tyson Terpstra … [et al.] // Reference Module in Chemistry, Molecular Sciences and Chemical Engineering, Elsevier. — 2019. — February. — [Препринт опубликован 1 июня 2018 г.]. — ISBN 9780124095472. — arXiv:1806.00163. — doi:10.1016/B978-0-12-409547-2.11435-0.
  4. Somayazulu, Maddury. Evidence for Superconductivity above 260 K in Lanthanum Superhydride at Megabar Pressures : [англ.] / Maddury Somayazulu, Muhtar Ahart, Ajay K. Mishra … [et al.] // Physical Review Letters. — 2019. — Vol. 122, no. 2 (14 January). — Art. 027001. — doi:10.1103/PhysRevLett.122.027001.
  5. Struzhkin, Viktor. Superconductivity in La and Y hydrides : Remaining questions to experiment and theory featured : [англ.] / Viktor Struzhkin, Bing Li, Cheng Ji … [et al.] // Matter and Radiation at Extremes. — 2020. — Vol. 5, no. 2. — doi:10.1063/1.5128736.
  6. А.П. Дроздов, М.И. Еремец, И.А. Троян, В. Ксенофонтов, С.И. Шилин. Conventional superconductivity at 203 kelvin at high pressures in the sulfur hydride system // Nature. — 2015. — Т. 525. — С. 73—76. — ISSN 1476-4687.
  7. Maddury Somayazulu, Muhtar Ahart, Ajay K. Mishra, Zachary M. Geballe, Maria Baldini. Evidence for superconductivity above 260 K in lanthanum superhydride at megabar pressures // arXiv:1808.07695 [cond-mat]. — 2018-08-23.
  8. Сверхпроводимость при комнатной температуре: реванш советской науки // РИА Новости, 23 апреля 2019
  9. https://arxiv.org.
  10. Elliot Snider, Nathan Dasenbrock-Gammon, Raymond McBride, Mathew Debessai, Hiranya Vindana, Kevin Vencatasamy, Keith V. Lawler, Ashkan Salamat, Ranga P. Dias. Room-temperature superconductivity in a carbonaceous sulfur hydride // Nature. — 2020. — 14 октября (т. 586). — С. 373–377. — doi:10.1038/s41586-020-2801-z.
  11. Бойко, 1991, с. 238, 244.
  12. Найдено новое семейство сверхпроводников, содержащих железо (31.10.08). Дата обращения: 3 ноября 2011. Архивировано 17 февраля 2012 года.
  13. Alaska Subedi, Lijun Zhang, David J. Singh, Mao-Hua Du. Density functional study of FeS, FeSe and FeTe: Electronic structure, magnetism, phonons and superconductivity (англ.). — 2008. — doi:10.1103/PhysRevB.78.134514.

Ссылки

Литература
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.