Высокотемпературная сверхпроводимость

Высокотемпературная сверхпроводимость (ВТСП, Высокотемпературные сверхпроводники или Высокие-T_c) — 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).

Описание

Критические температуры сверхпроводящего перехода для обычных веществ и их гидридов при атмосферном и высоком давлениях

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).

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. 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, LaH_10±x становится сверхпроводником при охлаждении до 250 K под давлением 188 ГПа, 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. 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.

История

Первыми явление высокотемпературной сверхпроводимости в соединении La_2-xBa_xCuO₄ 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 T_c 203 K было достигнуто в соединении серы и водорода, помещённой под давление 150 ГПа (1,5 млн атмосфер).

В 2018 году рекорд высокотемпературной сверхпроводимости побит сразу дважды:

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

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.

Интерметаллиды

В 2001 году открыт сплав MgB₂ (диборид магния) с рекордной для интерметаллидов температурой перехода в сверхпроводящее состояние Т_с= 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 Δ_σ (зона запрещённых энергий для одиночных электронов и дырок) со значениями примерно (10-11) мэВ при максимальных Т_с. В трёхмерных зонах магния (π-зонах) также образуется сверхпроводящая щель Δ_π 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 Т_с. Судя по всему, это соединение имеет оптимизированные для сверхпроводимости характеристики от природы и не поддаётся искусственному «улучшению». При понижении Т_с от 40 К до 10 К величина малой щели Δ_π меняется слабо, а значение большой щели Δ_σ понижается вместе с критической температурой, экспериментаторы отмечают линейную связь между Т_с и Δ_σ. Характеристическое отношение теории БКШ 2Δ_σ/k_BТ_с 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 открытие нового класса сверхпроводящих соединений с высокими значениями критической температуры T_c — 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 T_c является соединение GdOFeAs (Gd-1111), допированное фтором, который замещает кислород. Его T_c 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 2Δ_{большая}/k_BТ_с 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

• BSCCO
• ReBCO
• TBCCO
• Оксид иттрия-бария-меди
• Оксид лантана-бария-меди
• Купратные сверхпроводники

Ссылки

• Открытие высокотемпературной сверхпроводимости
• Изотопический эффект в ВТСП-соединениях

Литература

• Максимов Е. Г. Проблема высокотемпературной сверхпроводимости. Современное состояние // Успехи физических наук, 2000, т. 170, № 10, c. 1033—1061.
• Садовский М. В. Псевдощель в высокотемпературных сверхпроводниках // Успехи физических наук, 2001, т. 171, № 5, c. 539—564.
• Аксенов В. Л. Нейтронография купратных высокотемпературных сверхпроводников // Успехи физических наук, 2002, т. 172, № 6, c. 701—705.
• Пономарев Я. Г. Туннельная и андреевская спектроскопия высокотемпературных сверхпроводников // Успехи физических наук, 2002, т. 172, № 6, c. 705—711.
• Копаев Ю. В. Модели высокотемпературной сверхпроводимости // Успехи физических наук, 2002, т. 172, № 6, c. 712—715.
• Черноплеков Н. А. Состояние работ по сильноточной прикладной сверхпроводимости // Успехи физических наук, 2002, т. 172, № 6, c. 716—722.
• Белявский В. И., Копаев Ю. В. Обобщающий взгляд на природу высокотемпературной сверхпроводимости (по материалам M2S-HTSC-VII) // Успехи физических наук, 2004, т. 174, № 4, c. 457—465.
• Мицен К. В., Иваненко О. М. Фазовая диаграмма [math]\displaystyle{ La_{2-x}M_{x}CuO_{4} }[/math] как ключ к пониманию природы ВТСП // Успехи физических наук, 2004, т. 174, № 5, c. 545—563.
• Елесин В. Ф., Капаев В. В., Копаев Ю. В. Существование ферромагнетизма и неоднородной сверхпроводимости // Успехи физических наук, 2004, т. 174, № 9, c. 1017—1022.
• Максимов Е. Г. Высокотемпературная сверхпроводимость сегодня // Успехи физических наук, 2004, т. 174, № 9, c. 1026—1027.
• Гинзбург В. Л. Несколько замечаний об изучении сверхпроводимости // Успехи физических наук, 2005, т. 175, № 2, c. 187—190.
• В. Л. Гинзбург, Д. А. Киржниц Высокотемпературная сверхпроводимость (обзор теоретических представлений) // Успехи физических наук, т. 152, с. 575—582 (1987).
• Белявский В. И., Копаев Ю. В. Первая Международная конференция «Фундаментальные проблемы высокотемпературной сверхпроводимости» // Успехи физических наук, 2005, т. 175, № 2, c. 191—196.
• Еремец М. И., Дроздов А. П. Высокотемпературные обычные сверхпроводники // Успехи физических наук, 2016, т. 186, № 10, c. 1257—1263.
• Воронов В. К., Подоплелов А. В. Физика на переломе тысячелетий: конденсированное состояние, 2-е изд., М.: ЛКИ, 2012, 336 стр., ISBN 978-5-382-01365-7
• Кордюк А. А. «ARPES-эксперимент в фермиологии квазидвумерных металлов» // Физика Низких Температур, 2014, т. 40, № 4, c. 375—388.
• Бойко В. С., Гарбер Р. И., Косевич А. М. Обратимая пластичность кристаллов. — М. : Наука, 1991. — 280 с.
• Слейт А. У., Мессмер Р. П., Мэрфи Р. Б. и др. Высокотемпературные сверхпроводники. — М. : Мир, 1988. — 400 с. — ISBN 5-03-001248-6.
• Габович А. Открытие высокотемпературной сверхпроводимости : журнал // Наука и жизнь. — 1982. — № 5. — С. 16-19.