Высокотемпературная сверхпроводимость

Высокотемперату́рная сверхпроводи́мость (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 править

 
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 дешёвыми и удобными охладителями (жидкими: водородом, азотом, метаном), чем необходимый для классических сверхпроводников жидкий гелий под давлением.[источник не указан 1404 дня]

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

Главной целью исследований являются ВТСП-материалы, работающие как минимум при температурах, широко распространённых 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.

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

Свойства править

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.

Двойниковая структура и обратимая пластичность высокотемпературных сверхпроводников существенно влияет на их сверхпроводящие характеристики[3].

История править

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)[4].

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).[5][6]
  • 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.[7]

Также, 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[8]. На основе этой теоретической разработки в 2019—2020 гг. 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[9], 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][10]. 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[10].

В 2020-х перспективными считаются ВТСП на основе палладатов (соединения палладия), которые занимают промежуточное положение мажду купратами и никелатами и у которых, как считается, идеальная электронная конфигурация для высокотемпературной сверхпроводимости[11].

В 2023 году корейские учёные сообщили, что им удалось создать сверхпроводник, работающий при температуре 400 K (127 °C) и стандартном атмосферном давлении. Сверхпроводник имеет модифицированную структуру на основе свинцово-апатитового материала и получил обозначение LK-99[12].

Интерметаллиды править

В 2001 году был 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 править

В 2008 году произошло открытие нового класса сверхпроводящих соединений с высокими значениями критической температуры Tc — слоистых соединений на основе железа (Fe) и элементов V группы (пниктидов) либо Se, так называемых ферропниктидов или селенидов железа[13][14]. 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 править

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 править

Примечания править

  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. Архивировано 3 мая 2020 года.
  2. 1 2 Коржиманов, А. Итоги 2019 года в физике : [арх. 12 мая 2020] // Элементы. — 2020. — 12 февраля. — [Видео на YouTube, начиная с 42:10 42:10−59:10].
  3. Бойко, 1991, с. 238, 244.
  4. 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. Архивировано 23 октября 2021 года.
  5. 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. Архивировано 18 сентября 2018 года.
  6. Сверхпроводимость при комнатной температуре: реванш советской науки Архивная копия от 27 апреля 2019 на Wayback Machine // РИА Новости, 23 апреля 2019
  7. https://arxiv.org. Дата обращения: 16 ноября 2018. Архивировано 16 ноября 2018 года.
  8. 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.
  9. 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.
  10. 1 2 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.
  11. Зависит от России. Ученые назвали металл будущего Архивная копия от 6 июня 2023 на Wayback Machine // 6.06.2023
  12. arХiv: найден сверхпроводник, работающий при + 127 градусов по Цельсию. planet-today.ru. Дата обращения: 26 июля 2023. Архивировано 26 июля 2023 года.
  13. Найдено новое семейство сверхпроводников, содержащих железо (31.10.08). Дата обращения: 3 ноября 2011. Архивировано 17 февраля 2012 года.
  14. 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. Архивировано 27 февраля 2017 года.

Ссылки править

Литература править