Ковалентный сверхпроводник - Covalent superconductor

Части ячейки высокого давления после синтеза сверхпроводящего алмаза, сильно легированного бором. Алмаз (черный шар) находится между двумя графитовыми нагревателями.

Ковалентные сверхпроводники - это сверхпроводящие материалы, в которых атомы связаны ковалентными связями . Первым таким материалом стал синтетический алмаз, легированный бором, выращенный методом высокого давления и высокой температуры (HPHT). Открытие не имело практического значения, но удивило большинство ученых, поскольку сверхпроводимость не наблюдалась в ковалентных полупроводниках, включая алмаз и кремний.

История

Магнитная восприимчивость к переменному току, измеренная как функция температуры в алмазах, обогащенных изотопами 12 C, 13 C, 10 B или 11 B. Наблюдение и величина сдвига 12 C- 13 C подтверждают BCS-механизм сверхпроводимости в объемном поликристаллическом алмазе, легированном бором.

Приоритет многих открытий в науке сильно оспаривается (см., Например, споры о Нобелевской премии ). Другой пример: после того, как Сумио Иидзима «открыл» углеродные нанотрубки в 1991 году, многие ученые отметили, что углеродные нановолокна действительно наблюдались десятилетиями раньше . То же можно сказать и о сверхпроводимости в ковалентных полупроводниках. Сверхпроводимость в германии и кремнии-германии была предсказана теоретически еще в 1960-х годах. Вскоре после этого в теллуриде германия была экспериментально обнаружена сверхпроводимость . В 1976 г. сверхпроводимость с Tc = 3,5 К была экспериментально обнаружена в германии, имплантированном ионами меди; было экспериментально продемонстрировано, что аморфизация важна для сверхпроводимости (в Ge), и сверхпроводимость приписывалась самому Ge, а не меди.

Алмаз

Сверхпроводимость в алмазе была достигнута за счет сильного легирования бором p-типа , так что отдельные легирующие атомы начали взаимодействовать и образовали «примесную полосу». Сверхпроводимость была II типа с критической температурой Tc = 4 K и критическим магнитным полем Hc = 4 T. Позже Tc ~ 11 K была достигнута в гомоэпитаксиальных CVD- пленках.

Что касается происхождения сверхпроводимости в алмазе, были предложены три альтернативные теории: обычная теория БКШ, основанная на фононно-опосредованном спаривании, теория коррелированных примесных зон и спаривание дырок, слабо локализованных в окрестности уровня Ферми, с переворотом спина. Эксперименты с алмазами, обогащенными изотопами 12 C, 13 C, 10 B или 11 B, выявили явный сдвиг Tc, и его величина подтверждает механизм сверхпроводимости BCS в массивном поликристаллическом алмазе.

Углеродные нанотрубки

Хотя были сообщения о собственной сверхпроводимости в углеродных нанотрубках , многие другие эксперименты не нашли доказательств сверхпроводимости, и достоверность этих результатов остается предметом споров. Однако обратите внимание на принципиальное различие между нанотрубками и алмазом: хотя нанотрубки содержат ковалентно связанные атомы углерода, они ближе по свойствам к графиту, чем алмаз, и могут быть металлическими без легирования. Между тем нелегированный алмаз - изолятор.

Интеркалированный графит

Основная статья: Соединение интеркаляции графита
Структура CaC 6

Когда атомы металла вставляются (интеркалируются) между графитовыми плоскостями, создается несколько сверхпроводников со следующими температурами перехода:

Материал CaC 6 Li 3 Ca 2 C 6 YbC 6 SrC 6 KC 8 RbC 8 NaC 3 KC 3 LiC 3 NaC 2 LiC 2
Tc (К) 11,5 11.15 6.5 1,65 0,14 0,025 2,3–3,8 3.0 <0,35 5.0 1.9

Кремний

Было высказано предположение, что «Si и Ge, которые также образуются в структуре алмаза, могут аналогичным образом проявлять сверхпроводимость при соответствующих условиях», и действительно, вскоре последовали открытия сверхпроводимости в сильно легированном бором Si (Si: B) и SiC: B. . Подобно алмазу, Si: B является сверхпроводником второго типа , но он имеет гораздо меньшие значения Tc = 0,4 K и Hc = 0,4 T. Сверхпроводимость в Si: B была достигнута за счет сильного легирования (более 8 ат.%), Реализованного за счет особый неравновесный метод легирования иммерсионным лазером .

Карбид кремния

Сверхпроводимость в SiC была достигнута за счет сильного легирования бором или алюминием. Как кубическая (3C-SiC), так и гексагональная (6H-SiC) фазы являются сверхпроводящими и показывают очень близкую Tc, равную 1,5 К. Однако наблюдается принципиальная разница в поведении магнитного поля между легированием алюминием и бором: SiC: Al является типом -II , так же, как Si: B. Напротив, SiC: B является тип-I . В попытке объяснить эту разницу было отмечено, что узлы Si более важны, чем узлы углерода для сверхпроводимости в SiC. В то время как бор замещает углерод в SiC, Al замещает позиции Si. Следовательно, Al и B «видят» разное окружение, которое может объяснить разные свойства SiC: Al и SiC: B.

Сульфид водорода

При давлении выше 90 ГПа ( гигапаскаль ) сероводород становится металлическим проводником электричества. При охлаждении ниже критической температуры его фаза высокого давления проявляет сверхпроводимость . Критическая температура увеличивается с увеличением давления от 23 К при 100 ГПа до 150 К при 200 ГПа. Если сероводород сжимают при более высоких температурах, а затем охлаждают, критическая температура достигает 203 К (-70 ° C), наивысшей принятой сверхпроводящей критической температуры по состоянию на 2015 год. Заменяя небольшую часть серы фосфором и используя еще более высокие давления, было предсказано, что можно будет поднять критическую температуру выше 0 ° C (273 K) и достичь сверхпроводимости при комнатной температуре .

Смотрите также

Рекомендации

внешние ссылки