Купратный сверхпроводник - Cuprate superconductor

Купратные сверхпроводники - это семейство высокотемпературных сверхпроводящих материалов, состоящих из слоев оксидов меди (CuO 2 ), чередующихся со слоями оксидов других металлов, которые действуют как резервуары заряда. При атмосферном давлении купратные сверхпроводники являются известными сверхпроводниками с самой высокой температурой. Однако механизм возникновения сверхпроводимости до сих пор не изучен .

История

Хронология сверхпроводников. Купраты отображаются в виде синих ромбов, диборид магния и другие сверхпроводники BCS отображаются в виде зеленых кружков, а сверхпроводники на основе железа - в виде желтых квадратов. Купраты в настоящее время являются сверхпроводниками с самыми высокими температурами, которые подходят для проводов и магнитов.

Первый купратный сверхпроводник был обнаружен в 1986 году исследователями IBM Беднорцем и Мюллером в нестехиометрическом оксиде купрата лантана, бария, меди . Критическая температура для этого материала составляла 35 К, что намного выше предыдущего рекорда 23 К. Это открытие привело к резкому увеличению исследований купратов, в результате чего в период с 1986 по 2001 год были опубликованы тысячи публикаций. Беднорц и Мюллер были удостоены Нобелевской премии в Физика в 1987 году, всего через год после их открытия.

С 1986 года было идентифицировано много купратных сверхпроводников, и их можно разделить на три группы на фазовой диаграмме: критическая температура в зависимости от содержания кислородных дырок и дырок в меди:

Состав

Элементарная ячейка высокотемпературного купратного сверхпроводника BSCCO-2212

Купраты представляют собой слоистые материалы, состоящие из сверхпроводящих плоскостей оксида меди , разделенных слоями, содержащими ионы, такие как лантан , барий , стронций , которые действуют как резервуар заряда, допуская электроны или дырки в плоскости оксида меди. Таким образом, структура описывается как сверхрешетка из сверхпроводящих слоев CuO 2, разделенных разделительными слоями, в результате чего получается структура, часто тесно связанная со структурой перовскита . Сверхпроводимость имеет место внутри листов оксида меди (CuO 2 ) со слабой связью между соседними плоскостями CuO 2 , что делает свойства близкими к свойствам двумерного материала. Электрические токи протекают внутри листов CuO 2 , что приводит к большой анизотропии нормальных проводящих и сверхпроводящих свойств с гораздо более высокой проводимостью, параллельной плоскости CuO 2, чем в перпендикулярном направлении.

Критические сверхпроводящие температуры зависят от химического состава, замещения катионов и содержания кислорода. Химические формулы сверхпроводящих материалов обычно содержат дробные числа для описания легирования, необходимого для сверхпроводимости. Существует несколько семейств купратных сверхпроводников, которые можно разделить на категории по содержащимся в них элементам и количеству соседних слоев оксида меди в каждом сверхпроводящем блоке. Например, YBCO и BSCCO могут альтернативно называться Y123 и Bi2201 / Bi2212 / Bi2223 в зависимости от количества слоев в каждом сверхпроводящем блоке ( n ). Было обнаружено, что температура сверхпроводящего перехода достигает пика при оптимальном значении легирования ( p = 0,16) и оптимальном количестве слоев в каждом сверхпроводящем блоке, обычно n = 3.

Нелегированные «родительские» или «материнские» соединения представляют собой изоляторы Мотта с дальним антиферромагнитным порядком при достаточно низких температурах. Одиночные ленточные модели , как правило , считается достаточно для описания электронных свойств.

Купратные сверхпроводники обычно содержат оксиды меди в степени окисления 3+ и 2+. Например, YBa 2 Cu 3 O 7 описывается как Y 3+ (Ba 2+ ) 2 (Cu 3+ ) (Cu 2+ ) 2 (O 2- ) 7 . Ионы меди 2+ и 3+ имеют тенденцию располагаться в шахматном порядке - явление, известное как упорядочение зарядов . Все сверхпроводящие купраты представляют собой слоистые материалы, имеющие сложную структуру, описываемую как сверхрешетка из сверхпроводящих слоев CuO 2, разделенных промежуточными слоями, где деформация несоответствия между различными слоями и легирующими добавками в спейсерах вызывает сложную неоднородность, которая в сценарии сверхполосок является характерной для высоких температур. температурная сверхпроводимость.

Сверхпроводящий механизм

Сверхпроводимость в купратах считается нетрадиционной и не объясняется теорией БКШ . Возможные механизмы спаривания купратной сверхпроводимости продолжают оставаться предметом значительных дискуссий и дальнейших исследований. Сходство между низкотемпературным антиферромагнитным состоянием в нелегированных материалах и низкотемпературным сверхпроводящим состоянием, которое возникает при допировании, в первую очередь орбитальным состоянием d x 2 -y 2 ионов Cu 2+ , позволяет предположить, что в купратах электрон-электронные взаимодействия более выражены. значительнее, чем обычные электрон-фононные взаимодействия. Недавние исследования поверхности Ферми показали, что нестинг возникает в четырех точках антиферромагнитной зоны Бриллюэна, где существуют спиновые волны, и что сверхпроводящая энергетическая щель больше в этих точках. Слабые изотопические эффекты, наблюдаемые для большинства купратов, контрастируют с обычными сверхпроводниками, которые хорошо описываются теорией БКШ.

Приложения

Сверхпроводники BSCCO уже нашли широкое применение. Например, десятки километров BSCCO-2223 при 77 K сверхпроводящих проводов используются в токоподводах Большого адронного коллайдера в ЦЕРНе . (но в основных катушках возбуждения используются металлические более низкотемпературные сверхпроводники, в основном на основе ниобия – олова ).

Смотрите также

Библиография

использованная литература