Supraconductivitate la temperaturi ridicate

Supraconductivitatea la temperatură înaltă (HTSC, High-temperature superconductors sau High-T c ) este supraconductivitatea la temperaturi relativ ridicate. Din punct de vedere istoric, valoarea limită este o temperatură de 30 K, cu toate acestea, un număr de autori prin HTSC înseamnă supraconductori cu o temperatură critică peste punctul de fierbere al azotului (77 K sau -196 °C).

Descriere

Fenomenul de supraconductivitate constă în pierderea completă a rezistenței electrice de către un material atunci când este răcit sub temperatura critică caracteristică acestui material. Semnificația specială a supraconductivității la temperatură înaltă constă în posibilitatea utilizării practice fără răcire puternică sau cu lichide de răcire mai ieftine și mai convenabile (hidrogen lichid, azot, metan) decât heliul lichid presurizat necesar supraconductorilor clasici.

Până în 2020, cei mai mari supraconductori de temperatură înaltă la presiunea atmosferică sunt cuprații  - ceramica (oxizi amestecați) [2] .

În 2018, modelele computerizate au prezis supraconductivitatea hidrurilor complexe , care sunt hidrogen metalic „dopat” la temperaturi apropiate de temperatura camerei și presiuni de ordinul a 200 GPa [3] . Pe baza acestei dezvoltări teoretice, în 2019–2020, supraconductivitate a fost obținută în hidruri de lantan și ytriu la temperaturi de 245–260 K și presiuni de ordinul a 1 milion de atmosfere, de exemplu, LaH 10±x devine supraconductor când este răcit la 250. K la o presiune de 188 GPa [4] , pentru YH₆ tranziția supraconductoare are loc la o temperatură de 227 K și o presiune de 237 GPa, pentru YH 9  - la 243 K și 201 GPa, pentru ThH 10  - la 161 K și 174 GPa, pentru ThH 9  - 146 K și 170 GPa, YH [2 ] [5] . Aceste valori sunt, în medie, cu 30 K mai mici decât cele prezise în modele, ceea ce necesită un studiu suplimentar și o corecție a modelelor. În special, supraconductivitatea prezisă a compusului Li₂MgH₁₆ la o presiune de 250 GPa și o temperatură de 473 K se poate dovedi, de asemenea, prea optimistă [5] .

Istorie

Primul fenomen de supraconductivitate la temperatură înaltă în compusul La 2-x Ba x CuO 4 cu o temperatură critică de 35 K a fost descoperit de Karl Müller și Georg Bednorz , angajați ai diviziei științifice a IBM Corporation, în 1986. Pentru această descoperire, ei au primit Premiul Nobel în 1987 . Ceramica mixtă de acest tip (perovskiți AMO3) a fost studiată activ în URSS în același timp .

În 1987, a fost descoperit supraconductorul YBCO (itriu-bariu-oxid de cupru), cu o temperatură critică de 92 K. A fost primul supraconductor a cărui temperatură critică a fost mai mare decât punctul de fierbere al azotului lichid (77 K).

În 2015, valoarea record a temperaturii critice T c 203 K a fost atinsă într-un compus de sulf și hidrogen, plasat sub o presiune de 150 GPa (1,5 milioane de atmosfere) [6] .

În 2018, recordul de supraconductivitate la temperatură înaltă a fost doborât de două ori simultan:

Altele

Aplicarea practică limitată a HTSC-urilor ceramice se datorează faptului că câmpul magnetic creat de curentul care trece prin HTSC, la o valoare mare, duce la distrugerea structurii stratificate intrinseci a conductorului și, în consecință, la pierderea ireversibilă. a proprietăților supraconductoare. În același timp, pentru produsele supraconductoare (atât HTSC, cât și cele clasice), o astfel de încălcare într-un singur punct este suficientă, deoarece defectul rezultat devine instantaneu o regiune cu rezistență ridicată, pe care se eliberează căldură, ceea ce provoacă încălzirea secvențială a vecinilor. regiuni, adică o ieșire ca avalanșă din starea supraconductoare a întregului conductor.

Stările normale (și supraconductoare) prezintă multe caracteristici comune între diferitele compoziții de cuprat; multe dintre aceste proprietăți nu pot fi explicate în cadrul teoriei BCS . O teorie bine formată a supraconductivității în HTSC-uri de oxid nu există în prezent; cu toate acestea, problema a condus la o serie de rezultate experimentale și teoretice interesante.

Scopul principal al cercetării în domeniu îl reprezintă supraconductorii de înaltă temperatură - materiale care funcționează cel puțin la temperaturi care sunt larg răspândite pe Pământ (aproximativ -30 ° C), și cel mult la temperatura camerei. Crearea lor ar duce la o revoluție în energie și electronică, unde pierderile datorate rezistenței conductorilor reprezintă o problemă semnificativă.

Structura dublă și plasticitatea reversibilă a supraconductorilor de înaltă temperatură afectează semnificativ caracteristicile supraconductoare ale acestora [10] .

Intermetalice

În 2001, a fost descoperit un aliaj Mg B 2 ( diborură de magneziu ) cu o temperatură record pentru trecerea la starea supraconductoare pentru compușii intermetalici T c = 40 K. Structura cristalină a acestei substanțe este un strat alternant de bor și straturi de magneziu . Stratificarea conduce la anizotropia proprietăților fizice, adică valorile conductivității electrice, spectrul de absorbție optică, rezistența etc. sunt diferite în planul straturilor și în direcția perpendiculară pe straturi. Acest compus cu două zone a devenit primul supraconductor cunoscut de știință care are două goluri supraconductoare simultan (superconductivitate cu două decalaje), ceea ce a fost prezis teoretic și confirmat experimental. În zonele cvasi-bidimensionale ale borului (zonele σ), la trecerea la starea supraconductoare, se formează un decalaj Δ σ în spectrul cvasiparticulelor (o bandă de energii interzise pentru electroni unici și găuri) cu valori de aproximativ (10-11) meV la Tc maxim . În zonele tridimensionale ale magneziului (zonele π), se formează și un gol supraconductor Δ π cu o amplitudine de aproximativ (1,5 - 3) meV. Astfel, în Mg B 2 supraconductor coexistă două condensate supraconductoare : unul izotrop tridimensional (din benzile π de magneziu) și unul bidimensional (localizat în straturi de bor).

Introducerea impurităților altor atomi în Mg B 2 , adică dopajul , duce la scăderea temperaturii critice de tranziție T cu . Aparent, acest compus are caracteristici optimizate pentru supraconductivitate prin natură și nu este susceptibil de „îmbunătățire” artificială. Când T c este scăzut de la 40 K la 10 K, valoarea decalajului mic Δ π se modifică ușor, iar valoarea decalajului mare Δ σ scade odată cu temperatura critică, experimentatorii notează o relație liniară între T c și Δ σ . Raportul caracteristic al teoriei BCS 2Δ σ /k B T s , conform estimărilor celor mai importanți experimentatori ruși, este în intervalul 5-7, ceea ce indică o interacțiune puternică electron-fonon în straturile de bor și aduce Mg B 2 mai aproape . să cuprate HTSC.

Interesul pentru aplicațiile practice ale diborurii de magneziu se datorează posibilității de a utiliza acest supraconductor atunci când este răcit cu hidrogen lichid în loc de heliu lichid scump . Dezvoltarea tehnologiilor pentru sinteza diborurii de magneziu a făcut posibilă crearea primului RMN supraconductor bazat pe Mg B 2 în 2006.

Supraconductori pe bază de fier

În 2008, a fost descoperită o nouă clasă de compuși supraconductori cu temperaturi critice ridicate T c [11] [12]  — compuși stratificati pe bază de fier și elemente din Grupa V ( pnictide ) sau Se , așa-numitele feropnictide sau selenide de fier . Starea supraconductoare a fost descoperită pentru prima dată în compușii care conțin atomi de Fe . Structura cristalină a tuturor supraconductorilor care conțin fier (6 familii sunt deja cunoscute) constă din straturi alternative în care atomii de fier sunt înconjurați de un tetraedru de atomi de As sau Se . În prezent, deținătorul recordului pentru valoarea T c este compusul GdOFeAs (Gd-1111), dopat cu fluor, care înlocuiește oxigenul. Tc-ul său atinge 55 K.

Toți supraconductorii care conțin fier au o structură multizonală și sunt cvasi-bidimensionali (aceștia prezintă anizotropie a proprietăților în direcția peste planuri). La trecerea la starea supraconductoare, fiecare bandă își deschide propriul gol în spectrul cvasiparticulelor, ceea ce duce la apariția a cel puțin două condensate supraconductoare și supraconductivitate multigap, similar cu cazul Mg B 2 ( diborură de magneziu ). Raportul caracteristic al teoriei BCS 2Δ mare /k B T s , conform experimentatorilor ruși, este în intervalul 4,6 - 6.

Supraconductori organici

La sfârșitul anilor 1960 și începutul anilor 1970, existau mari speranțe pentru sinteza complexelor organice de transfer de sarcină (CTC), cum ar fi complexele en :TCNQ -TTF ( tetracyanoquinodimethane - tetrathiafulvalene ). Cu toate acestea, în ciuda sintezei unui număr de compuși promițători, s-a dovedit că supraconductivitatea acestor complexe este instabilă chiar și la densități scăzute de curent .[ cât? ] .

Vezi și

Note

  1. ↑ José A. Flores-Livas, Lilia Boeri, Antonio Sanna, Gianni Profeta, Ryotaro Arita. O perspectivă asupra supraconductorilor convenționali de înaltă temperatură la presiune înaltă: Metode și materiale  //  Rapoarte de fizică. — 2020-04. — Vol. 856 . — P. 1–78 . - doi : 10.1016/j.physrep.2020.02.003 . Arhivat 3 mai 2020.
  2. ↑ 1 2 Korzhimanov, A. Rezultatele anului 2019 în fizică // Elemente. - 2020. - 12 februarie. — [ Videoclip pe YouTube începând cu 42:10 42:10-59:10].
  3. ↑ Bi, Tiange. Căutarea supraconductivității în hidruri de înaltă presiune ]  / Tiange Bi, Niloofar Zarifi, Tyson Terpstra … [ și colab. ] // Modul de referință în chimie, științe moleculare și inginerie chimică, Elsevier. - 2019. - Feb. — [Preprint publicat la 1 iunie 2018]. — ISBN 9780124095472 . - arXiv : 1806.00163 . - doi : 10.1016/B978-0-12-409547-2.11435-0 .
  4. ↑ Somayazulu, Maddury. Dovezi pentru supraconductivitate peste 260 K în superhidrură de lantan la presiuni megabar: [ ing. ]  / Maddury Somayazulu, Muhtar Ahart, Ajay K. Mishra … [ și colab. ] // Scrisori de revizuire fizică. - 2019. - Vol. 122, nr. 2 (14 ianuarie). — art. 027001. - doi : 10.1103/PhysRevLett.122.027001 .
  5. ↑ 1 2 Struzhkin, Viktor. Supraconductivitate în hidruri La și Y: Întrebări rămase de experimentat și teorie prezentate: [ ing. ]  / Viktor Struzhkin, Bing Li, Cheng Ji … [ și colab. ] // Materia și radiația la extreme. - 2020. - Vol. 5, nr. 2. - doi : 10.1063/1.5128736 .
  6. ↑ A.P. Drozdov, M.I. Eremets, I.A. Troian, V. Ksenofontov, S.I. Shilin. Supraconductivitate convențională la 203 kelvin la presiuni ridicate în sistemul de hidrură de sulf  // Natură. - 2015. - T. 525 . - S. 73-76 . — ISSN 1476-4687 . Arhivat din original pe 23 octombrie 2021.
  7. ↑ Maddury Somayazulu, Muhtar Ahart, Ajay K. Mishra, Zachary M. Geballe, Maria Baldini. Dovezi pentru supraconductivitate peste 260 K în superhidrură de lantan la presiuni megabar  // arXiv:1808.07695 [cond-mat]. — 23.08.2018. Arhivat din original pe 18 septembrie 2018.
  8. ↑ Superconductivity la temperatura camerei: răzbunarea științei sovietice Copie de arhivă din 27 aprilie 2019 la Wayback Machine // RIA Novosti , 23 aprilie 2019
  9. ↑ https://arxiv.org . Consultat la 16 noiembrie 2018. Arhivat din original la 16 noiembrie 2018.
  10. ↑ Boyko, 1991 , p. 238, 244.
  11. ↑ S-a găsit o nouă familie de supraconductori care conțin fier (31.10.08). Consultat la 3 noiembrie 2011. Arhivat din original pe 17 februarie 2012.
  12. ↑ Alaska Subedi, Lijun Zhang, David J. Singh, Mao-Hua Du. Studiu funcțional al densității FeS, FeSe și FeTe: Structura electronică, magnetism, fononi și  supraconductivitate . - 2008. - doi : 10.1103/PhysRevB.78.134514 .

Link -uri

Literatură