Купратный сверхпроводник

Купратные сверхпроводники представляют собой 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 самыми высокотемпературными из известных сверхпроводников. Однако механизм возникновения сверхпроводимости до сих пор не понятен .

История

Первый купратный сверхпроводник был обнаружен в 1986 году в нестехиометрическом купрате лантана, оксида бария, меди исследователями IBM Георгом Беднорцем и Карлом Алексом Мюллером . Критическая температура для этого материала составила 35 К, что значительно выше предыдущего рекорда в 23 К. ^[1] Это открытие привело к резкому увеличению количества исследований купратов, что привело к появлению тысяч публикаций в период с 1986 по 2001 год. ^[2] Беднорц и Мюллер были удостоены Нобелевской премии по физике в 1987 году, всего через год после своего открытия. ^[3]

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

оксид лантана, бария, меди (LB–CO), T _C = −240 °С (35 К).
оксид иттрия, бария, меди (YB–CO), Т _с = −215 °С (93 К). ^[4]
оксид висмута, стронция, кальция, меди (BiSC–CO), T _C = −180 °C (95 К).
оксид таллия, бария, кальция, меди (TBC–CO), T _C = −150 °C (125 К). ^[5]
оксид ртути, бария, кальция, меди (HGBC – CO) 1993, с T _C = -140 ° C (133 K), что в настоящее время является самой высокой критической температурой купрата. ^[6]^[7]

Структура

Элементарная ячейка высокотемпературного купратного сверхпроводника BSCCO-2212

Купраты — это слоистые материалы, состоящие из сверхпроводящих плоскостей оксида меди , разделенных слоями, содержащими ионы, такие как лантан , барий , стронций , которые действуют как резервуар заряда, легируя электроны или дырки в плоскости оксида меди. Таким образом, структура описывается как сверхрешетка сверхпроводящих слоев CuO ₂ , разделенных промежуточными слоями, в результате чего получается структура, часто тесно связанная со структурой перовскита . Сверхпроводимость возникает внутри листов оксида меди (CuO ₂ ), при этом между соседними плоскостями CuO ₂ существует лишь слабая связь , что делает свойства близкими к свойствам двумерного материала. Электрические токи текут внутри листов CuO ₂ , что приводит к большой анизотропии нормальных проводящих и сверхпроводящих свойств с гораздо более высокой проводимостью параллельно плоскости CuO ₂ , чем в перпендикулярном направлении.

Критические сверхпроводящие температуры зависят от химического состава, катионного замещения и содержания кислорода. Химические формулы сверхпроводящих материалов обычно содержат дробные числа, описывающие легирование, необходимое для сверхпроводимости. Существует несколько семейств купратных сверхпроводников, которые можно классифицировать по содержащимся в них элементам и количеству соседних слоев оксида меди в каждом сверхпроводящем блоке. Например, YBCO и BSCCO альтернативно могут обозначаться как Y123 и Bi2201/Bi2212/Bi2223 в зависимости от количества слоев в каждом сверхпроводящем блоке ( n ). Было обнаружено, что температура сверхпроводящего перехода достигает максимума 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. . свойств Обычно считается, что однозонных моделей достаточно для описания электронных

Купратные сверхпроводники обычно содержат оксиды меди в обеих степенях окисления 3+ и 2+. Например, YBa ₂ Cu ₃ O ₇ описывается как Y ³⁺(Нет ²⁺) ₂ (С ³⁺)(С ²⁺) ₂ (О ²⁻) ₇ . Ионы меди 2+ и 3+ имеют тенденцию располагаться в шахматном порядке — явление, известное как упорядочение зарядов . ^[8] Все сверхпроводящие купраты представляют собой слоистые материалы, имеющие сложную структуру, описываемую как сверхрешетка сверхпроводящих слоев CuO _{2 ,} разделенных разделительными слоями, где деформация несоответствия между различными слоями и легирующими примесями в разделителях вызывает сложную неоднородность, которая в сценарии сверхполосок характерна для высокопроводящих купратов. температурная сверхпроводимость.

Сверхпроводящий механизм

Сверхпроводимость в купратах считается нетрадиционной и не объясняется теорией БКШ . Возможные механизмы спаривания купратной сверхпроводимости продолжают оставаться предметом серьезных дискуссий и дальнейших исследований. Сходства между низкотемпературным антиферромагнитным состоянием в нелегированных материалах и низкотемпературным сверхпроводящим состоянием, возникающим при легировании, прежде всего d _{x ²-и ²} орбитальное состояние Cu ²⁺ ионов, позволяют предположить, что электрон-фононное взаимодействие менее значимо в купратах. Недавние работы на поверхности Ферми показали, что нестингинг происходит в четырех точках антиферромагнитной зоны Бриллюэна , где существуют спиновые волны, и что в этих точках сверхпроводящая энергетическая щель больше. Эффекты слабых изотопов , наблюдаемые для большинства купратов, контрастируют с обычными сверхпроводниками, которые хорошо описываются теорией БКШ.

В 1987 году Филип Андерсон предположил, что сверхобмен может действовать как механизм спаривания высокотемпературных сверхпроводников. В 2016 году китайские физики обнаружили корреляцию между критической температурой купрата и размером щели переноса заряда в этом купрате, что поддержало гипотезу суперобмена. Исследование 2022 года показало, что изменяющаяся плотность реальных куперовских пар в сверхпроводнике из оксида висмута, стронция, кальция и меди соответствует численным предсказаниям, основанным на сверхобмене. ^[9] Но пока нет единого мнения по поводу механизма, и поиск объяснения продолжается.

Приложения

Сверхпроводники BSCCO уже имеют широкомасштабное применение. Например, десятки километров сверхпроводящих проводов BSCCO-2223 при температуре 77 К используются в токовых выводах Большого адронного коллайдера в ЦЕРН. ^[10] (но в катушках основного поля используются металлические сверхпроводники с более низкой температурой, в основном на основе ниобия и олова ).

См. также

Библиография

Рыбицки и др., Взгляд на фазовую диаграмму купратных высокотемпературных сверхпроводников , Лейпцигский университет, 2015 г. дои : 10.1038/ncomms11413

Ссылки

^ Дж. Г. Беднорц; К. А. Мюллер (1986). «Возможная высокая в _{сверхпроводимость TC} системе Ba–La–Cu–O». З. Физ. Б. 64 (2): 189–193. Бибкод : 1986ZPhyB..64..189B . дои : 10.1007/BF01303701 . S2CID 118314311 .
^ Марк Бьюкенен (2001). «Обратите внимание на псевдопробел» . Природа . 409 (6816): 8–11. дои : 10.1038/35051238 . ПМИД 11343081 . S2CID 5471795 .
^ Автобиография Нобелевской премии .
^ Ву, МК; Эшберн, младший; Торнг, CJ; Хор, PH; Мэн, РЛ; Гао, Л.; Хуанг, ZJ; Ван, YQ; Чу, CW (1993), «Сверхпроводимость при 93 К в новой смешанной системе соединений Y-Ba-Cu-O при внешнем давлении» , Десять лет сверхпроводимости: 1980–1990 , Перспективы физики конденсированного состояния, том. 7, Дордрехт: Springer Нидерланды, стр. 281–283, doi : 10.1007/978-94-011-1622-0_36 , ISBN 978-94-010-4707-4 , получено 14 октября 2021 г.
^ Шэн, ZZ; Герман А.М. (1988). «Объемная сверхпроводимость при 120 К в системе Tl–Ca/Ba–Cu–O». Природа . 332 (6160): 138–139. Бибкод : 1988Natur.332..138S . дои : 10.1038/332138a0 . S2CID 30690410 .
^ Шиллинг, А.; Кантони, М.; Го, JD; Отт, HR (1993). «Сверхпроводимость выше 130 К в системе Hg–Ba–Ca–Cu–O». Природа . 363 (6424): 56–58. Бибкод : 1993Natur.363...56S . дои : 10.1038/363056a0 . S2CID 4328716 .
^ Ли, Патрик А. (2008). «От высокотемпературной сверхпроводимости к квантовой спиновой жидкости: прогресс в физике сильной корреляции». Отчеты о прогрессе в физике . 71 (1): 012501. arXiv : 0708.2115 . Бибкод : 2008РПФ...71а2501Л . дои : 10.1088/0034-4885/71/1/012501 . S2CID 119315840 .
^ Ли, Синьтун; Цзоу, Дин; Янь, Хунтао; Ли, Хао, Чжэньци; Чжоу, Ван, Яюй (12 января 2021 г.) . и модуляции парной плотности в сверхлегированном ${\mathrm {Bi} }_{2}{\mathrm {Sr} }_{2}{\mathrm {CuO} }_{6+\delta }$ 2101.06598 : обзор X. 11 ( 1): 011007. arXiv doi . . : 10.1103 /PhysRevX.11.011007 Физический
^ Вуд, Чарли (21 сентября 2022 г.). «Наконец-то понятна высокотемпературная сверхпроводимость» . Журнал Кванта . Проверено 22 сентября 2022 г.
^ Амалия Балларино (23 ноября 2005 г.). «ВТСП-материалы для токоподводов БАК» . ЦЕРН .

[Bedn1986-1] Дж. Г. Беднорц; К. А. Мюллер (1986). «Возможная высокая в _{сверхпроводимость TC} системе Ba–La–Cu–O». З. Физ. Б. 64 (2): 189–193. Бибкод : 1986ZPhyB..64..189B . дои : 10.1007/BF01303701 . S2CID 118314311 .

[Buch2001-2] Марк Бьюкенен (2001). «Обратите внимание на псевдопробел» . Природа . 409 (6816): 8–11. дои : 10.1038/35051238 . ПМИД 11343081 . S2CID 5471795 .

[nobel-3] Автобиография Нобелевской премии .

[4] Ву, МК; Эшберн, младший; Торнг, CJ; Хор, PH; Мэн, РЛ; Гао, Л.; Хуанг, ZJ; Ван, YQ; Чу, CW (1993), «Сверхпроводимость при 93 К в новой смешанной системе соединений Y-Ba-Cu-O при внешнем давлении» , Десять лет сверхпроводимости: 1980–1990 , Перспективы физики конденсированного состояния, том. 7, Дордрехт: Springer Нидерланды, стр. 281–283, doi : 10.1007/978-94-011-1622-0_36 , ISBN 978-94-010-4707-4 , получено 14 октября 2021 г.

[5] Шэн, ZZ; Герман А.М. (1988). «Объемная сверхпроводимость при 120 К в системе Tl–Ca/Ba–Cu–O». Природа . 332 (6160): 138–139. Бибкод : 1988Natur.332..138S . дои : 10.1038/332138a0 . S2CID 30690410 .

[rev4-6] Шиллинг, А.; Кантони, М.; Го, JD; Отт, HR (1993). «Сверхпроводимость выше 130 К в системе Hg–Ba–Ca–Cu–O». Природа . 363 (6424): 56–58. Бибкод : 1993Natur.363...56S . дои : 10.1038/363056a0 . S2CID 4328716 .

[rev2-7] Ли, Патрик А. (2008). «От высокотемпературной сверхпроводимости к квантовой спиновой жидкости: прогресс в физике сильной корреляции». Отчеты о прогрессе в физике . 71 (1): 012501. arXiv : 0708.2115 . Бибкод : 2008РПФ...71а2501Л . дои : 10.1088/0034-4885/71/1/012501 . S2CID 119315840 .

[8] Ли, Синьтун; Цзоу, Дин; Янь, Хунтао; Ли, Хао, Чжэньци; Чжоу, Ван, Яюй (12 января 2021 г.) . и модуляции парной плотности в сверхлегированном ${\mathrm {Bi} }_{2}{\mathrm {Sr} }_{2}{\mathrm {CuO} }_{6+\delta }$ 2101.06598 : обзор X. 11 ( 1): 011007. arXiv doi . . : 10.1103 /PhysRevX.11.011007 Физический

[9] Вуд, Чарли (21 сентября 2022 г.). «Наконец-то понятна высокотемпературная сверхпроводимость» . Журнал Кванта . Проверено 22 сентября 2022 г.

[10] Амалия Балларино (23 ноября 2005 г.). «ВТСП-материалы для токоподводов БАК» . ЦЕРН .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]