Ковалентный сверхпроводник
Ковалентные сверхпроводники — это сверхпроводящие материалы, атомы которых связаны ковалентными связями . Первым таким материалом стал легированный бором синтетический алмаз, выращенный методом высокого давления и высоких температур (ВДВТ). [1] Открытие не имело практического значения, но удивило большинство ученых, поскольку сверхпроводимость не наблюдалась в ковалентных полупроводниках, включая алмаз и кремний.
История
[ редактировать ]
Приоритет многих открытий в науке активно оспаривается (см., напр., Нобелевские споры ). Другой пример: после того, как Сумио Иидзима «открыл» углеродные нанотрубки в 1991 году, многие ученые отметили, что углеродные нановолокна на самом деле наблюдались десятилетиями ранее . То же самое можно сказать и о сверхпроводимости в ковалентных полупроводниках. Сверхпроводимость в германии и кремний-германии была предсказана теоретически еще в 1960-х годах. [2] [3] Вскоре после этого сверхпроводимость была экспериментально обнаружена в теллуриде германия . [4] [5] В 1976 г. сверхпроводимость с Т с = 3,5 К была экспериментально обнаружена в германии, имплантированном ионами меди; [6] экспериментально было показано, что аморфизация необходима для сверхпроводимости (в Ge), причем сверхпроводимость приписывалась самому Ge, а не меди.
Алмаз
[ редактировать ]Сверхпроводимость в алмазе была достигнута за счет сильного легирования бором p-типа , так что отдельные атомы легирования начали взаимодействовать и образовывали «примесную зону». Сверхпроводимость была II рода с критической температурой T c = 4 К и критическим магнитным полем B c = 4 Тл. Позднее T c ≈ 11 К была достигнута в гомоэпитаксиальных CVD- пленках. [7] [8]
Относительно происхождения сверхпроводимости в алмазе были предложены три альтернативные теории: традиционная теория БКШ, основанная на фононном спаривании, теория коррелированных примесных зон. [9] и спаривание дырок, управляемое спин-флипом, слабо локализованное вблизи уровня Ферми. [10] Эксперименты с алмазами, обогащенными 12 С, 13 С, 10 Б или 11 Изотопы B выявили явный сдвиг T c , и его величина подтверждает БКШ в объемном поликристаллическом алмазе. механизм сверхпроводимости [11]
Углеродные нанотрубки
[ редактировать ]Хотя были сообщения о собственной сверхпроводимости в углеродных нанотрубках , [12] [13] многие другие эксперименты не обнаружили доказательств сверхпроводимости, и достоверность этих результатов остается предметом споров. [14] Однако обратите внимание на решающее различие между нанотрубками и алмазом: хотя нанотрубки содержат ковалентно связанные атомы углерода, по свойствам они ближе к графиту, чем к алмазу, и могут быть металлическими без легирования. Между тем, нелегированный алмаз является изолятором.
Интеркалированный графит
[ редактировать ]
Когда атомы металла внедряются (интеркалируются) между плоскостями графита, создаются несколько сверхпроводников со следующими температурами перехода: [15] [16]
| Материал | СаС 6 | Ли 3 Са 2 С 6 | YbC 6 | СрК 6 | КС 8 | РБК 8 | И С 3 | КС 3 | ЛиК 3 | НаК 2 | ЛиК 2 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Т с (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
[ редактировать ]Было предложено [1] что «Si и Ge, которые также образуются в структуре алмаза, могут аналогичным образом проявлять сверхпроводимость при соответствующих условиях», и действительно, открытия сверхпроводимости в сильно легированном бором Si (Si:B) [17] и SiC:B [18] быстро последовали за ним. Подобно алмазу, Si:B является сверхпроводником II рода , но имеет гораздо меньшие значения T c = 0,4 К и B c = 0,4 Тл. Сверхпроводимость в Si: B была достигнута за счет сильного легирования (свыше 8 ат.%), реализовано с помощью специальной неравновесной методики газоиммерсионного лазерного легирования .
Карбид кремния
[ редактировать ]Сверхпроводимость в SiC была достигнута за счет сильного легирования бором. [19] или алюминий. [20] Как кубическая (3C-SiC), так и гексагональная (6H-SiC) фазы являются сверхпроводящими и имеют очень схожую температуру T c , равную 1,5 К. Однако наблюдается критическая разница в поведении магнитного поля между легированием алюминием и бором: SiC:Al тип-II , такой же, как Si:B. Напротив, SiC:B относится к типу I. В попытке объяснить эту разницу было отмечено, что для сверхпроводимости в SiC центры Si более важны, чем центры углерода. В то время как бор замещает углерод в SiC, Al замещает позиции Si. Следовательно, Al и B «видят» разную среду, которая может объяснить разные свойства SiC:Al и SiC:B. [21]
Сероводород
[ редактировать ]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 давлением и варьируется от 23 К при 100 ГПа до 150 К при 200 ГПа. [22] Если сероводород находится под давлением при более высоких температурах, а затем охлаждается, критическая температура достигает 203 К (-70 ° C), самой высокой принятой критической температуры сверхпроводимости по состоянию на 2015 год. Заменяя небольшую часть серы фосфором и используя еще более высокие давления, было предсказано, что возможно поднять критическую температуру выше 0 ° C (273 К) и достичь сверхпроводимости при комнатной температуре . [23]
См. также
[ редактировать ]- Кремний - химический элемент с символом Si и атомным номером 14.
- Карбид кремния - чрезвычайно твердый полупроводник.
- Синтетический алмаз – алмаз, созданный контролируемыми процессами.
- Хронология низкотемпературных технологий
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Е.А. Екимов; В.А. Сидоров; ЭД Бауэр; Н. Н. Мельник; Нью-Джерси Курро; Джей Ди Томпсон; С.М. Стишов (2004). «Сверхпроводимость в алмазе». Природа . 428 (6982): 542–545. arXiv : cond-mat/0404156 . Бибкод : 2004Natur.428..542E . дои : 10.1038/nature02449 . ПМИД 15057827 . S2CID 4423950 .
Л. Боэри, Дж. Кортус и О. К. Андерсен «Трехмерная сверхпроводимость типа MgB 2 в дырочно-легированном алмазе» ,
К.-В. Ли и У.Е. Пикетт «Сверхпроводимость в алмазе, легированном бором» [ постоянная мертвая ссылка ] ,
X. Блазе, Ч. Адесси и Д. Коннетабль «Роль легирующей примеси в сверхпроводимости алмаза» [ постоянная мертвая ссылка ] ,
Э. Бустаррет и др. «Зависимость температуры сверхпроводящего перехода от уровня легирования в пленках монокристаллического алмаза» [ постоянная мертвая ссылка ] - бесплатная загрузка - ^ Gurevich V L, Larkin A I and Firsov Yu A (1962). Sov. Phys. Solid State. 4: 185.
- ^ М.Л. Коэн (1964). «Существование сверхпроводящего состояния в полупроводниках». Преподобный Мод. Физ . 36 (1): 240–243. Бибкод : 1964РвМП...36..240С . дои : 10.1103/RevModPhys.36.240 .
- ^ Р.А. Хейн; и др. (1964). «Сверхпроводимость в теллуриде германия». Физ. Преподобный Летт . 12 (12): 320–322. Бибкод : 1964PhRvL..12..320H . дои : 10.1103/PhysRevLett.12.320 .
- ^ Л. Файнголд (1964). «Теллурид германия: удельная теплоемкость и сверхпроводимость» (PDF) . Физ. Преподобный Летт . 13 (7): 233–234. Бибкод : 1964PhRvL..13..233F . дои : 10.1103/PhysRevLett.13.233 .
- ^ Б. Стрицкер; Х. Вуль (1976). «Сверхпроводимость аморфного германия, полученного методом ионной имплантации». Журнал физики Б. 24 (4): 367–370. Бибкод : 1976ZPhyB..24..367S . дои : 10.1007/BF01351526 . S2CID 123326637 .
- ^ Ю. Такано; и др. (2007). «Сверхпроводящие свойства гомоэпитаксиального CVD-алмаза». Диам. Отн. Мэтр . 16 (4–7): 911–914. Бибкод : 2007DRM....16..911T . дои : 10.1016/j.diamond.2007.01.027 . S2CID 95904362 .
- ^ Ю. Такано (2006). «Обзор» . наук. Технол. Адв. Мэтр . 7 : С1. Бибкод : 2006STAdM...7S...1T . дои : 10.1016/j.stam.2006.06.003 .
- ^ Г. Баскаран (2008). «Изоляторы Мотта с примесной полосой: новый путь к высокотемпературной сверхпроводимости » . наук. Технол. Адв. Мэтр . 9 (4): 044104. Бибкод : 2008STAdM...9d4104B . дои : 10.1088/1468-6996/9/4/044104 . ПМК 5099631 . ПМИД 27878017 .
- ^ Дж. Марес; и др. (2008). «Избранные темы, связанные с транспортом и сверхпроводимостью в алмазе, легированном бором» . наук. Технол. Адв. Мэтр . 9 (4): 044101. Бибкод : 2008STAdM...9d4101M . дои : 10.1088/1468-6996/9/4/044101 . ПМК 5099628 . ПМИД 27878014 .
- ^ Е.А. Екимов; и др. (2008). «Структура и сверхпроводимость изотопно-обогащенного бора алмаза» . наук. Технол. Адв. Мэтр . 9 (4): 044210. Бибкод : 2008STAdM...9d4210E . дои : 10.1088/1468-6996/9/4/044210 . ПМК 5099641 . ПМИД 27878027 .
- ^ ЗК Тан; и др. (2001). «Сверхпроводимость в одностенных углеродных нанотрубках с сопротивлением 4 ангстрема». Наука . 292 (5526): 2462–5. Бибкод : 2001Sci...292.2462T . дои : 10.1126/science.1060470 . ПМИД 11431560 . S2CID 44987798 .
- ^ М. Коцяк; и др. (2001). «Сверхпроводимость в жгутах из одностенных углеродных нанотрубок». Письма о физических отзывах . 86 (11): 2416–2419. arXiv : cond-mat/0010220 . Бибкод : 2001PhRvL..86.2416K . дои : 10.1103/PhysRevLett.86.2416 . ПМИД 11289943 . S2CID 15102306 .
- ^ М. Бократ (2006). «Углеродные нанотрубки: самое слабое звено». Физика природы . 2 (3): 155–156. Бибкод : 2006NatPh...2..155B . дои : 10.1038/nphys252 . S2CID 125902065 .
- ^ Н. Эмери; и др. (2008). «Синтез и сверхпроводящие свойства CaC 6 » . наук. Технол. Адв. Мэтр . 9 (4): 044102. Бибкод : 2008STAdM...9d4102E . дои : 10.1088/1468-6996/9/4/044102 . ПМК 5099629 . ПМИД 27878015 .
- ^ ИТ Белаш; и др. (1990). «Сверхпроводимость СИЦ с Li, Na и K». Синтетические металлы . 34 (1–3): 455–460. дои : 10.1016/0379-6779(89)90424-4 .
- ^ Э. Бустаррет; и др. (2006). «Сверхпроводимость в легированном кубическом кремнии» . Природа . 444 (7118): 465–8. Бибкод : 2006Natur.444..465B . дои : 10.1038/nature05340 . ПМИД 17122852 . S2CID 4383370 .
- ^ Чжи-Ань Рен; и др. (2007). «Сверхпроводимость в SiC, легированном бором». Дж. Физ. Соц. Япония . 76 (2): 103710. Бибкод : 2007JPSJ...76b3710M . дои : 10.1143/JPSJ.76.023710 . hdl : 2433/136766 .
- ^ М. Кринер; и др. (2008). «Сверхпроводимость в сильно легированном бором карбиде кремния» . наук. Технол. Адв. Мэтр . 9 (4): 044205. arXiv : 0810.0056 . Бибкод : 2008STAdM...9d4205K . дои : 10.1088/1468-6996/9/4/044205 . ПМК 5099636 . ПМИД 27878022 .
- ^ Т. Муранака; и др. (2008). «Сверхпроводимость в карбиде кремния, легированном носителями» . наук. Технол. Адв. Мэтр . 9 (4): 044204. Бибкод : 2008STAdM...9d4204M . дои : 10.1088/1468-6996/9/4/044204 . ПМК 5099635 . ПМИД 27878021 .
- ^ Ю. Янасэ; Н. Ёрозу (2008). «Сверхпроводимость в компенсированных и некомпенсированных полупроводниках» . наук. Технол. Адв. Мэтр . 9 (4): 044201. Бибкод : 2008STAdM...9d4201Y . дои : 10.1088/1468-6996/9/4/044201 . ПМК 5099632 . ПМИД 27878018 .
- ^ А.П. Дроздов; и др. (2015). «Обычная сверхпроводимость при 203 Кельвина при высоких давлениях в системе гидрида серы». Природа . 525 (7567): 73–76. arXiv : 1506.08190 . Бибкод : 2015Natur.525...73D . дои : 10.1038/nature14964 . ПМИД 26280333 . S2CID 118573189 .
- ^ Картлидж, Эдвин (18 августа 2015 г.). «Рекорд сверхпроводимости вызвал волну последующей физики» . Природа . 524 (7565): 277. Бибкод : 2015Natur.524..277C . дои : 10.1038/nature.2015.18191 . ПМИД 26289188 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Международный семинар по сверхпроводимости алмаза и родственных материалов , 2005 г.
- Международный семинар по сверхпроводимости алмаза и родственных материалов , 2008 г.
- Новые алмазные и передовые углеродные технологии. Том 17, № 1. Специальный выпуск о сверхпроводимости в CVD-алмазе.
- Некоторые статьи о сверхпроводящем алмазе