Матиас рулит
В физике правила Матиаса относятся к историческому набору эмпирических рекомендаций по поиску сверхпроводников . Эти правила были автором Бернда Т. Маттиаса , который открыл сотни сверхпроводников, используя эти принципы в 1950-х и 1960-х годах. Отклонения от этих правил обнаруживаются с конца 1970-х годов, с открытием нетрадиционных сверхпроводников .
История
[ редактировать ]
Сверхпроводимость была впервые обнаружена в твердой ртути в 1911 году Хайке Камерлинг-Оннесом и Жилем Хольстом , которые разработали новые методы достижения температур, близких к абсолютному нулю . [1] [2] [3]
В последующие десятилетия сверхпроводимость была обнаружена и в ряде других материалов; В 1913 году свинец при 7 К, в 1930-е годы ниобий при 10 К, а в 1941 году нитрид ниобия при 16 К.
В 1933 году Вальтер Мейснер и Роберт Оксенфельд обнаружили, что сверхпроводники испускают приложенные магнитные поля — явление, которое стало известно как эффект Мейснера .
Бернд Т. Матиас и Джон Кеннет Халм были вдохновлены Энрико Ферми начать систематические экспериментальные исследования в 1950-х годах в поисках сверхпроводников в различных элементах и соединениях. По этой причине они разработали методику, основанную на эффекте Мейснера. [4] [5]
В сотрудничестве с Теодором Х. Гебалем Маттиас побил рекорд в 1954 году, открыв сверхпроводимость в ниобий-олово (Nb 3 Sn), которая имела самую высокую известную температуру перехода около 18 К. [6] [5] Позже Маттиас попытается выявить общие эмпирические свойства для поиска сверхпроводящих сплавов. В том же году он опубликовал первую версию своих знаменитых правил, которые стали известны как «Правила Матиаса». [5] [7] В 1962 году Маттиас смог показать, что некоторые отклонения от его правил происходят из-за примесей или дефектов материалов. [5] Используя его правила, Матиас и его коллеги в 1965 году обнаружили, что ниобий-германий (Nb 3 Sn) имеет рекордную критическую температуру выше 20 К. [8] [9]
Матиас опубликовал первое изложение своих правил в 1957 году. [5] [10] Успешная микроскопическая теория сверхпроводимости появилась только в том же году, когда была разработана теория БКШ Джоном Бардином , Леоном Купером и Джоном Робертом Шриффером . [11]
Гебалле и Матиас выиграли премию Оливера Э. Бакли в области конденсированного состояния в 1970 году за «За совместные экспериментальные исследования сверхпроводимости, которые бросили вызов теоретическому пониманию и открыли технологию сверхпроводников сильного поля». [12]
Одно из первых отклонений от правил Матиаса было обнаружено с открытием сверхпроводимости в молибдена сульфиде и селенидах . В 1976 году на Рочестерской конференции по сверхпроводимости Матиас выдвинул дополнительный критерий, включающий эти материалы. [13]
тяжелые фермионные сверхпроводники. открыл Еще одно нарушение правил Матиаса появилось в 1979 году, когда Фрэнк Стеглих [14] где ожидалось, что магнетизм сыграет свою роль, вопреки правилам Матиаса. [15]
Матиас удерживал рекорд сверхпроводника с самой высокой критической температурой, обнаруженный до открытия высокотемпературных сверхпроводников в 1986 году Георгом Беднорцем и К. Алексом Мюллером . [5] [16] [17] [18]
Описание
[ редактировать ]Правила Матиаса представляют собой набор рекомендаций по поиску низкотемпературных сверхпроводников, но Маттиас никогда не предоставлял их в виде списка.
Популярная обобщенная версия этих правил гласит: [19] [20] [15] [8]
- Высокая симметрия — это хорошо, кубическая симметрия — лучше всего.
- Высокая плотность электронных состояний – это хорошо.
- Держитесь подальше от кислорода .
- Держитесь подальше от магнетизма
- Держитесь подальше от изоляторов .
- Держитесь подальше от теоретиков !
Правило 2 исключает материалы вблизи перехода металл-изолятор, такие как оксиды . Правило 4 исключает материалы, находящиеся в непосредственной близости от ферромагнетиков или антиферромагнетиков . [18] Правило 6 не является официальным правилом и часто добавляется, чтобы указать на скептицизм по отношению к теориям того времени. [15]
Другие эквивалентные принципы, заявленные Матиасом, указывают на работу в основном с металлами с d-электронами ; со средним количеством валентных электронов , предпочтительно нечетными числами 3, 5 и 7, и высокой плотностью электронов или высокой плотностью электронных состояний на уровне Ферми . [18]
В 1976 году Маттиас добавил критерий, включающий «элементы, которые вообще не будут реагировать с молибденом, образуя сверхпроводящие соединения с Mo 3 S 4 и Mo 3 Se 4 , S или Se » из-за отклонений в соединениях молибдена. [15]
Неудачи и расширения
[ редактировать ]Утверждалось, что все правила Матиаса оказались не полностью действительными. [19] В частности, правила не действительны для высокотемпературных сверхпроводников , для этих материалов были предложены альтернативные правила. [18] [19]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Сенгерс, Джоанна Левелт: Как жидкости смешиваются: открытия школы Ван дер Ваальса и Камерлинг-Оннеса . (Эдита — Издательство Роял, 2002, 318 стр.)
- ^ ван Делфт, Дирк (2007) Физика замерзания, Хайке Камерлинг-Оннес и поиски холода , Эдита, Амстердам, ISBN 9069845199 .
- ^ Бланделл, Стивен: Сверхпроводимость: очень краткое введение . (Издательство Оксфордского университета, 1-е издание, 2009 г., стр. 20)
- ^ Рогалла, Хорст; Кес, Питер Х. (11 ноября 2011 г.). 100 лет сверхпроводимости . Тейлор и Фрэнсис. ISBN 978-1-4398-4948-4 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж Гебалле, TH; Халм, Дж. К. (1996). Бернд Теодор Матиас 1918–1990 (PDF) . Национальная академия наук.
- ^ Матиас, Британская Колумбия; Гебалле, TH; Геллер, С.; Коренцвит, Э. (15 сентября 1954 г.). «Сверхпроводимость Nb 3 Sn» . Физический обзор . 95 (6): 1435. Бибкод : 1954PhRv...95.1435M . дои : 10.1103/PhysRev.95.1435 . ISSN 0031-899X .
- ^ Матиас, BT (1 января 1955 г.). «Эмпирическая связь между сверхпроводимостью и количеством валентных электронов на атом» . Физический обзор . 97 (1): 74–76. Бибкод : 1955PhRv...97...74M . дои : 10.1103/PhysRev.97.74 . ISSN 0031-899X .
- ^ Jump up to: а б Гримальди, К. (2001). «Возможные механизмы высокой Т С сверхпроводимости» . В Чифарелли, Луиза (ред.). Сверхпроводящие материалы для коллайдеров высоких энергий: материалы 38-го семинара проекта INFN Eloisatron, Эриче, Италия, 19-25 октября 1999 г. Всемирная научная. ISBN 978-981-02-4319-7 .
- ^ Аррениус, Г.; Коренцвит, Э.; Фицджеральд, Р.; Халл, Джорджия; Луо, ХЛ; Матиас, Британская Колумбия; Захариасен, WH (1968). «СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ NB 3 (AL, GE) ВЫШЕ 20,5°К» . Труды Национальной академии наук . 61 (2): 621–628. дои : 10.1073/pnas.61.2.621 . ISSN 0027-8424 . ПМК 225205 . ПМИД 16591705 .
- ^ Маттиас, Б.Т. (1957-01-01), Гортер, К.Дж. (редактор), Глава V Сверхпроводимость в периодической системе , Прогресс в физике низких температур, том. 2, Elsevier, стр. 138–150, doi : 10.1016/s0079-6417(08)60104-3 , ISBN. 9780444533081 , получено 9 августа 2023 г.
- ^ Бардин, Дж.; Купер, Л.Н.; Шриффер-младший (декабрь 1957 г.). «Теория сверхпроводимости» . Физический обзор . 108 (5): 1175–1204. Бибкод : 1957PhRv..108.1175B . дои : 10.1103/PhysRev.108.1175 .
- ^ «Лауреат премии» . www.aps.org . Проверено 9 августа 2023 г.
- ^ Матиас, Бернд Т. (1976), Дуглас, Д.Х. (ред.), «Некоторые сюрпризы в сверхпроводимости» , Сверхпроводимость в металлах d- и f-диапазона , Бостон, Массачусетс: Springer US, стр. 635–642, doi : 10.1007. /978-1-4615-8795-8_39 , ISBN 978-1-4615-8797-2 , получено 10 августа 2023 г.
- ^ Стеглич, Ф.; Аартс, Дж.; Бредл, CD; Лике, В.; Мешеде, Д.; Франц, В.; Шефер, Х. (17 декабря 1979 г.). «Сверхпроводимость в присутствии сильного парамагнетизма Паули: Ce${\mathrm{Cu}}_{2}$${\mathrm{Si}}_{2}$» . Письма о физических отзывах . 43 (25): 1892–1896. Бибкод : 1979PhRvL..43.1892S . doi : 10.1103/PhysRevLett.43.1892 . hdl : 1887/81461 . S2CID 123497750 .
- ^ Jump up to: а б с д Зайдель, Пол (22 января 2015 г.). Прикладная сверхпроводимость: Справочник по устройствам и приложениям . Джон Уайли и сыновья. ISBN 978-3-527-67066-6 .
- ^ Сондерс, П.Дж.; Форд, Джорджия (2005). Расцвет сверхпроводников . Бока-Ратон, Флорида: CRC Press. ISBN 0-7484-0772-3 .
- ^ Беднорц, Дж.Г.; Мюллер, К.А. (1986). «Возможная высокотемпературная сверхпроводимость в системе Ba-La-Cu-O». Журнал физики Б. 64 (2): 189–193. Бибкод : 1986ZPhyB..64..189B . дои : 10.1007/BF01303701 . S2CID 118314311 .
- ^ Jump up to: а б с д Учида, Синъити (20 ноября 2014 г.). Высокотемпературная сверхпроводимость: путь к более высокой критической температуре . Спрингер. ISBN 978-4-431-55300-7 .
- ^ Jump up to: а б с Мазин, Игорь Иванович (2010). «Сверхпроводимость получает железный импульс» . Природа . 464 (7286): 183–186. Бибкод : 2010Natur.464..183M . дои : 10.1038/nature08914 . ISSN 0028-0836 . ПМИД 20220835 . S2CID 4391681 .
- ^ Кондер, К. (1 августа 2016 г.). «Вторая жизнь правил Матиаса» . Сверхпроводниковая наука и технология . 29 (8): 080502. Бибкод : 2016SuScT..29h0502C . дои : 10.1088/0953-2048/29/8/080502 . ISSN 0953-2048 . S2CID 123619400 .