Stroncijev rutenat se lahko izkaže za superprevodnik 1,5. Vrste • Yuri Erin • Novice o znanosti o "Elementih" • Fizika

Stronijev rutenat je lahko superprevodnik 1,5. Vrste

Sl. 1. Struktura vrtin v delu (vortex struktura). To je normalno jedro z velikostjo približno dve dolžini koherence, okoli katerih se ne-dušilni superprevodni tokovi vrtijo z gostotoJs, ki pokriva regijo reda globine penetracije v Londonu λ. Na sliki je tudi razvidno, kako se hitro spreminja število superprevodnih elektronov (število superelektronov), ko se približamo vrtinčnemu jedru (spodnja črtasta tabela) in kako se poveča jakost magnetnega poljaH ko se premikate v središče vrtinčaste površine (top chart). Pokazano je, da je značilna globina prodiranja magnetnega polja l. Slika iz www.msm.cam.ac.uk

Odvisno od reakcije na delovanje zunanjega magnetnega polja se superprevodne snovi delijo na superprevodnike 1. in 2. vrste. Leta 2004 je bilo predlagano, da magnezijev diborid MgB2 se lahko v nekem posebnem načinu obnašajo v magnetnem polju, zaradi tega, kar je prejel ime 1.5-tega vrha superprevodnika. Vendar pa eksperimentalna potrditev obstoja takšne superprevodnosti ni bila dosežena, magnezijev diborid pa je do zdaj ostal edini kandidat za superprevodnike s 1.5 vrstami.Skupina znanstvenikov iz Združenih držav in Švedske je teoretično pokazala, da se v stroncijevem rutenatu Sr lahko pojavi polovica superprevodnosti Sr2RuO4.

Ker so se naučili znanstveniki o pojavu superprevodnosti, zbranih in razvitih, so bili predlagani novi načini razvrščanja snovi, ki imajo ta učinek. Ena od prvih shem, v skladu s katerimi so bili vsi superprevodni materiali ločeni, je upošteval mehanizem reakcije superprevodnika na zunanje magnetno polje. Dejstvo je, da se lahko superprevodniško stanje uniči, ne le ogrevanje materiala nad kritično temperaturo Tcvendar ga postavimo v magnetno polje z indukcijo nad kritično vrednostjo Bc (pred tem je superprevodnik idealen diamagnetni, glej Meissnerjev učinek, to pomeni, da absolutno ne pusti v magnetnem polju).

Vendar pa, kot kažejo teoretični izračuni, ki jih je leta 1957 opravil Aleksej Abrikosov in so v eksperimentih iz leta 1967, ki jih je skupina nemških raziskovalcev potrdila z določenim razmerjem parametrov, značilnih za superprevodniško stanje, uničenje poteka na bolj zapleten način.Ti definirajoči parametri so dolžina koherence ξ in globina penetracije v Londonu magnetnega polja λ.

Da bi razumeli, kakšna je dolžina skladnosti, upoštevajte pojav superprevodnosti na mikroskopski ravni. Glede na splošno sprejeto teorijo o BCS je nastanek superprevodnosti posledica združitve prevodnih elektronov v tako imenovane Cooperjeve pare. Na splošno so elektroni podobno nabiti delci in se morajo odkloniti, toda pri temperaturah, ki so pod kritično, ti delci začnejo izmenjevati kvanto vibracijskega gibanja ionov kristalne rešetke snovi – fononov. Ta interakcija, imenovana elektron-fonon, ima privlačnost in več kot kompenzira obstoječo elektrostatično odboj. Spajanje v paru omogoča, da se elektroni prevodnosti sinhrono obnašajo ob uporabi električnega polja (tok je vklopljen) in s tem brez izgube energije, da se premika skozi kristalno mrežo snovi. Tako se pojavi eden od znakov superprevodnosti – ničelni upor ali enakovredno neskončno prevodnost.

Zdaj se vrnemo k definiciji dolžine koherence.Ta vrednost, nekoliko poenostavljena, se lahko razlaga kot posebna velikost Cooperovega para. Za različne superprevodnike ta vrednost prevzame različne vrednosti – od nekaj nanometrov do nekaj mikrometrov pri absolutni ničli temperaturi. Z naraščajočo temperaturo se dolžina koherence za dani superprevodnik monotonsko poveča, pri čemer ima neskončno velika vrednost pri Tc.

Kot je omenjeno zgoraj, je poleg ničelnega upora še en atribut superprevodnosti idealen diamagnetizem. Izkazalo se je, da je ta absolutna "zavrnitev" magnetnega polja dosežena zaradi njegovega presejanja s pomočjo nezaželenih tokov, ki krožijo na površini superprevodnika. Debelina plasti, v katero te cirkulacijske tokove prodrejo znotraj superprevodnika, je londonska globina penetracije magnetnega polja λ. Tako kot dolžina koherence je ta značilnost edinstvena za vsako superprevodno snov, ki se spreminja od več deset nanometrov do vrednosti po vrstnem redu mikrometra pri absolutni temperaturi nič.

Zdaj se lahko vrnemo k kriteriju delitve superprevodnikov.Abrikosov je izračunal, da če ima superprevodnik razmerje globine penetracije magnetnega polja na dolžino koherence manj kot 1 / √2, se uničenje superprevodnosti pod vplivom zunanjega magnetnega polja zgodi skoraj takoj, ko je indukcija polja presežena Bc. Superprevodnik s takšnimi značilnostmi se imenuje superprevodnik tipa 1.

Sl. 2 Prva slika vrtinčne rešetke. Črna območja ustrezajo vrtincem. Slika iz članka U. Essmann, H. Trauble, Pisma fizike 24A, 526 (1967)

Če je razmerje λ / ξ superprevodnika večje od 1 / √2, potem proces uničenja superprevodnosti postane bolj kompleksen. Medtem ko indukcija magnetnega polja ne presega nižje kritične vrednosti Bc1, superprevodni vzorec ne dopušča linij sile (idealen diamagnetizem). Vendar pa močnejše polje prodira v material v obliki vrtinčastih linij, znanih kot vibriše Abrikosova ali preprosto vrtice (slika 1). Vsak vrtinec je normalno (ne-superprevodno) valjasto jedro, podolgovato vzdolž smeri magnetnega polja in obkrožen z obtočnimi nedovoljenimi superprevodnimi tokovi.Ko prodrejo v superprevodnik, se odbijajo (bližje, močnejše) in na svoji površini tvori stabilno strukturo – trikotno vrtinčasto mrežo (slika 2).

Pri določeni temperaturi in posledičnem povečanju magnetnega polja se število teh vrtin povečuje, kar vodi k zmanjšanju razdalje med njimi. Ko magnetna indukcija doseže vrednost Bc2, površinska gostota vrtincev postane tako velika, da se njuni normalni jedri prekrivajo drug z drugim in končno uničijo superprevodnost v vzorcu. Material s tako reakcijo na magnetno polje imenujemo superprevodnik tipa 2.

Upoštevajte, da je včasih obnašanje superprevodnika tipa 1 v magnetnem polju večje Bc opisana tudi z vrtinčnimi strukturami. Pogojno velja, da ko polje presega kritično vrednost Bcki prodrejo v superprevodnik tipa 1, vrtinci privlačijo drug drugega (bližje, močnejše) in tvorijo normalne regije, ki popolnoma pokrivajo površino superprevodnega materiala.

Torej, povzamemo vmesni rezultat: v superprevodnikih tipa I v magnetnem polju nad kritično vrednostjo Bc materialni vrtinec privlačijo med seboj, medtem ko so bližje med seboj, večja je ta interakcija. Zaradi te privlačnosti takšen superprevodnik skoraj takoj pride v normalno stanje. V superprevodnikih tipa 2 se vdor magnetnega polja v obliki vrtinca pojavi, ko indukcija presega prag spodnjega kritičnega polja. Bc1. Hvala odboj med vrtišči, ki postanejo močnejše, čim bolj se te formacije nahajajo drug drugemu, na površini superprevodnika oblikujejo trikotne vrtinčne rešetke. Ker se indukcija zunanjega polja pri določeni temperaturi poveča, se število prodornih vrtin povečuje. Če indukcija presega prag zgornjega kritičnega polja Bc2, viharji postanejo tako številni, da se njihova normalna jedra prekrivajo, s čimer se material prenese v normalno stanje.

1,5-st superprevodnost

Leta 2001 je skupina japonskih znanstvenikov odkrila superprevodnost v magnezijevem diboridu MgB2. Ta odkritje je pritegnilo veliko pozornosti strokovnjakov, vključenih v študijo fizike kondenzirane snovi. Razlogi za povečano zanimanje za stanje superprevodnosti te snovi niso le v svoji preprosti kemični formuli inne le, da je njegova kritična temperatura precej visoka in znaša 39 K (veliko superprevodnikov z visoko Tc so zelo zapletene kemične spojine), temveč tudi v posebnosti strukture superprevodnosti v njem. Številni eksperimenti neodvisnih skupin znanstvenikov so pokazali, da je superprevodnost v tej snovi in ​​njegova visoka kritična temperatura posledica prisotnosti dveh "razredov" Couperjevih parov, katerih interakcija omogoča znatno povečanje kritične temperature. Takšni superprevodniki v literaturi se imenujejo dve coni.

Prisotnost dveh "vrst" Cooperovih parov je spodbudilo znanstvenike, da "preiskujejo" znane teorije različnih pojavov za takšne superprevodnike v upanju, da bi našli nekaj radovednega učinka, ki bi v običajnih superprevodnikih z eno vrsto Couperjevih par. Dejansko je leta 2004 Yegor Babayev in njegov kolega Martin Speight ugotovil, da mehanizem magnetnega polja na dvosonskem superprevodniku, zlasti MgB2, še bolj zapleteno kot superprevodniki tipa 2 (Egor Babaev, Martin Speight, 2004. Semi-Meissnerjeva superprevodnost v večkomponentnih superprevodnikih).

Pri svojem delu so napovedali obstoj nehomogene vrtinčne rešetke v superprevodniku v določenih intervalih indukcije zunanjega magnetnega polja, ki se lahko izrazi kot tvorjenje vortexnih grozdov, gostih grozdov vortikov na omejeni površini ali preprosto neenakomerne porazdelitve vortik. Po izračunih teh znanstvenikov se vse te vrtinčne strukture oblikujejo zaradi nenotonične odvisnosti sile medsebojnega vplivanja vortik na razdaljo med njimi. V naslednjih teoretičnih študijah se je izkazalo, da je ta sila v svojem vedenju poseben analog medmolekularnih sil, ki delujejo med atomi. Preprosto povedano, vrtinci v dvopasovnih superprevodnikih privabljajo na velike razdalje (kot pri superprevodnikih tipa 1) in odbijajo pri majhnih (kot pri superprevodnikih tipa 2). Zaradi te narave sile interakcije se lahko pojavijo nenavadne strukture vrtinčne rešetke.

Leta 2009 je skupina belgijskih eksperimentatorjev, ki jo je vodil Viktor Moshchalkova, objavil v enem najprestižnejših fizičnih revij Pisni pregledi fizike kjer je eksperimentalno potrdil obstoj neenakomerne porazdelitve vortik v MgB2, kot jih napovedujejo Yegor Babayev in Martin Speight. Avtorji tega članka so imenovali superprevodnik s podobnim odzivom na magnetno polje superprevodnika 1,5. Vrste (glej. Eksperimentalno je potrdil obstoj superprevodnosti rodu sesquita, Elements, 12.03.2009).

Zaradi pravičnosti je treba reči, da je to delo povzročilo dvoumno reakcijo med strokovnjaki (glej eksperimentalno potrditev superprevodnosti enega in drugega rodu, Elements, 10. junij 2010). Izpustimo veliko podrobnosti, ugotavljamo, da je bil glavni razlog za to reakcijo, da doslej nihče, razen te skupine, ni dobil eksperimentalnih dokazov za obstoj heterogene vrtinčne rešetke v MgB2 v obliki, v kateri je videla skupino Viktorja Moschalkove.

Na koncu so se spori premaknili v teoretično polje (glej Superprovodnost 1,5. Vrste: niti dva niti ena in pol, Elements, 11.11.2010). V obdobju od leta 2009 do leta 2012 so bili objavljeni številni dokumenti, v katerih so bili podani argumenti za potrditev obstoja superprevodljivosti 1,5. Vrste in za potrditev nemožnosti njenega obstoja.Posebno vroča razprava je potekala med skupino teoretikov, ki jo je vodil Egor Babayev, odkrila superprevodnost 1,5. Vrste, in ekipa znanstvenikov v osebi Vladimirja Kogana in Yorg Shmalyan (glej: Egor Babaev, Mihail Silaev, 2012. Komentar o "Ginzburg-Landau teorija dvosmovskih superprevodnikov: odsotnost superprevodnosti tipa-1.5 "in VG Kogan, Jörg Schmalian, 2012. Odgovori na" Komentar o "Teorija Ginzburg-Landau dvosistemskih superprevodnikov: odsotnost superprevodnosti tipa-1.5" ").

Upanje, da bo obstoj te vrste superprevodnosti potrjen, je nastal po odkritju "železnih" superprevodnikov (glej: Najden je bil nov tip visokotemperaturnih superprevodnikov, Elements, 12. 5. 2008 in nova družina superprevodnikov, ki vsebujejo železo, "Elements", 31.10 .2008), ki imajo, kot kažejo številni poskusi, dve – in celo tri (!) – "razrede" Cooperjevih parov. Vendar so se parametri teh superkonduktorjev na osnovi železa izkazali za takšne, da se kljub njihovi množičnosti najbolj verjetna superprevodnost 1,5. Vrste ne more uresničiti pod nobenimi pogoji. Tako je od trenutka napovedovanja 1,5-vrstnih superprevodnikov le edini kandidat za ta naslov ostal samo magnezijev diborid.

Stroncijev rutenat – drugi kandidat za superprevodnike 1,5. Vrste

In zdaj, 8 let po pionirski objavi o morebitnem obstoju 1,5. Vrste superprevodnosti v eni od zadnjih izdaj revije Fizični pregled B Pojavilo se je teoretični članek, v skladu s katerim lahko "osamljenost" magnezijevega diborida kot kandidata za 1,5-tipske superprevodnike "razredči" spojino, imenovano stroncijev rutenat Sr2RuO4.

Takoj morate rezervirati, da je Sr2RuO4 – v nekem smislu edinstveni superprevodnik. Kot se spomnite, so bile na začetku tega nota omenjeni različni načini razvrščanja superprevodnikov. Eden od njih, kot je že omenjeno, je reakcija na zunanje magnetno polje. Druga, bolj znan postopek razdeljevanja superprevodnikov je njihova diferenciacija s kritično temperaturo (glej npr. Tabelo v novicah. Vir visokotemperaturne vmesne superprevodnosti se je izkazal za atomsko plast bakrovega oksida, Elements, 13. november 2009). Končno obstaja še ena vrsta razvrstitve, ki je sestavljena iz deljenja superprevodnikov glede na strukturo Cooperovega para, kar lahko rečemo, "navdihuje" sam fenomen superprevodnosti.

Cooperovi pari so kvantni objekti, katerih lastnosti so opisane s posebnimi fizikalnimi lastnostmi – valovno funkcijo (kvadrat modula te funkcije prikazuje verjetnost, da se ta predmet razdeli v določenem delu prostora, z nekaj raztezanjem lahkoreči, da je ta funkcija podobna odvisnosti koordinat na čas za klasični objekt). Že dolgo od odkritja superprevodnosti je bilo znano, da je Cooperov par zveze elektronov z nasprotno usmerjenimi vrtljaji. Materiali s to vrsto elektronskega parjenja imenujemo spin-singlet sValovni superprevodniki. Dodatek "vala" se pojavi zaradi dejstva, da so, kot smo že omenili, opisani Cooperovi pari val funkcijo in predpono "s"pomeni, da je njihova orbitalna kotna hitrost (kotni moment) enaka nič, to pomeni, da se preprosto ne vrtita okrog njihovega središča mase.

Po odkritju bakrenih visokotemperaturnih superprevodnikov (HTSC) leta 1986 so eksperimentalne študije pokazale, da čeprav so elektroni v teh snovih, ki imajo nasprotno usmerjene zavore, pa se Cooperovi pari še vedno razlikujejo od tistih iz prej znanih superprevodnikov. Ta razlika je v dejstvu, da se elektronski pari v HTSC vrtijo in je njihov orbitalni trenutek v posebnih enotah 2. Baterijski HTS je bil imenovan nenavaden (v znanstveni literaturi je uspešen angleški izraz "nekonvencionalen") spin-singlet dValovni superprevodniki. Simbol "d"kaže, da je orbitalni moment Cooperovih parov 2. Z drugimi besedami, poleg elektronske rotacije (spina), pa ima Cooperov par tudi vrtenje okrog središča mase (orbitalni moment).

Leta 1994 je bila v stroncijevem rutenatu odkrita superprevodnost. Kljub temu, da je njegova kritična temperatura zelo nizka, približno 1,5 K, je to odkritje pritegnilo strokovnjake iz več razlogov. Najprej, ker je ta snov imela kristalno strukturo, podobno kot HTSC, in ni vsebovala "obveznega" bakra, kot je veljalo za vse znane HTS v tistem času. Primerjava fizičnih značilnosti normalnega in superprevodnega stanja Sr2RuO4 in bakrenih HTSC, so znanstveniki upali, da bodo razjasnili naravo visokotemperaturne superprevodnosti.

Vendar pa so bile še bolj pričakovane še bolj zanimive podrobnosti. Leto po odkritju superprevodnega stanja stroncijevega rutenata je skupina teoretikov hipotezirala, da je superprevodnost v Sr2RuO4 ni spin singlet. V skladu s predpostavko teh znanstvenikov so v stroncijevem rutenatu spinovi v Cooperovem paru usmerjeni v eno smer, plus parove dvojice imajo kotni moment enega.

Naslednji poskusi so podprli to predpostavko. Zaradi tega je ta vrsta nenavadne superprevodnosti prejel ime spin-triplet str-Wave superprevodnost (simbol "str"pravi, da je orbitalni moment Cooperjevega para enakovreden enemu). Trenutno ni nobenih dokazov, da ima katerakoli od velikega števila superprevodnikov podobno vrsto superprevodnosti. Pravzaprav zaradi tega edinstvenega stroncijevega rutenata še vedno aktivno preučujemo.

V tem letu niso bili omenjeni železniški HTSC, ki so bili odkriti v letu 2008, zato ima bralec razumno vprašanje: kako klasificirati te nove "železne" superprevodnike? Rezultati nedavnih poskusov kažejo, da se obe vrsti Couperjevih parov lahko obravnavata kot ločeno vzeti spin-singletni superprevodniki brez rotacije Cooperovih parov. Zdi se, da je vse trivialno, dvojnoobmočni superprevodniki pa so le "mešanica" znane spin-singlet sValovni superprevodniki. V resnici se je struktura koperjevih parov v "železnih" superprevodnikih izkazala za bolj zvit.Po eksperimentalnih podatkih se faze valovnih funkcij (kompleksnih količin) v "železnih" superprevodnikih premaknejo z π. Zaradi tega faznega premika imajo valovne funkcije vsakega razreda nasprotne znake. Zato se ti superprevodniki pokličejo s ±Wave.

Še ena radovedna lastnost Sr2RuO4 kot superprevodnik je njegova dvopasovna, kar dokazujejo rezultati nedavnih eksperimentov. Seveda, po pridobitvi teh podatkov, imajo znanstveniki vse razloge, da domnevajo, da je stroncijev rutenat potencialni kandidat za naziv 1,5-letnega superprevodnika, v katerem lahko obstajajo različne vrste nehomogenosti vortexne rešetke.

Prve podrobne študije distribucije vortik v tem superprevodniku so bile izvedene leta 2005 (V. O. Dolocan in ostali, 2005. Opazovanje Spin-Triplet Super-prevodnika Sr Vortex Coalescence v anizotropnem spin-trojnem superprevodniku2RuO4). Nato so eksperimentatorji ugotovili dejstvo, da je tako imenovana koalescenca vrtinčne rešetke. Z drugimi besedami, vrtinčke v vzorcu superprevodnikov niso oblikovale trikotne rešetke, ki se odbijajo drug od drugega, kot se dogaja v superprevodniku druge vrste. Namesto tega so se začeli združevati v velike domene, velikost teh domen pa je rasla s povečanjem magnetnega polja (slika 3).

Sl. 3 Vortex mreža v monokristala stroncijevega ruthenate, pridobljenega v zunanjem magnetnem polju je 0,0002 Tesla (a), 0.0006 T (b) in 0.0007 T (z). Svetlobna območja ustrezajo vrtinčastim formacijam (področja, kjer je prodrlo magnetno polje). Slika iz člena V. O. Dolocan et al. Opazovanje Vortex koalescentni v anizotropne Spin-trojček superprevodnik Sr2RuO4 (2005)

Rezultati poskusov je pomenilo, da v superprevodne stroncija ruthenate obstaja neka privlačnost med vrtincev. Od kod prihaja ta atrakcija in zakaj se dogaja v Sr2RuO4, za preizkuševalce ostala skrivnost.

Teorija skupina Egor Babaev vodil, avtorji razpravljali tukaj članek, trdijo, da lahko opazimo koalescenten od vrtincev enostavno razložiti, če bomo poskušali opisati lastnosti superprevodnih stroncijevega ruthenate v posebnem teoretičnega modela, razvitega posebej za ta pretvornik, ki upošteva svojo dvojno-cono. Opozoriti je treba, da se z nekaterimi spremembami, je bila ta teorija uporablja za napovedovanje in študij type-1.5 superprevodnosti.

Na podlagi tega teoretičnega modela za Sr2RuO4, Znastvenikov izvedena numerična analiza videza vrtinčne rešetke s parametri, ki ustrezajo značilnostim stanju superprevodne stroncijevega ruthenate.Izkazalo se je, da teorija z danimi parametri na kvalitativni ravni proizvaja enako vedenje vortik, kar je bilo pridobljeno pri predhodno izvedenih poskusih (slika 4).

Sl. 4 Porazdelitev koncentracije (v relativnih enotah) vsake "sorte" (na levi strani – prvič, na desni – drugi) Cooper parov v dvopasovnem superprevodnem stroncijevem rutenatu. Rdeče površine ustrezajo največjemu številu elektronskih parov, temno modra – območja, kjer njihovo število nima nič. Ti grafi prikazujejo evolucijo vrtinčne rešetke: od začetka tvorbe vrtinčnega grozda (a in b) 7 vrtin pred njeno takojšnjo pojavitvijo (c in d). Slika iz članka v razpravi Fizični pregled B

Slike na sliki 4 jasno in jasno kažejo privlačnost med vrtincema in posledično njihovo koalescenco. Po drugi strani pa je možnost nastanka takih vrtinčastih grozdov mogoče razlagati kot dejstvo prisotnosti superprevodnosti 1,5. Vrste v tej spojini. Ta zaključek je glavni rezultat tega članka.

Seveda se dobljeni rezultat ne pretvarja v dokončnost, kot pišejo sami avtorji, kar kaže na nadaljnje eksperimentalne študije v tej smeri.Vendar pa ni mogoče zanikati, da so eksperimentalni podatki dobro opisani s teorijo, ki je tudi z nekaterimi poenostavitvami predhodno že napovedala možnost obstoja superprevodnosti tipa 1.5.

Vir: Julien Garaud, Daniel F. Agterberg, Egor Babaev. Vortexova koalescenca in superprevodnost tipa 1.5 v Sr2RuO4 // Fiz. Rev. B 86, 060513 (R) (2012).

Yuri Yerin


Like this post? Please share to your friends:
Dodaj odgovor

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: