Høj temperatur superledningsevne

Højtemperatur-superledning (HTSC, High-temperature superconductors eller High-T c ) er superledning ved relativt høje temperaturer. Historisk set er grænseværdien en temperatur på 30 K, dog mener en række forfattere af HTSC superledere med en kritisk temperatur over nitrogens kogepunkt (77 K eller -196 °C).

Beskrivelse

Fænomenet superledning består i det fuldstændige tab af elektrisk modstand af et materiale, når det afkøles til under den kritiske temperatur, der er karakteristisk for dette materiale. Den særlige betydning af højtemperatur-superledningsevne ligger i muligheden for praktisk anvendelse uden stærk køling eller med billigere og mere bekvemme kølemidler (flydende brint, nitrogen, metan) end flydende helium under tryk, der kræves til klassiske superledere.

I 2020 er de mest højtemperatur-superledere ved atmosfærisk tryk cuprates  - keramik (blandede oxider) [2] .

I 2018 forudsagde computermodeller superledningsevnen af ​​komplekse hydrider , som er "doteret" metallisk brint ved tæt på stuetemperaturer og tryk i størrelsesordenen 200 GPa [3] . Baseret på denne teoretiske udvikling blev der i 2019-2020 opnået superledning i lanthan- og yttriumhydrider ved temperaturer på 245-260 K og tryk i størrelsesordenen 1 million atmosfærer, for eksempel bliver LaH 10±x en superleder, når den afkøles til 250 K ved et tryk på 188 GPa [4] , for YH₆ sker den superledende overgang ved en temperatur på 227 K og et tryk på 237 GPa, for YH 9  - ved 243 K og 201 GPa, for ThH 10  - ved 161 K og 174 GPa, for ThH 9  - 146 K og 170 GPa, YH [2 ] [5] . Disse værdier er i gennemsnit 30 K mindre end dem, der er forudsagt i modellerne, hvilket kræver yderligere undersøgelse og korrektion af modellerne. Især den forudsagte superledningsevne af Li₂MgH₁₆-forbindelsen ved et tryk på 250 GPa og en temperatur på 473 K kan også vise sig at være for optimistisk [5] .

Historie

Det første fænomen med højtemperatur-superledning i La 2-x Ba x CuO 4 -forbindelsen med en kritisk temperatur på 35 K blev opdaget af Karl Müller og Georg Bednorz , ansatte i den videnskabelige afdeling af IBM Corporation, i 1986. For denne opdagelse blev de tildelt Nobelprisen i 1987 . Blandet keramik af denne type (AMO3 perovskites) blev aktivt undersøgt i USSR på samme tid .

I 1987 blev superlederen YBCO (yttrium-barium-kobberoxid) opdaget, med en kritisk temperatur på 92 K. Det var den første superleder, hvis kritiske temperatur var højere end kogepunktet for flydende nitrogen (77 K).

I 2015 blev rekordværdien af ​​den kritiske temperatur T c 203 K opnået i en forbindelse af svovl og brint, placeret under et tryk på 150 GPa (1,5 millioner atmosfærer) [6] .

I 2018 blev højtemperatur-superledningsrekorden slået to gange på én gang:

Andet

Den begrænsede praktiske anvendelse af keramiske HTSC'er skyldes det faktum, at det magnetiske felt, der skabes af strømmen, der strømmer gennem HTSC'en, med en stor værdi, fører til ødelæggelsen af ​​lederens iboende lagdelte struktur og følgelig til det irreversible tab. af superledende egenskaber. På samme tid, for superledende produkter (både HTSC og klassiske), er en sådan overtrædelse på et enkelt punkt tilstrækkelig, da den resulterende defekt øjeblikkeligt bliver et område med høj modstand, hvorpå varme frigives, hvilket forårsager sekventiel opvarmning af nabolandet regioner, det vil sige en lavine-lignende udgang fra superledende tilstand af hele lederen.

De normale (og superledende) tilstande viser mange fælles træk mellem forskellige kupratsammensætninger; mange af disse egenskaber kan ikke forklares inden for BCS-teorien . En veludformet teori om superledning i oxid-HTSC'er eksisterer ikke i øjeblikket; problemet har imidlertid ført til en række interessante eksperimentelle og teoretiske resultater.

Hovedformålet med forskning på området er højtemperatur-superledere - materialer, der fungerer i det mindste ved temperaturer, der er udbredt på Jorden (ca. -30 ° C), og højst ved stuetemperatur. Deres skabelse ville føre til en revolution inden for energi og elektronik, hvor tab på grund af ledermodstand er et betydeligt problem.

Tvillingstrukturen og den reversible plasticitet af højtemperatursuperledere påvirker deres superledende egenskaber væsentligt [10] .

Intermetallics

I 2001 blev en legering Mg B 2 ( magnesiumdiborid ) opdaget med en rekordtemperatur for overgangen til den superledende tilstand for intermetalliske forbindelser T c = 40 K. Krystalstrukturen af ​​dette stof er et vekslende lag af bor og lag af magnesium . Lagdeling fører til anisotropi af fysiske egenskaber, det vil sige værdierne af elektrisk ledningsevne, optisk absorptionsspektrum, styrke osv. er forskellige i lagenes plan og i retningen vinkelret på lagene. Denne to-zone forbindelse blev den første superleder kendt af videnskaben for at have to superledende huller på én gang (to-gap superledning), som blev teoretisk forudsagt og eksperimentelt bekræftet. I hullets kvasi-todimensionelle zoner af bor (σ-zoner) dannes der ved overgangen til den superledende tilstand et mellemrum Δ σ i spektret af kvasipartikler (et bånd af forbudte energier for enkelte elektroner og huller) med værdier (10-11) meV ved maksimum Tc . I de tredimensionelle zoner af magnesium (π-zoner) dannes også et superledende mellemrum Δ π med en amplitude på ca. (1,5 - 3) meV. Således eksisterer to superledende kondensater side om side i superledende Mg B 2 : et isotropt tredimensionelt (fra magnesium π-bånd) og et todimensionalt hul (lokaliseret i borlag).

Indførelsen af ​​urenheder af andre atomer i Mg B 2 , det vil sige doping , fører til et fald i den kritiske overgangstemperatur T med . Tilsyneladende har denne forbindelse karakteristika, der er optimeret til superledning af naturen og er ikke modtagelig for kunstig "forbedring". Når T c sænkes fra 40 K til 10 K, ændres værdien af ​​det lille hul Δ π en smule, og værdien af ​​det store hul Δ σ falder sammen med den kritiske temperatur, bemærker forsøgslederne en lineær sammenhæng mellem T c og Δ σ . Det karakteristiske forhold mellem BCS-teorien 2Δ σ /k B T s , ifølge estimater fra førende russiske eksperimenter, er i området 5-7, hvilket indikerer en stærk elektron-fonon-interaktion i borlag og bringer Mg B 2 tættere på at cuprate HTSC'er.

Interessen for praktiske anvendelser af magnesiumdiborid skyldes muligheden for at bruge denne superleder, når den afkøles med flydende brint i stedet for dyrt flydende helium . Udviklingen af ​​teknologier til syntese af magnesiumdiborid gjorde det muligt at skabe den første superledende MRI baseret på Mg B 2 i 2006.

Jernbaserede superledere

I 2008 blev en ny klasse af superledende forbindelser med høje kritiske temperaturer T c opdaget [11] [12]  - lagdelte forbindelser baseret på jern og gruppe V-elementer ( pnictider ) eller Se , de såkaldte ferropnictider eller jernselenider . Den superledende tilstand blev først opdaget i forbindelser indeholdende Fe -atomer . Krystalstrukturen af ​​alle jernholdige superledere (6 familier kendes allerede) består af vekslende lag, hvori jernatomer er omgivet af et tetraeder af As- eller Se -atomer . I øjeblikket er rekordholderen for værdien af ​​T c forbindelsen GdOFeAs (Gd-1111), doteret med fluor, som erstatter oxygen. Dens Tc når 55 K.

Alle jernholdige superledere har en multizonestruktur og er quasi-todimensionelle (de udviser anisotropi af egenskaber i retningen på tværs af planerne). Ved overgang til den superledende tilstand åbner hvert bånd sit eget hul i kvasipartikelspektret, hvilket fører til fremkomsten af ​​mindst to superledende kondensater og multigap-superledning, svarende til tilfældet med Mg B 2 ( magnesiumdiborid ). Det karakteristiske forhold mellem BCS-teorien 2Δ large /k B T s er ifølge russiske forsøgsledere i området 4,6 - 6.

Organiske superledere

I slutningen af ​​1960'erne og begyndelsen af ​​1970'erne var der store forhåbninger om syntesen af ​​organiske ladningsoverførselskomplekser (CTC'er), såsom en : TCNQ -TTF ( tetracyanoquinodimethan - tetrathiafulvalene ) komplekser. På trods af syntesen af ​​en række lovende forbindelser viste det sig imidlertid, at superledning i disse komplekser er ustabil selv ved lave strømtætheder[ hvor meget? ] .

Se også

Noter

  1. ↑ José A. Flores-Livas, Lilia Boeri, Antonio Sanna, Gianni Profeta, Ryotaro Arita. Et perspektiv på konventionelle højtemperatursuperledere ved højt tryk: Metoder og materialer  //  Fysikrapporter. – 2020-04. — Bd. 856 . — S. 1–78 . - doi : 10.1016/j.physrep.2020.02.003 . Arkiveret 3. maj 2020.
  2. ↑ 1 2 Korzhimanov, A. Resultater af 2019 i fysik // Elementer. - 2020. - 12. februar. — [ Video på YouTube starter ved 42:10 42:10-59:10].
  3. ↑ Bi, Tiange. Søgen efter superledning i højtrykshydrider ]  / Tiange Bi, Niloofar Zarifi, Tyson Terpstra … [ et al. ] // Referencemodul i kemi, molekylærvidenskab og kemiteknik, Elsevier. - 2019. - Feb. — [Fortryk offentliggjort 1. juni 2018]. — ISBN 9780124095472 . - arXiv : 1806.00163 . - doi : 10.1016/B978-0-12-409547-2.11435-0 .
  4. ↑ Somayazulu, Maddury. Bevis for superledningsevne over 260 K i lanthansuperhydrid ved megabar-tryk: [ eng. ]  / Maddury Somayazulu, Muhtar Ahart, Ajay K. Mishra … [ et al. ] // Physical Review Letters. - 2019. - Bd. 122, nr. 2 (14. januar). — Art. 027001. - doi : 10.1103/PhysRevLett.122.027001 .
  5. ↑ 1 2 Struzhkin, Viktor. Superledning i La- og Y-hydrider: Resterende spørgsmål til eksperimenter og teori: [ eng. ]  / Viktor Struzhkin, Bing Li, Cheng Ji … [ et al. ] // Stof og stråling ved ekstremer. - 2020. - Bd. 5, nr. 2. - doi : 10.1063/1.5128736 .
  6. ↑ A.P. Drozdov, M.I. Eremets, I.A. Troyan, V. Ksenofontov, S.I. Shilin. Konventionel superledning ved 203 kelvin ved høje tryk i svovlhydridsystemet  // Natur. - 2015. - T. 525 . - S. 73-76 . — ISSN 1476-4687 . Arkiveret fra originalen den 23. oktober 2021.
  7. ↑ Maddury Somayazulu, Muhtar Ahart, Ajay K. Mishra, Zachary M. Geballe, Maria Baldini. Bevis for superledningsevne over 260 K i lanthansuperhydrid ved megabar-tryk  // arXiv:1808.07695 [cond-mat]. — 2018-08-23. Arkiveret fra originalen den 18. september 2018.
  8. ↑ Superledning ved stuetemperatur: den sovjetiske videnskabs hævn Arkivkopi af 27. april 2019 på Wayback Machine // RIA Novosti , 23. april 2019
  9. ↑ https://arxiv.org . Hentet 16. november 2018. Arkiveret fra originalen 16. november 2018.
  10. ↑ Boyko, 1991 , s. 238, 244.
  11. ↑ Fandt en ny familie af superledere indeholdende jern (31.10.08). Hentet 3. november 2011. Arkiveret fra originalen 17. februar 2012.
  12. ↑ Alaska Subedi, Lijun Zhang, David J. Singh, Mao-Hua Du. Tæthedsfunktionel undersøgelse af FeS, FeSe og FeTe: Elektronisk struktur, magnetisme, fononer og  superledning . - 2008. - doi : 10.1103/PhysRevB.78.134514 .

Links

Litteratur