Nadprzewodnik miedzianowy

Nadprzewodniki miedzianowe to rodzina wysokotemperaturowych materiałów nadprzewodzących zbudowanych z warstw tlenków miedzi (CuO 2 ) naprzemiennie z warstwami innych tlenków metali, które działają jako zbiorniki ładunku. Przy ciśnieniu otoczenia nadprzewodniki miedzianowe są znanymi nadprzewodnikami o najwyższej temperaturze. Jednak mechanizm powstawania nadprzewodnictwa nadal nie jest poznany .

Historia

Oś czasu nadprzewodników. Miedziany są wyświetlane jako niebieskie diamenty, diborek magnezu i inne nadprzewodniki BCS są wyświetlane jako zielone kółka, a nadprzewodniki na bazie żelaza jako żółte kwadraty. Miedziany są obecnie nadprzewodnikami o najwyższej temperaturze, które nadają się do drutów i magnesów.

Pierwszy nadprzewodnik miedzianowy został znaleziony w 1986 roku w niestechiometrycznym miedzianowym lantanowym tlenku miedziowo-barowym przez badaczy IBM, Georga Bednorza i Karla Alexa Müllera . Temperatura krytyczna dla tego materiału wynosiła 35 K, znacznie powyżej poprzedniego rekordu 23 K. Odkrycie to doprowadziło do gwałtownego wzrostu badań nad miedzianami, co zaowocowało tysiącami publikacji w latach 1986-2001. Bednorz i Müller otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie Fizyka w 1987 roku, zaledwie rok po ich odkryciu.

Od 1986 roku zidentyfikowano wiele nadprzewodników miedzianowych, które można podzielić na trzy grupy na diagramie fazowym temperatura krytyczna w funkcji zawartości dziur tlenowych i zawartości dziur miedzianych:

Struktura

Komórka elementarna wysokotemperaturowego nadprzewodnika miedzianowego BSCCO-2212

Miedziany to materiały warstwowe, składające się z nadprzewodzących płaszczyzn tlenku miedzi , oddzielonych warstwami zawierającymi jony, takie jak lantan , bar , stront , które działają jako rezerwuar ładunku, domieszkując elektrony lub dziury do płaszczyzn tlenku miedzi. Tak więc struktura jest opisana jako supersieć nadprzewodzących warstw CuO 2 oddzielonych warstwami dystansowymi, co skutkuje strukturą często blisko związaną ze strukturą perowskitu . Nadprzewodnictwo występuje w warstwach tlenku miedzi (CuO 2 ), przy słabym sprzężeniu między sąsiednimi płaszczyznami CuO 2 , co zbliża właściwości materiału dwuwymiarowego. Prądy elektryczne płyną w warstwach CuO 2 , co powoduje dużą anizotropię we właściwościach normalnego przewodzenia i nadprzewodnictwa, przy znacznie wyższym przewodnictwie równoległym do płaszczyzny CuO 2 niż w kierunku prostopadłym.

Krytyczne temperatury nadprzewodnictwa zależą od składu chemicznego, podstawień kationów i zawartości tlenu. Wzory chemiczne materiałów nadprzewodzących na ogół zawierają liczby ułamkowe opisujące domieszkowanie wymagane dla nadprzewodnictwa. Istnieje kilka rodzin nadprzewodników miedzianowych, które można podzielić na kategorie według zawartych w nich pierwiastków i liczby sąsiednich warstw tlenku miedzi w każdym bloku nadprzewodzącym. Na przykład YBCO i BSCCO mogą być alternatywnie określane jako Y123 i Bi2201/Bi2212/Bi2223 w zależności od liczby warstw w każdym bloku nadprzewodzącym ( n ). Stwierdzono, że temperatura przejścia w stan nadprzewodzący osiąga szczyt przy optymalnej wartości domieszkowania ( p = 0,16) i optymalnej liczbie warstw w każdym bloku nadprzewodzącym, zwykle n = 3.

Niedomieszkowanymi „macierzystymi” lub „macierzystymi” związkami są izolatory Motta z uporządkowaniem antyferromagnetycznym dalekiego zasięgu w wystarczająco niskich temperaturach. Powszechnie uważa się , że modele jednopasmowe są wystarczające do opisu właściwości elektronicznych.

Nadprzewodniki miedzianowe zwykle zawierają tlenki miedzi na obu stopniach utlenienia 3+ i 2+. Na przykład YBa 2 Cu 3 O 7 jest opisane jako Y 3+ (Ba 2+ ) 2 (Cu 3+ )(Cu 2+ ) 2 (O 2− ) 7 . Jony miedzi 2+ i 3+ mają tendencję do układania się w szachownicę, co jest zjawiskiem znanym jako uporządkowanie ładunku . Wszystkie miedziany nadprzewodzące są materiałami warstwowymi o złożonej strukturze opisanej jako supersieć nadprzewodzących warstw CuO 2 oddzielonych warstwami dystansowymi, gdzie niedopasowane naprężenia między różnymi warstwami i domieszki w przekładkach indukują złożoną heterogeniczność, która w scenariuszu z superpaskami jest nieodłączna dla wysokoprzewodzących nadprzewodnictwo temperaturowe.

Mechanizm nadprzewodzący

Schematyczny diagram fazowy domieszkowania miedzianowych nadprzewodników wysokotemperaturowych

Nadprzewodnictwo w miedzianach jest uważane za niekonwencjonalne i nie jest wyjaśnione teorią BCS . Możliwe mechanizmy parowania nadprzewodnictwa miedzianowego nadal są przedmiotem poważnej debaty i dalszych badań. Podobieństwa między niskotemperaturowym antyferromagnetycznym w materiałach niedomieszkowanych a niskotemperaturowym stanem nadprzewodzącym, który pojawia się po domieszkowaniu, głównie stanem orbitalnym d x 2 -y 2 jonów Cu 2+ , sugerują, że sprzężenie elektron-fonon ma mniejsze znaczenie w miedziany. Niedawne prace na powierzchni Fermiego wykazały, że zagnieżdżanie zachodzi w czterech punktach w antyferromagnetycznej strefie Brillouina , gdzie występują fale spinowe, oraz że przerwa energetyczna nadprzewodnictwa jest w tych punktach większa. Słabe izotopowe obserwowane dla większości miedzianów kontrastują z konwencjonalnymi nadprzewodnikami, które są dobrze opisane przez teorię BCS.

W 1987 roku Philip Anderson zaproponował, że superwymiana może działać jako mechanizm parowania nadprzewodników w wysokiej temperaturze. W 2016 roku chińscy fizycy odkryli korelację między krytyczną temperaturą miedzianu a wielkością przerwy w przenoszeniu ładunku w tym miedzianie, co potwierdza hipotezę superwymiany. Badanie z 2022 roku wykazało, że zmienna gęstość rzeczywistych par Coopera w bizmutowo-strontowo-wapniowo-miedziowym była zgodna z przewidywaniami numerycznymi opartymi na superwymianie.

Aplikacje

BSCCO mają już zastosowania na dużą skalę. Na przykład dziesiątki kilometrów drutów nadprzewodzących BSCCO-2223 przy 77 K jest używanych w przewodach prądowych Wielkiego Zderzacza Hadronów w CERN . (ale cewki głównego pola wykorzystują metaliczne nadprzewodniki o niższej temperaturze, głównie na bazie niobu i cyny ).

Zobacz też

Bibliografia

  • Rybicki et al, Perspective on the phase diagram of cuprate high-tempature superconductors , Uniwersytet w Lipsku, 2015 doi : 10.1038/ncomms11413
Pobrane z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Cuprate_superconductor&oldid=1140157958 ”