Niekonwencjonalny nadprzewodnik

Nadprzewodniki niekonwencjonalne to materiały, które wykazują nadprzewodnictwo , które nie jest zgodne ani z konwencjonalną teorią BCS , ani z teorią Nikołaja Bogolubowa lub jej rozszerzeniami.

Historia

Nadprzewodzące właściwości CeCu ₂ Si ₂ , typu ciężkiego fermionu , zostały opisane w 1979 roku przez Franka Steglicha . Przez długi czas uważano, że CeCu ₂ Si ₂ jest singletowym nadprzewodnikiem fali d, ale od połowy 2010 roku pogląd ten jest mocno kwestionowany. Na początku lat osiemdziesiątych odkryto znacznie więcej niekonwencjonalnych, ciężkich nadprzewodników fermionowych , w tym UBe ₁₃ , UPt ₃ i URu ₂ Si ₂ . W każdym z tych materiałów anizotropowy charakter parowania był związany z zależnością potęgową jądrowego rezonansu magnetycznego (NMR) i pojemności cieplnej właściwej od temperatury. Obecność węzłów w szczelinie nadprzewodzącej UPt ₃ została potwierdzona w 1986 r. na podstawie polaryzacyjnej zależności tłumienia ultradźwięków.

Pierwszy niekonwencjonalny nadprzewodnik trypletowy, materiał organiczny (TMTSF) ₂ PF ₆ , został odkryty przez Denisa Jerome'a, Klausa Bechgaarda i współpracowników w 1980 roku. zdecydowanie potwierdzili niekonwencjonalny charakter parowania nadprzewodników w (TMTSF) ₂ X (X=PF ₆ , ClO ₄ , itd.) materiałach organicznych.

Wysokotemperaturowe singletowe nadprzewodnictwo d-wave zostało odkryte przez JG Bednorza i KA Müllera w 1986 roku, którzy odkryli również, że materiał perowskitu miedzianowego na bazie lantanu LaBaCuO ₄ rozwija nadprzewodnictwo w temperaturze krytycznej ( T _c ) około 35 K (-238 stopni Celsjusza ). Było to znacznie powyżej najwyższej znanej wówczas temperatury krytycznej ( T _c = 23 K), dlatego nowa rodzina materiałów została nazwana nadprzewodniki wysokotemperaturowe . Bednorz i Müller otrzymali nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1987 roku. Od tego czasu zsyntetyzowano wiele innych nadprzewodników wysokotemperaturowych .

LSCO (La _{2− x} Sr _x CuO ₄ ) została odkryta w tym samym roku (1986). Wkrótce potem, w styczniu 1987 r., tlenek itrowo-barowo-miedziowy (YBCO) ma Tc 90 K, pierwszy materiał _, który osiągnął nadprzewodnictwo powyżej temperatury wrzenia ciekłego azotu (77 K). Było to bardzo istotne z punktu widzenia technologicznych zastosowań nadprzewodnictwa ze względu na znacznie niższą cenę ciekłego azotu niż ciekłego helu , który jest potrzebny do ochłodzenia konwencjonalne nadprzewodniki do temperatury krytycznej. W 1988 r. odkryto tlenek bizmutu, strontu, wapnia i miedzi (BSCCO) o Tc do 107 K oraz _tlenek baru i miedzi z talem (TBCCO) (T=tal) o Tc 125 _K. Obecna rekordowa temperatura krytyczna wynosi _około Tc = 133 K (-140 ° C) przy standardowym ciśnieniu, a nieco wyższe temperatury krytyczne można osiągnąć przy wysokim ciśnieniu. Niemniej jednak obecnie uważa się za mało prawdopodobne, aby materiały miedzianowo-perowskitowe osiągnęły nadprzewodnictwo w temperaturze pokojowej.

Z drugiej strony odkryto inne niekonwencjonalne nadprzewodniki. Należą do nich takie, które nie przewodzą nadprzewodnictwa w wysokich temperaturach, takie jak rutenian strontu Sr ₂ RuO ₄ , ale które, podobnie jak nadprzewodniki wysokotemperaturowe, są niekonwencjonalne pod innymi względami. (Na przykład pochodzenie siły przyciągania prowadzącej do tworzenia się par Coopera może być inne niż postulowane w teorii BCS ). Ponadto nadprzewodniki, które mają niezwykle wysokie wartości T _c ale to nie są miedzianowe perowskity. Niektóre z nich mogą być skrajnymi przykładami konwencjonalnych nadprzewodników (podejrzewa się o to dwuborek magnezu MgB ₂ , o T _c = 39 K). Inne mogą wyświetlać bardziej niekonwencjonalne funkcje.

odkryto nową klasę, która nie obejmuje miedzi (warstwowe nadprzewodniki oksypniktydowe ), na przykład LaOFeAs. Wydaje się , że oksypniktyd samaru miał Tc około 43 K, czyli wyższą niż przewidywała teoria BCS _. Testy do 45 T sugerowały, że górne pole krytyczne LaFeAsO _0,89 F _0,11 wynosi około 64 T. Niektóre inne nadprzewodniki na bazie żelaza nie zawierają tlenu.

Od 2009 r. Nadprzewodnikiem o najwyższej temperaturze (przy ciśnieniu otoczenia) jest tlenek rtęci, baru, wapnia, miedzi (HgBa ₂ Ca ₂ Cu ₃ O _x ), w temperaturze 138 K i jest utrzymywany przez materiał miedziano-perowskitowy, prawdopodobnie 164 K pod wysokim ciśnieniem .

Znaleziono również inne niekonwencjonalne nadprzewodniki, które nie są oparte na strukturze miedzianowej. Niektóre z nich mają niezwykle wysokie wartości temperatury krytycznej Tc i dlatego czasami nazywane _są również nadprzewodnikami wysokotemperaturowymi.

Grafen

W 2017 roku eksperymenty skaningowej mikroskopii tunelowej i spektroskopii na grafenie zbliżonym do domieszkowanego elektronami (niechiralnego) nadprzewodnika d -wave Pr _{2− x} Ce _x CuO ₄ (PCCO) ujawniły dowody na niekonwencjonalną gęstość stanów nadprzewodzących indukowanych w grafenie. Publikacje z marca 2018 roku dostarczyły dowodów na niekonwencjonalne właściwości nadprzewodzące dwuwarstwy grafenu , w której jedna warstwa została przesunięta o „magiczny kąt” 1,1 ° względem drugiej.

Trwają badania

Po ponad dwudziestu latach intensywnych badań, pochodzenie nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego wciąż nie jest jasne, będąc jednym z głównych nierozwiązanych problemów teoretycznej fizyki materii skondensowanej . Wydaje się jednak, że zamiast elektron-fonon , jak w konwencjonalnym nadprzewodnictwie , zachodzą prawdziwe mechanizmy elektroniczne (np. poprzez korelacje antyferromagnetyczne). Ponadto, zamiast parowania fal s, fale d są znaczne.

Jednym z celów wielu badań jest nadprzewodnictwo w temperaturze pokojowej .

Pomimo intensywnych badań i wielu obiecujących tropów, jak dotąd naukowcom nie udało się znaleźć wyjaśnienia. Jednym z powodów jest to, że omawiane materiały są na ogół bardzo złożonymi, wielowarstwowymi kryształami (na przykład BSCCO ), co utrudnia modelowanie teoretyczne.

Możliwe mechanizmy

Najbardziej kontrowersyjnym tematem w fizyce materii skondensowanej był mechanizm nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego ₍ HTS ). Były dwie reprezentatywne teorie na temat HTS: (Zobacz także Rezonansowa teoria wiązań walencyjnych )

Teoria słabego sprzężenia

Po pierwsze, zasugerowano, że HTS powstaje w wyniku fluktuacji spinu antyferromagnetycznego w układzie domieszkowanym. Zgodnie z tą teorią słabego sprzężenia, funkcja falowa parowania HTS powinna mieć d _{x ² − y ²} . Zatem to, czy symetria funkcji falowej parowania jest d , czy nie, jest niezbędne do wykazania mechanizmu HTS w odniesieniu do fluktuacji spinu. To znaczy, jeśli parametr porządku HTS (funkcja fali parowania) nie ma d symetrii, wówczas można wykluczyć mechanizm parowania związany z fluktuacją spinu. Eksperyment tunelowy (patrz poniżej) wydaje się wykrywać symetrię d w niektórych HTS.

Model sprzężenia międzywarstwowego

Po drugie, istnieje model sprzężenia międzywarstwowego, zgodnie z którym struktura warstwowa składająca się z nadprzewodnika typu BCS (o symetrii s) może sama wzmacniać nadprzewodnictwo. Wprowadzając dodatkową interakcję tunelowania między każdą warstwą, model ten z powodzeniem wyjaśnił anizotropową symetrię parametru porządku w HTS, a także pojawienie się HTS.

Aby rozwiązać ten nierozstrzygnięty problem, przeprowadzono liczne eksperymenty, takie jak spektroskopia fotoelektronów, NMR, pomiar ciepła właściwego itp. Niestety, wyniki były niejednoznaczne, gdzie niektóre raporty potwierdzały symetrię d dla HTS, a inne potwierdzały symetrię s. Ta niejasna sytuacja prawdopodobnie wynikała z pośredniego charakteru dowodów eksperymentalnych, a także problemów eksperymentalnych, takich jak jakość próbki, rozpraszanie zanieczyszczeń, bliźniacze itp.

superwymiana

Obiecujące wyniki eksperymentalne różnych badaczy we wrześniu 2022 r., w tym Weijiong Chen, JC Séamus Davis i H. Eisiaki, ujawniły, że nadprzewodnictwo elektronów jest prawdopodobnie najbardziej prawdopodobną przyczyną nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego.

Wcześniejsze badania nad symetrią parametru rzędu HTS

Symetrię parametru rzędu HTS badano w pomiarach magnetycznego rezonansu jądrowego , a ostatnio za pomocą fotoemisji z rozdzielczością kątową i pomiarów głębokości penetracji mikrofal w krysztale HTS. Pomiary NMR badają lokalne pole magnetyczne wokół atomu, a tym samym odzwierciedlają podatność materiału. Były one szczególnie interesujące dla materiałów HTS, ponieważ wielu badaczy zastanawiało się, czy korelacje spinowe mogą odgrywać rolę w mechanizmie HTS.

Pomiary NMR częstotliwości rezonansowej YBCO wykazały, że elektrony w nadprzewodnikach z tlenku miedzi są sparowane w stanach spinowo-singletowych . Ta wskazówka wynikała z zachowania zmiany rycerza , przesunięcie częstotliwości, które występuje, gdy pole wewnętrzne różni się od pola przyłożonego: w zwykłym metalu momenty magnetyczne elektronów przewodzących w sąsiedztwie badanego jonu są wyrównane z polem przyłożonym i tworzą większe pole wewnętrzne. Gdy metale te stają się nadprzewodnikami, elektrony o przeciwnych spinach łączą się, tworząc stany singletowe. W anizotropowym HTS być może pomiary NMR wykazały, że szybkość relaksacji miedzi zależy od kierunku przyłożonego statycznego pola magnetycznego, przy czym szybkość jest większa, gdy pole statyczne jest równoległe do jednej z osi w płaszczyźnie tlenku miedzi. Podczas gdy ta obserwacja niektórych grup potwierdziła symetrię d HTS, inne grupy nie mogły tego zaobserwować.

Ponadto, mierząc głębokość penetracji , można zbadać symetrię parametru rzędu HTS. Głębokość wnikania mikrofal jest określana przez gęstość nadciekłą odpowiedzialną za ekranowanie pola zewnętrznego. W teorii BCS fali s, ponieważ pary mogą być wzbudzane termicznie przez szczelinę Δ, zmiana gęstości cieczy nadciekłej na jednostkę zmiany temperatury przebiega wykładniczo, exp(-Δ/ k B _T ) . W takim przypadku głębokość penetracji również zmienia się wykładniczo wraz z temperaturą T . Jeśli w przerwie energetycznej znajdują się węzły, jak w d symetrii HTS, para elektronów może być łatwiej rozerwana, gęstość cieczy nadciekłej powinna mieć większą zależność od temperatury, a głębokość penetracji ma wzrosnąć jako potęga T w niskich temperaturach. Jeśli symetria jest szczególnie d _{x ² - y ²} , wówczas głębokość penetracji powinna zmieniać się liniowo wraz z T w niskich temperaturach. Ta technika jest coraz częściej wykorzystywana do badania nadprzewodników, a jej zastosowanie jest ograniczone w dużej mierze przez jakość dostępnych monokryształów.

Spektroskopia fotoemisyjna może również dostarczyć informacji na temat symetrii HTS. Rozpraszając fotony na elektronach w krysztale, można pobrać próbki widm energii elektronów. Ponieważ technika ta jest wrażliwa na kąt emitowanych elektronów, można wyznaczyć widmo dla różnych wektorów falowych na powierzchni Fermiego. Jednak w rozdzielczości kątowej spektroskopii fotoemisyjnej (ARPES) badacze nie byli w stanie stwierdzić, czy różnica spada do zera, czy po prostu staje się bardzo mała. Ponadto ARPES są wrażliwe tylko na wielkość, a nie na znak luki, więc nie można stwierdzić, czy luka w pewnym momencie stanie się ujemna. Oznacza to, że ARPES nie może określić, czy parametr rzędu HTS ma d , czy nie.

Eksperyment ze złączem wspierający symetrię fali d

Istniał sprytny projekt eksperymentalny, aby przezwyciężyć błotnistą sytuację. Eksperyment oparty na tunelowaniu par i kwantyzacji strumienia w pierścieniu trójziarnistym YBa ₂ Cu ₃ O ₇ (YBCO) miał na celu przetestowanie symetrii parametru porządku w YBCO. Taki pierścień składa się z trzech kryształów YBCO o określonych orientacjach zgodnych z symetrią parowania fali d, aby spowodować spontanicznie wygenerowany półcałkowity wir kwantowy w punkcie spotkania trikryształów. Ponadto w tym eksperymencie trójkrystalicznym wzięto pod uwagę możliwość, że interfejsy połączeń mogą znajdować się w czystym limicie (bez defektów) lub z maksymalnym zaburzeniem zygzakowatym. Propozycję badania wirów z kwantami połowy strumienia magnetycznego w nadprzewodnikach ciężkich fermionów w trzech konfiguracjach polikrystalicznych zgłosili w 1987 r. VB Geshkenbein, A. Larkin i A. Barone w 1987 r.

W pierwszym eksperymencie z symetrią parowania trójkrystalicznego w YBCO wyraźnie zaobserwowano spontaniczne namagnesowanie kwantowego strumienia półstrumienia, co w przekonujący sposób potwierdziło symetrię fali d parametru rzędu w YBCO. Ponieważ YBCO jest rombowy , może z natury mieć domieszkę symetrii fali s. Tak więc, poprzez dalsze dostrajanie ich techniki, stwierdzono, że w YBCO występowała domieszka symetrii fali s w granicach około 3%. Wykazali to również Tsuei, Kirtley i in. że istnieje czysta d _{x ² - y ²} w tetragonalny Tl2Ba2CuO6 . _{_} _ _{_} _ _{_}