Superledningsevne av den 1.5. typen: verken to eller en og en halv • Yuri Yerin • Vitenskapsnyheter om "Elements" • Fysikk

1,5-st superledningsevne: verken to eller en og en halv

Fig. 1. Fasediagrammet for superleders tilstand av 1. og 2. klasse, som viser hvordan tilstandene til superlederen endres med en temperaturendring og induksjon av et eksternt magnetfelt. I Meissner-staten kan magnetfeltlinjer ikke trenge inn i stoffet. Den blandede eller vortex-tilstanden betyr sameksistens av superledningsevne og normale ikke-superledende tynne filamenter som strekkes langs magnetfeltlinjer. Slike tråder kalles Abrikosov-vorter, eller kvantevorter (se detaljene i teksten). Figur Yuri Erin

Avhengig av oppførelsen i et eksternt magnetfelt, er superledere vanligvis delt inn i 1. og 2. klasse. Oppdagelsen i 2001 av "uvanlig" supraledning i magnesiumdiborid førte til en diskusjon: Hvilken type skal denne superlederen tildeles? Noen forskere mener at magnesiumdiborid ikke passer inn i den allment aksepterte klassifiseringen, men danner en helt ny kategori – 1,5 type superledere, som absorberte noen egenskaper fra type 1 superledere og noen fra type 2. Andre forskere er ikke enige med denne tolkningen, og hevder at "uvanlige" superledere passer godt innenfor rammen av den eksisterende delen i 1. og 2. slekt.Denne sommeren har historien med en og en halv superledningsevne blitt videreført.

Denne nyheten er – en logisk videreføring av de to foregående (se:. Eksperimentelt bekreftet eksistensen av superledning en og en halv rase, "Elements", 12.03.2009 og eksperimentell bekreftelse av en og en halv slags superledning er forsinket, "Elements", 10.06.2010) på den mulige eksistensen av en såkalt superledning 1, 5. klasse. Husk innholdet på kort tid.

Hovedegenskapene til superledende tilstand og metoder for dens matematiske beskrivelse

1. Kritisk temperatur (Tc). Superledningsevne – tilstanden til et stoff der det har null elektrisk motstand og samtidig ikke tillater et eksternt magnetfelt gjennom seg selv – oppstår når temperaturen til et stoff blir under en viss verdi Tc. Den kritiske temperaturen er en av de viktigste egenskapene til en hvilken som helst superleder.

2. Ideell diamagnetisme (også Meissner-Oxenfeld-effekten, Meissner-tilstanden, Meissner-fasen) – skyver ut et eksternt magnetfelt når det går i en superledende tilstand (en superleder tillater ikke magnetiske linjer å trenge inn i seg selv).Ideell diamagnetisme oppstår på grunn av det faktum at et eksternt magnetfelt genererer superledende (Meissner) strømmer i et meget tynt overflatelag av et stoff som skaper et magnetfelt av motsatt retning og samme kraft.

3. London penetreringsdybde (λ) – dybden av laget, som ble okkupert av Meissner strømmer.

4. Sammenhengslengde (ξ). I midten av 1950-tallet viste amerikanske fysikere Neil Cooper, John Bardeen og John Schrieffer at superledningsevne skyldes korrelasjoner mellom ledningselektroner (elektroner kombineres til såkalte Cooper-par). På grunn av dette oppfører alle ledningselektronene seg som en helhet, og derfor kan de bevege seg uten en dissipativ (uten energitap) gjennom stoffets krystallgitter. I denne teorien om superledningsevne (BCS-teori) kalles omfanget av elektronkorrelasjoner, eller (grovt sett) størrelsen på et Cooper-par, koherenslengden.

5. Energihull (Δ). Uten å gå inn i detaljer, merker vi bare at størrelsen på bindingsenergien til to elektroner i et Cooper-par er 2A.

Teori og eksperiment viser at London-penetrasjonsdybden (λ),Sammenhengslengden (ξ) og energikløpet (Δ) er ikke konstanter, men avhenger av temperatur og har verdier som er helt individuelle for et gitt materiale. Verdiene av λ og ξ har en minimumsverdi for T = 0 og monotont øke med økende temperatur, tendens til uendelig på T = Tc (dette forklares av det faktum at det ikke er noen Cooper-par over kritisk temperatur, og magnetfeltet trer inn i stoffet uhindret). Energikløpet (Δ), derimot, har et maksimum på T = 0 og blir null på T = Tc (som kan tolkes som fraværet av eventuelle sammenhenger mellom elektroner).

BCS-teorien gir en uttømmende beskrivelse av materialets superledende egenskaper i hele temperaturområdet fra 0 til Tcmen er vanskelig ut fra et matematisk synspunkt. Derfor, ofte fysikere ty til en annen, relativt enklere metode for å analysere superledende staten – Ginzburg-Landau-teorien, som perfekt beskriver, kvalitativt og kvantitativt oppførselen til en superleder, men arbeider kun i et begrenset intervall nær kritisk temperatur.

Ginzburg-Landau-teorien er basert på teorien om faseoverganger av den andre typen (disse inkluderer overgangen av materie til superledende staten). I denne teorien, sammen med den kritiske temperaturen, koherenslengden og London-penetrasjonsdybden, innføres en ekstra karakteristikk, – ordreparameter (kompleks verdi). Opp til en viss proporsjonalitetskoeffisient kan vi anta at modulen til ordreparameteren er et energigap i BCS-teorien. Ordreparameteren er null når T = Tc og over og tar maksimal verdi når temperaturen har nådd absolutt null. Merk at det er en annen tolkning av ordningsparameterens fysiske betydning: torget i modulen bestemmer konsentrasjonen av Cooper-par.

Ordreparameteren spiller en nøkkelrolle i Ginzburg-Landau-teorien. Gjennom det uttrykkes energien (når det gjelder termodynamikk, er den frie energien mer korrekt å si) av superlederen.

Første og andre type superledningsevne

Til tross for at Ginzburg-Landau-teorien er fenomenologisk, forklarer den ikke årsakene til fenomenet som det beskriver, med hjelpen ble det oppnådd en rekke viktige resultater.Ved å bruke denne teorien, beregner forfatterne energiforskjellen (den såkalte overflatenergien) som oppstår ved grensesnittet mellom superlederen og det vanlige metallet i nærvær av et eksternt magnetfelt. Det viste seg at resultatet avhenger av en dimensjonsløs mengde, kalt Ginzburg-Landau parameter (K): K = λ / ξ (forholdet mellom London-penetrasjonsdybden og koherenslengden). Det følger av beregningene at ved k <1 / √2 er overflatenergien positiv. For en superleder med sylindrisk form, hvis aksel er parallell med magnetfeltlinjene, betydde dette resultatet at overgangen til normal tilstand skjer øyeblikkelig så snart induksjonen av magnetfeltet overstiger en viss kritisk verdi Bc for en gitt temperatur (figur 1). I prinsippet fikk Ginzburg og Landau ikke noe, de kun teoretisk bekreftet det eksperimentelle faktum av adferd fra superledere som allerede var godt kjent på den tiden. Det viste seg imidlertid mer interessant.

Den sovjetiske fysikeren Nikolai Zavaritsky, som undersøkte tynne superledende filmer, fant at deres oppførsel i et magnetfelt ikke stemmer overens med spådommene fra Ginzburg-Landau-teorien.For å forstå årsaken til uoverensstemmelsen bestemte Alexey Abrikosov, basert på Ginzburg-Landau-teorien, å vurdere saken når overflatenergien er negativ – med andre ord, prøv å forstå bildet av oppførselen til en superleder i et magnetfelt med κ> 1 / √2.

Og her fant vi en fantastisk en. Fra beregningene fulgte det det mens magnetisk induksjon ikke overskrider en viss grense Bc1 (lavere kritisk felt) ved en fast temperatur, er superlederen i Meissner-tilstanden. Etter at magnetisk induksjon er blitt mer Bc1, begynner superlederen å trenge inn i de originale mikronstørrelsesfilamenter, forlenget langs det ytre feltets kraft. Jo større feltinduksjonen, jo flere tråder vil være i superlederen. Abrikosov oppdaget at disse formasjonene er hvirvler (nå kalles de Abrikosov), hvis kjerne er ikke superledende, normal, med en størrelse på rekkefølgen av koherenslengden ξ, og sirkulerende superledende strømmer flyter rundt dem som skjermer det normale området av virvelkroppen (bredden av skjermområdet er lik London-dybden penetrasjon λ).I tillegg ble det i beregningene funnet at vorterene bragte som det var en enkelt kraftlinje i et eksternt magnetfelt, eller kvant av magnetisk flux, en fluxoid Φ0 = h / 2e = 2,07 · 10-15 T · m2. Vortices danner et trekantet gitter i en superleder, som danner en blandet (eller vortex) tilstand (figur 1).

Hvis det ved en gitt temperatur fortsetter å styrke magnetfeltet, så til en viss verdi Bc2 (øvre kritiske felt) blir vorterne så mange at deres kjerner begynner å overlappe, og de vil fylle hele volumet av superlederen, og oversette det til en normal tilstand (figur 1).

1.5-type superledningsevne og dobbeltglass superledere

I 2001 i magnesiumdiborid MgB2 superledningsevne ble oppdaget med en uventet høy (for en så enkel kjemisk forbindelse) kritisk temperatur på 39 K. Ved hjelp av ulike eksperimentelle teknikker fant forskerne at Tc oppnås på grunn av tilstedeværelsen i MgB2 ikke en energikilde, men to. Enkelt sagt, det er to typer Cooper-par i superledende magnesiumdiborid. Deres interaksjon og gir høye Tc. Det er viktig å merke seg at hver type elektronisk par har sin egen størrelse eller sin egen koherenslengde.I dette tilfellet har magnesiumdiborid bare en verdi av London-penetrasjonsdybden.

Oppdagelse av superledende tilstand i MgB2 stimulert en enorm økning i antall publikasjoner viet til teoretiske og eksperimentelle studier av to-gap superledningsevne. Blant de forskjellige oppgaver relatert til dette emnet viste spørsmålet om oppførsel av slike superledere i et magnetfelt seg å være spesielt relevant og kontroversiell.

Det hele startet med artikkelen "Emi Babaev og Martin Speyt" i bladet Fysisk gjennomgang B. Forfatterne av papiret spurte seg selv spørsmålet: hvordan vil en to-gap superledere oppføre seg i et magnetfelt, hvis vi antar at har en slags Cooper-par en Ginzburg-Landau-parameter mindre enn 1 / √2, det vil si hvordan er den en superleder av typen 1, og for den andre typen er denne parameteren mer enn 1 / √2 (type 2-superleder)? Ved å bruke Ginzburg-Landau-teorien, som ble generalisert i tilfelle av to ordreparametre (faktisk to-gap superledningsevne), forutsi forskere eksistensen av en slags polumeyssnerovskogo en tilstand karakterisert, i tillegg til andre funksjoner, ved dannelsen ikke av en trekantet hvirvelgitter, som i type 2 superledere, men av visse klynger (klynger) av virvelmolekyler.

Formelt er det i superledere av den første typen også vorter. Bare der er de ikke stabile enheter. Ved første utseende begynner de å tiltrekke seg hverandre, og jo nærmere de er, desto sterkere tiltrekker de seg. Avhengigheten av vekselvirkningsenergien til to hvirvler på avstanden mellom dem er vist i fig. 2 (venstre). Det kan ses fra grafen at vekselvirksomheten til vorter er minimal når avstanden mellom vorter er null. På grunn av vortenes ønske om å redusere energien i samspillet, smelter de sammen og danner normale områder i superlederen. Denne prosessen med dannelse av ikke-superledende regioner opptrer ekstremt raskt, slik at vi kan snakke om en øyeblikkelig overgang fra Meissner-fasen til den normale.

I en type 2 superleder er vekselvirkningen av hvirvene bare avstøtende i naturen: jo nærmere hvirvene er plassert til hverandre, desto sterkere blir de avstøt (figur 2, høyre). Den minimale energien observeres når hvirvene skilles fra hverandre med en uendelig stor avstand. Men siden superlederen har endelige dimensjoner og hvirvlene kan være større enn to, vil gjensidig avstengning føre til dannelsen av en stabil struktur – en trekantet vortexgitter.

Fig. 2. Avhengigheten av interaksjonen energi V av to hvirvler på avstandenr mellom dem i en type 1 superledere (til venstre), 1. klasse (sentrum) og 2. type (til høyre). Positive verdier av V svarer til frastøtning mellom vorter, negative – til tiltrekning. På grunn av tilstedeværelsen av et minimum pårhvor verdien ikke er lik null eller uendelig, kan superledningsevne av den 1.5. typen forekomme (for detaljer, se teksten). Figur Yuri Erin

I superledere med to åpninger som finnes Babayev og Speight, virvler interaksjon kvalitativt sammenfaller med den intermolekylære interaksjoner repulsjon på korte avstander tiltrekning erstattes ved lengre avstander (figur 2 sentrum.). Eksistensen av en minimal energi forskjellig fra null og uendelig punkt på aksen r uttrykkes i et forsøk på å skape virvler inhomogene virvelstrukturer gruppert i enkelte grupper av molekyler eller virvel når hvirvelen rundt en på forhånd bestemt avstand som svarer til minimum, hvile lokalisert energimessig gunstige hvirvlene. Som et resultat, er det realisert ikke Meissner tilstand (fordi virvlene ikke er "fast" som i en superleder av den første type), men samtidig og blandet (som det er et trekantet gitter i en superleder 2 av den andre typen).Derfor, forfatterne av artikkelen kalt en slik fase av en superledende semi-Meissner.

Fire år etter Babayev og Speiths papir ble en gruppe fysikere ledet av Viktor Moschalkov publisert i tidsskriftet Fysisk gjennomgangstavler En artikkel om deteksjon av en ikke-uniform vortex gitter i en superledende (to-gap) enkeltkrystall av magnesiumdiborid, spådd av Babaev og Speit. Bare nå, med en lett hånd av oppdagelsens forfattere, MgB-fasen2 med en ujevn vortexgitter istedenfor en halv-Meissner-tilstand begynte å bli kalt superledningsevne av den femte typen. Det ble således lagt vekt på at den observerte ujevne fordeling av skjærene er plassert i midten mellom fasene av superledningsevne av 1. og 2. type.

Det må sies at reaksjonen på dette arbeidet av spesialister var ganske tvetydig. Først av alt ble de forvirret av de ekstremt små verdiene for induksjonen av magnetfeltet, hvor superledningsevnen til den 1,5.typen ble observert, fra 0,0001 til 0,0005 T ved en temperatur på ca. 4 K. Det faktum at først den eksperimentelle dataene indikerer at opptil 0,003 T, bare Meissner-fase blir observert i magnesiumdiborid, det vil si at det ikke skal være vorter.For det andre har studier av hvirvelstrukturer i MgB allerede blitt utført.2, og forskere registrerte faktisk en ujevn fordeling av eddier. Det skjedde imidlertid ikke til noen å identifisere det som superledningsevnen til den 1.5. Typen. Forskerne tilskrev den uregelmessige vortexgitteret i svake felt utelukkende til pinningfenomenet – den uunngåelige forekomsten av feil og "svake" flekker i en krystall, hvorav et meget svakt magnetfelt trengs som vorter.

Denne sommeren fortsatte debatten om eksistensen av en 1.5. Slags superledningsevne, tilbake til det teoretiske planet. I arkivet av elektroniske preprints og i tidsskriftene til det amerikanske fysiske samfunn har flere artikler oppstått der det foreligger bevis for både eksistensen av en og en halv superledningsevne i to-gap superledere og dets fravær. La oss begynne med argumentene som indikerer eksistensen av en 1.5. Slags superledningsevne.

Argumenter til fordel for eksistensen av superledningsevne av den 1.5. typen

Først av alt er det verdt å merke artikkelen Giant vortices, superledere av den allerede kjent Moschalkov-gruppen. Bruke Ginzburg-Landau-teorien til dobbeltsidede superledere,Forfatterne beregnet de mulige avhengighetene av vekselvirkningsenergien til to hvirvler på avstanden som skiller dem i en slik superleder (figur 3a). I motsetning til Babayevs og verdens banebrytende arbeid beskrev forskerne en mer realistisk situasjon i en to-spalt superledere, da to typer Cooper-par interagerer med hverandre. På fig. 3a viser utviklingen av energiavstandsavhengighet med økende styrke i samspillet mellom to varianter av Cooper-par. Graf i tilsvarer svak interaksjon, og graf iv tilsvarer sterk. Til tross for at avhengighet jeg er lik i sin oppførsel til avhengigheten av vortexinteraksjonens energi i en superledende type 1, og avhengighet iv ligner en lignende karakteristikk i en type 2 superleder, har alle avhengighet en betydelig forskjell: de har minst interaksjonsenergien til to hvirvler på en ikke-null (tilfelle av en superleder av den første typen) eller uendelig (tilfelle av en superledere av den andre typen) avstanden.

Fig. 3. (A) Forskjellige typer avhengighet av energien til virvelinteraksjonen i en 1.5. supertypesleder (to-slits superleder).Innlegget viser et forstørret bilde av kurven iv. (B) Fordelingen av hvirvler, som skyldes avhengighetene i, ii, iii og iv. De fremkomne vortexene kan inneholde mer enn en fluxoid Φ0. LΦ uttrykk0 betyr at virvelen inneholder L magnetisk fluxkvanta. Rød prikket linje bestemmer den mest gunstige fra det energiske synspunktet avstanden mellom hvirvlene (tilsvarer minimumet på midtre kurven i figur 2). Skalaen måles i enheter av London-penetrasjonsdybden for en superleder med to spalter. Bilder fra artikkelen arXiv: 1007.1849

Som et annet argument for, bemerker vi at et lignende forløb av energibasert avhengighet, tatt hensyn til samspillet mellom forskjellige varianter av Cooper-par, ble også uavhengig oppnådd i Babayev, Space og Kalstroms arbeid, publisert i Fysisk gjennomgangstavler.

Basert på de beregnede avhengighetene, ved hjelp av molekylærdynamikmetoden, modellerte forskerne oppførselen til 200 vorter i en kvadrat superledende film med en størrelse på 200λ × 200λ. Det kan ses (figur 3b) at virvelgitteret har en åpenbar heterogenitet.

Det fulgte også fra beregningene fra Moschalkov og hans kolleger at for dobbeltsidet superledere når et eksternt magnetfelt er slått på med en gang en tilstand oppstår med en inhomogen vortexfordeling, som da med økende feltinduksjon (fast temperatur) eller økende temperatur (fast magnetfeltinduksjon) kan erstattes av en Meissner-tilstand eller en kjent trekantet vortexgitter.

Interessant, for noen sett av parametere for en superleder med to slisser, blir fasediagrammet eksotisk. For eksempel, for et gitt magnetfelt og økende temperatur, overleder superlederen overganger: en tilstand med en ikke-uniform hvirvelgitter → en tilstand med et trekantet hvirvelrutenett → en tilstand med et ujevnt hvirvelrør → Meissner-tilstand.

Det faktum at et magnetfelt i dobbeltglass superledere umiddelbart trenger inn i form av uregelmessig lokaliserte vortexer, bekreftes i artikkelen av de japanske fysikerne i Vortex-statene og fasediagrammet av multikomponent superledere med konkurrerende motstridende og attraktive. Beregningens ideologi er nesten det samme som i Moschalkov-gruppens arbeid. Ginzburg-Landau-teorien for to-gap superledere beregner vekselvirkningsenergien til to hvirvler, og simulerer deretter rekkefølgen av et stort antall (nemlig 400) vorter i en kvadrat superledende film for forskjellige verdier av magnetfeltet ved en gitt temperatur.

Fig. 4. Konfigurasjoner av hvirvelgitter i en to-spalt superledende film i form av en firkant for forskjellige verdier av magnetfeltinduksjonen målt i enheter av Φ0 (kvant av magnetisk flux) og λ1 (London-penetrasjonsdybde for første klasse Cooper-par). (og) hvirvelklynger (vortexmolekyl), (ba) virvelstrimmel, (c) vortexgitter med tomhet, (d) trekantet vortex gitter. Svarte prikker tilsvarer hvirvlene. Siden av filmen er: (en) 100λ1, (b) 70 λ1, (c) 50λ1, (d) 42λ1. Bilde fra artikkelen arXiv: 1007.1940

Vortexstrukturer som oppstår i prosessen med å øke induksjonen av et utvendig felt ved en gitt temperatur, er vist i fig. 4. En økning i magnetfeltet ledsages av en transformasjon fra et klyngevortexgitter til en velkjent triangulær (figur 4d), og i tillegg til de bandene som Moschalkov-teamet observert i sitt eksperiment, forutsier artikkens forfattere også utseendet på hvirvelhullene (figur 4c) – runde superledende regioner former uten hvirvler.

Fig. 5. Sannsynlige fasediagrammer av superledere av 1.5. Type. Forskjellene i oppførsel bestemmes av parametrene til en to-gap superledere. Figur Yuri Erin

Som en oppsummering av de ovenfor beskrevne fakta er det således mulig å konstruere sannsynlige (på et kvalitativt nivå) fasediagrammer av to-gap superledere (figur 5), der Ginzburg-Landau-parametrene for hver av de to typer Cooper-par er henholdsvis mindre og mer enn 1 / √2. Vi legger igjen vekt på at med en gradvis økning fra null av magnetfeltinduksjonen, starter fasediagrammet for en superleder med to spor "ikke fra Meissner-fasen, som det var tilfelle i en første eller andre type superledere, men umiddelbart fra en ikke-uniform vortex-tilstand.

Argumenter mot eksistensen av superledningsevne av den femte typen

Som allerede nevnt, er det kvantitative kriteriet for å dele superledere i 1. og 2. klasse resultatet av tegnet på overflatenergien til grensesnittet "superleder – normalt metall". Det er åpenbart at det kun er to tilfeller her (varianten med null er utelukket): enten overflatenergien er positiv eller negativ. Derfor vil dette kriteriet ikke forandre seg selv for en to-slits superleder. Dette er argumentet som presenteres i grensesnittetergien til tobånds superledere artikkel publisert i Fysisk gjennomgang B. Forfatterne av arbeidet, et team av forskere fra USA og Sør-Afrika, gjorde faktisk de samme beregningene som Abrikosov, men for en superleder med to varianter av Cooper-par.De viste at i tilfelle når Ginzburg-Landau-parameteren er mindre enn 1 / √2 for den første typen Cooper-par, og det er mer enn 1 / √2 for den andre typen, tar overflatenergien en positiv verdi, og derfor er det superledningsevne av 1. klasse.

Videre argumenterer de samme forskerne i sin andre artikkel at forskjellen mellom de to typer Cooper-parene i temperaturområdet i nærheten Tc, det vil si, der Ginzburg-Landau-teorien blir brukt, forsvinner, og en to-spalt superledere blir omdannet til en enkelt-gap superledere.

Hva kan du forvente neste?

Alle verkene som er beskrevet her, er rent teoretiske og bygger på en numerisk analyse av Ginzburg-Landau-teorien. Bare svært forsiktige forsøk på observasjon av en vortexgitter i to-gap superledere kan bringe denne tingen til en slutt. Heldigvis har det nå blitt kjent at ikke bare magnesiumdiborid har to typer Cooper-par, men også nylig oppdaget jernholdige superledere (se Ny type høytemperatur superledere oppdaget, Elements, 12.05.2008, og funnet ny familie av superledere som inneholder jern, "Elements" , 31. oktober 2008), hvilke høykvalitets enkeltkrystaller er litt enklere å syntetisere.Så nå, med stor sannsynlighet, bør vi vente på diskusjonen for å komme tilbake til eksperimentelt plan.

kilder:
1) V. H. Dao, L. F. Chibotaru, T. Nishio, V. V. Moshchalkov. Vortex ringer, superledere // arXiv: 1007.1849 (12. juli 2010).
2) Shi-Zeng Lin, Xiao Huy. Vortex-stater og multikomponent superledere med konkurrerende og vortex-interaksjoner // arXiv: 1007.1940 (12. juli 2010).
3) Egor Babaev, Johan Carlström, Martin Speight. Type-1.5 Superledende State of Intrinsic Proximity Effect i Two-Band Superconductors // Phys. Rev. Lett. 105, 067003 (5. august 2010).
4) Jani Geyer, Rafael M. Fernandes, V.G. Kogan, Jörg Schmalian. Grensesnitt energi av to bånd superledere // Phys. Rev. B 82, 104521 (27. september 2010); Også tilgjengelig som arXiv: 1007.2794.
5) V.G. Kogan, J. Schmalian. To-bånds superledere nær Tc // arXiv: 1008.0581 (3. august 2010).

Yuri Yerin


Like this post? Please share to your friends:
Legg att eit svar

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