Strontiumrutenat kan vise seg å være en superledere av den 1.5. typen • Yuri Erin • Vitenskapsnyheter om "Elements" • Fysikk

Strontiumrutatet kan være en superledere av den 1.5. typen

Fig. 1. Vortexens struktur i seksjonen (vortexstruktur). Det er en normal kjerne med en størrelse på omtrent to koherenslengder rundt hvilke ikke-dempende superledende strømmer roterer med en tetthet avJs, som dekker regionen av størrelsen på London-penetrasjonsdybden A. Figuren viser også hvor raskt antall superledende elektroner (antall superelektroner) endres når man nærmer seg virvelkjernen (nedre stripet diagram) og hvordan magnetfeltstyrken økerH når du beveger deg til sentrum av hvirvelen (toppdiagram). Det er vist at den karakteristiske dybden av penetrasjon av magnetfeltet er l. Bilde fra www.msm.cam.ac.uk

Avhengig av reaksjonen på virkningen av et eksternt magnetfelt, er superledende stoffer delt inn i superledere av 1. og 2. type. I 2004 ble det foreslått at magnesiumdiborid MgB2 kan oppføre seg i et magnetfelt på en spesiell måte, og det er derfor det har fått navnet på en 1.5. typen superleder. Imidlertid ble ikke eksperimentell bekreftelse på eksistensen av slik superledningsevne oppnådd, og magnesiumdiborid har hittil forblitt den eneste kandidaten for 1,5-type superledere.Et team av forskere fra USA og Sverige har teoretisk vist at en halv slags superledningsevne kan forekomme i strontiumruthenatet Sr2Ruo4.

Som kunnskap om forskere om fenomenet superledningsevne akkumulert og utviklet, har nye måter å klassifisere stoffer som har denne effekten blitt foreslått. En av de første ordningene, ifølge hvilken alle superledende materialer ble separert, tok hensyn til mekanismen for reaksjonen av superlederen til et eksternt magnetfelt. Faktum er at superledende tilstand kan ødelegges, ikke bare oppvarming av materialet over kritisk temperatur Tcmen plasserer den i et magnetfelt med induksjon over kritisk verdi Bc (før dette er en superleder en ideell diamagnetikk, se Meissner-effekten, det vil si, det gir absolutt ingen magnetfelt).

Imidlertid, som vist ved teoretiske beregninger utført i 1957 av Alexei Abrikosov og bekreftet i eksperimenter av 1967 av en gruppe tyske forskere, med et visst forhold mellom parametere som karakteriserer superledende staten, fortsetter destruksjonen på en mer komplisert måte.Disse definerende parametrene er koherenslengden ξ og London-penetrasjonsdybden for magnetfeltet λ.

For å forstå hvilken sammenhengslengde er, vurder fenomenet supraledning på mikroskopisk nivå. Ifølge den allment aksepterte teorien om BCS, er fremkomsten av supraledning skyldes forening av ledningselektroner i såkalte Cooper-par. Generelt er elektroner like ladede partikler og må derfor avstøte, men ved temperaturer under kritisk kritikk begynner disse partiklene å utveksle kvanta av vibrasjonsbevegelsen av ioner i krystallgitteret av en substansfonon. Denne interaksjonen, kalt elektronfonon, har karakteren av tiltrekning og kompenserer mer enn den eksisterende elektrostatiske avstøtningen. Kobling i par tillater at ledningselektronene oppfører seg synkront når et elektrisk felt påføres (strøm er slått på) og følgelig uten tap av energi, å bevege seg gjennom krystallgitteret av stoffet. Så et tegn på supraledning oppstår – null motstand, eller ekvivalent uendelig ledningsevne.

Vi går nå tilbake til definisjonen av koherenslengde.Denne verdien, noe forenkling, kan tolkes som en spesiell størrelse på Cooper-paret. For forskjellige superledere tar denne verdien forskjellige verdier – fra noen få nanometer til flere mikrometer ved absolutt null temperatur. Med økende temperatur øker koherenslengden for en gitt superleder monotont, og tar en uendelig stor verdi ved Tc.

Som nevnt ovenfor, i tillegg til nullmotstand, er en ekstra egenskap av superledningsevne ideell diamagnetisme. Det viser seg at denne absolutte "avvisning" av magnetfeltet oppnås på grunn av dens screening ved hjelp av ustrømsstrømmer som sirkulerer på overflaten av superlederen. Tykkelsen på laget som disse sirkulasjonsstrømmene trenger inn i superlederen, er Londons dybde for penetrasjon av magnetfeltet A. Som koherenslengden er denne egenskapen unik for hver superledende substans, varierende fra flere titalls nanometer til verdier i rekkefølgen av en mikrometer ved en absolutt null temperatur.

Nå kan vi gå tilbake til kriteriet for deling av superledere.Aprikos beregnet at dersom forholdet mellom inntrengningsdybde av superlederen magnetiske feltet til koherenslengden er mindre enn 1 / √2, ødeleggelse av superledning under påvirkning av et eksternt magnetfelt, skjer omtrent umiddelbart etter at induksjonsfeltet overskredet Bc. En superleder med slike egenskaper kalles en superleder av type 1.

Fig. 2. Det første bildet av virvelgitteret. Svarte områder tilsvarer hvirvlene. Bilde fra artikkel U. Essmann, H. Trauble, Fysikkbrev 24A, 526 (1967)

Hvis forholdet λ / ξ av en superleder er større enn 1 / √2, blir prosessen med ødeleggelse av superledningsevne mer kompleks. Mens magnetfeltinduksjonen ikke overskrider den laveste kritiske verdien Bc1, tillater ikke den superledende prøven linjene av kraft (ideell diamagnetisme). Imidlertid trenger et sterkere felt inn i materialet i form av hvirvelrør, kjent som Abrikosovvorte eller bare hvirvler (figur 1). Hver hvirvel er en normal (ikke-superledende) sylindrisk kjerne, langstrakt langs retningen av magnetfeltlinjene og omgitt av sirkulerende, undampede superledende strømmer.Når de trer inn i en superleder, avstøter de hverandre (jo nærmere desto sterkere) og danner en stabil struktur på overflaten – en trekantet vortexgitter (figur 2).

Ved en fast temperatur og en etterfølgende økning i magnetfeltet blir antallet av disse hvirvlene større, noe som fører til en reduksjon i avstanden mellom dem. Når magnetisk induksjon når verdien Bc2, blir overflatenes tetthet av virvlene så store at deres normale kjerne overlapper hverandre, og endelig ødelegger superledningsevnen i prøven. Material med en slik reaksjon på et magnetfelt kalles en superleder av type 2.

Merk at noen ganger oppførelsen av en type 1 superleder i et magnetfelt er høyere Bc også beskrevet ved hjelp av hvirvelstrukturer. Det vurderes betinget at når feltet overskrider den kritiske verdien Bcsom trenger inn i en superleder av type 1, veksler tiltrekker hverandre (jo nærmere, jo sterkere) og danner normale områder som helt dekker overflaten av det supraledende materiale.

Så la oss oppsummere mellomresultatet: I type I-superledere i et magnetfelt over kritisk verdi Bc materielle hvirvler er tiltrukket mellom dem, mens jo nærmere de er til hverandre, desto sterkere er dette samspillet. På grunn av denne attraksjonen går en slik superleder nesten umiddelbart inn i en normal tilstand. I type 2 superledere forekommer magnetfeltinntrengning i form av hvirvler når induksjon overstiger terskelen til det nedre kritiske feltet. Bc1. takk frastøting mellom hvirvlene, som blir sterkere, jo nærmere disse formasjonene ligger til hverandre, dannes en trekantet hvirvelgitter på overflaten av superlederen. Når induksjonen av et eksternt felt øker ved en fast temperatur, øker antall penetrerende vorter. Hvis induksjon overstiger terskelen til det øvre kritiske feltet Bc2, virvelvindene blir så mange at deres normale kjerner overlapper, og overfører dermed materialet til en normal tilstand.

1,5-st superledningsevne

I 2001 oppdaget et team av japanske forskere superledningsevne i magnesiumdiborid MgB2. Denne oppdagelsen fikk stor oppmerksomhet fra spesialister involvert i studiet av kondensert materiefysikk. Årsakene til økt interesse for superledende tilstand av dette stoffet ligger ikke bare i sin enkle kjemiske formel ogIkke bare at dens kritiske temperatur er ganske høy og utgjør 39 K (mange superledere med høye Tc er svært komplekse kjemiske forbindelser), men også i særegenheter av strukturen av superledningsevne i den. Mange eksperimenter fra uavhengige grupper av forskere har vist at superledningsevne i dette stoffet og den høye kritiske temperaturen skyldes tilstedeværelsen av to "karakterer" av Cooper-par, hvor samspillet mellom dem gir en betydelig økning i kritisk temperatur. Slike superledere i litteraturen kalles to-soners.

Tilstedeværelsen av to "sorter" av Cooper-parene ba forskere om å "undersøke" kjente teorier om ulike fenomener for slike superledere i håp om å finne noen nysgjerrig effekt som ikke ville ha plass i vanlige superledere med en type Cooper-par. Faktisk, i 2004 oppdaget Yegor Babayev og hans kollega Martin Speight at mekanismen til magnetfeltet på en to-sone superleder, spesielt MgB2, enda mer komplisert enn type 2 superledere (Egor Babaev, Martin Speight, 2004. Semi-Meissner superledningsevne i multikomponent superledere).

I sitt arbeid forutsi de eksistensen av visse mellomrom eksternt magnetfelt inhomogenitet i superleder virvel gitter, noe som kan vise seg i form av virveldannelse av klynger, tette samlinger av virvler på en begrenset del av overflaten eller en ikke-uniform fordeling av hvirvlene. Ifølge beregninger, er disse forskere, alle av disse virvelstrukturer dannet gjennom interaksjonskreftene nonmonotonic hvirvlene på avstand derimellom. I løpet av etterfølgende teoretiske studier viste det seg at denne kraften i sin oppførsel er en merkelig analog av de intermolekylære kreftene som virker mellom atomer. Enkelt sagt, virvlene i to-band superledere tiltrukket seg over lange avstander (som i superledere ved første slag) og frastøtt av små (som i superledere andre slag). På grunn av denne typen av interaksjonsstyrken, kan det oppstå uvanlige strukturer av virvelgitteret.

I 2009 ledet en gruppe belgiske eksperimenter av Viktor Moshchalkova i en av de mest prestisjefylte fysiske tidsskrifter Fysisk gjennomgangstavler arbeid, hvor eksperimentelt bekreftet eksistensen av en ikke-jevn fordeling av vorter i MgB2, som spådd av Yegor Babayev og Martin Speight. Forfatterne til denne artikkelen kalt en superleder med en lignende respons på et magnetfelt som en superledere av den 1.5. typen (se. Eksperimentelt bekreftet eksistensen av superledningsevne av et sesquito-genus, Elements, 12.03.2009).

For rettferdighetens skyld må det sies at dette arbeidet forårsaket en tvetydig reaksjon blant spesialister (se Eksperimentell bekreftelse av superledningsevnen til ett og et halvt slekt er utsatt, Elements, 10. juni 2010). Utelatelse av mange detaljer bemerker vi at hovedårsaken til denne reaksjonen var at så langt ingen, unntatt denne gruppen, har oppnådd eksperimentelt bevis for eksistensen av et heterogent virvelgitter i MgB2 i det skjemaet hvor hun så gruppen Viktor Moschalkova.

Til slutt flyttet disputene inn i teoretisk felt (se Superledningsevne av 1.5. Type: verken to eller en og en halv, Elements, 11.11.2010). I perioden fra 2009 til 2012 ble det utgitt flere papirer hvor argumenter ble fremført for å bekrefte eksistensen av superledningsevne av den 1.5. typen, og for å bekrefte at det ikke var mulig å eksistere.Spesielt opphetet debatt fant sted mellom en gruppe teoretikere ledet av Egor Babaev, oppdageren av superledning type 1,5, og et team av forskere i personen Vladimir Kogan og Jörg Shmaliana (se: Egor Babaev, Mihail Silaev 2012. Comment on "Ginzburg-Landau. teorien om to båndssuperledere: Fravær av type-1,5 superledning "og VG Kogan, Jörg Schmalian, 2012. Svar på" Kommentar til "Ginzburg-Landau teori av to båndssuperledere: Fravær av type-1,5 supraledningsevne" ").

Håpet er at eksistensen av denne type superledning vil bli bekreftet, oppsto etter åpningen av "jern" superledere (se:. En ny type høytemperatur superledere, "Elements", 12.05.2008 og har funnet en ny familie av superledere som inneholder jern, "Elements", 31.10 .2008), som, som vist av mange eksperimenter, har to – og noen til og med tre (!) – "karakterer" av Cooper-par. Parametrene til disse jernbaserte superledere viste seg imidlertid å være slik at, til tross for deres mangfold, kan superledningsevne av den 1.5. typen i dem, sannsynligvis ikke realiseres under noen betingelser. Således, siden prediksjonen av superledere av den 1.5. typen, var bare magnesiumdiborid den eneste konkurrenten for denne tittelen.

Strontium Rututenat – Den andre kandidaten til superledere av 1.5

Og nå, 8 år etter den banebrytende publikasjonen om den mulige eksistensen av en 1.5. Slags superledningsevne i et av de siste problemene i tidsskriftet Fysisk gjennomgang B En teoretisk artikkel oppstod, ifølge hvilken "ensomhet" av magnesiumdiborid som kandidat for superledere av 1,5-type kan "fortynne" forbindelsen kalt strontiumruthenat Sr2Ruo4.

Du må umiddelbart gjøre en reservasjon som Sr2Ruo4 – på en måte, en unik superleder. Som du husker, i begynnelsen av dette notatet ble det nevnt forskjellige måter å klassifisere superledere på. En av dem, som allerede nevnt, er en reaksjon på et eksternt magnetfelt. En annen, mer kjent metode for oppdeling av superledere er deres differensiering av den kritiske temperaturen (se for eksempel tabellen i nyhetene. Kilden til høytemperaturgrensesnittets supraledning viste seg å være et atomskikt av kobberoksid, Elements, 13. november 2009). Til slutt er det en annen type klassifisering, som består i å dele superledere i henhold til strukturen til et Cooper-par, som man kan si "inspirerer" selve fenomenet superledningsevne.

Cooper-par er kvanteobjekter hvis egenskaper er beskrevet av en spesiell fysisk karakteristikk – bølgefunksjonen (torget i modulen til denne funksjonen viser sannsynligheten for å oppdage dette objektet i en gitt del av rommet, med litt strekk kan dusi at denne funksjonen ligner avhenger av koordinater i tide for et klassisk objekt). For lenge siden oppdagelsen av superledningsevne var det kjent at et Cooper-par er en union av elektroner med motsatt rettede spinn. Materialer med denne typen elektronparing kalles spin-singlet sWave superledere. Tilsetningen av "bølge" fremkommer på grunn av det faktum at, som allerede nevnt, er Cooper-par beskrevet bølge funksjon og prefiks "s"betyr at deres orbital vinkelmomentum (vinkelmomentum) er null, det vil si at de ganske enkelt ikke snakker rundt deres massesenter.

Etter at kobberbaserte høytemperatur superledere (HTSC) ble oppdaget i 1986, viste eksperimentelle studier at selv om elektroner i disse stoffene par, som har motsatt rettede spinn, er Cooper-parene fortsatt forskjellig fra de tidligere kjente superledere. Denne forskjellen ligger i det faktum at elektronpar i HTSC roterer, og deres orbitale øyeblikk i spesielle enheter er 2. Kobberbasert HTS ble kalt uvanlig (i den vitenskapelige litteraturen er det et vellykket engelskbegrep "ukonvensjonelt") spin-singlet dWave superledere. Symbol "d"indikerer at Cooper-parrets orbitale øyeblikk er 2. Med andre ord, foruten elektronens egen rotasjon (spin), har Cooper-paret også en rotasjon rundt sitt massesenter (orbitalt øyeblikk).

I 1994 ble superledningsevnen oppdaget i strontiumruthenatet. Til tross for at dens kritiske temperatur er svært lav, ca. 1,5 K, tiltrak denne oppdagelsen spesialister fra flere årsaker. Først av alt, fordi dette stoffet hadde en krystallstruktur som ligner på HTSC og ikke inneholdt "obligatorisk" kobber, som det var tilfellet for alle HTS som var kjent på den tiden. Sammenligning av de fysiske egenskapene til de normale og superledende tilstandene til Sr2Ruo4 og kobber HTSC, håper forskere å klargjøre selve naturen av høy temperatur superledningsevne.

Men videre ble de forventet enda mer interessante detaljer. Et år etter oppdagelsen av den superledende tilstanden av strontiumruthenat, antydet en gruppe teoretikere at superledningsevne i Sr2Ruo4 er ikke spin singlet. Ifølge antagelsen til disse forskerne, i strontiumrutatet, er spinnene i et Cooper-par rettet i en retning, pluss Cooper-parene har selv en vinkelmoment på en.

De påfølgende eksperimenter vitnet til fordel for denne antagelsen. Som et resultat fikk denne typen uvanlig superledningsevne navnet spin-lett p-Wave superledningsevne (symbol "p"sier at Cooper-parrets orbitale øyeblikk er lik en.) For tiden er det ikke noe bevis på at noen av et stort antall superledere har en lignende type superledningsevne. Faktisk, på grunn av denne unike egenskapen, er strontiumruthenatet fortsatt aktivt undersøkt.

De jernbaserte HTSCene som ble oppdaget i 2008 ble ikke nevnt her, så leseren kan ha et rimelig spørsmål: hvordan klassifiseres disse nye "jern" superledere? Resultatene fra nyere eksperimenter indikerer at begge typer Cooper-par kan betraktes som separat tatt spin-singlet superledere uten rotasjon av Cooper-par. Det ser ut til at alt er trivielt, dobbeltsone superledere er bare en "blanding" av kjente spin-singlet sWave superledere. I virkeligheten viste Cooper-parternes struktur i "jern" superledere seg å være mer listige.I henhold til eksperimentelle data blir fasene av bølgefunksjonene (komplekse mengder) i "jern" superledere skiftet av π. På grunn av denne faseskiftet har bølgefunksjonene i hver klasse motsatte tegn. Av denne grunn kalles disse superledere s ±-bølge.

En annen nysgjerrig funksjon av Sr2Ruo4 som en superleder er dens to-bånd, som det fremgår av resultatene av nyere eksperimenter. Naturligvis, etter å ha oppnådd slike data, har forskere all grunn til å anta at strontiumruthenat er en potensiell kandidat til tittelen på en 1.5.te slags superledere, der det kan eksistere forskjellige former for inhomogeniteter i virvelgitteret.

De første detaljerte studiene av fordelingen av vortex i denne superlederen ble utført i 2005 (V. O. Dolocan et al., 2005. Observasjon av Spinn-Triplet Superconductor Sr Vortex Coalescence i Super-lederen Anisotrop Spinn-Triplet2Ruo4). Så etablerte eksperimentene faktumet av den såkalte sammenblandingen av virvelgitteret. Med andre ord dannet vorten ikke et trekantet gitter i superledende prøve, avstøtende fra hverandre, som det skjer i en superledere av den andre typen. I stedet begynte de å slå seg sammen i store domener, og størrelsen på disse domenene vokste med en økning i magnetfeltet (figur 3).

Fig. 3. Vortex gitter i en enkelt krystall av strontium ruthenat, oppnådd i et eksternt magnetfelt på 0,0002 T (og), 0,0006 T (b) og 0,0007 T (med). Lysområder svarer til virvelformasjoner (områder hvor magnetfeltet har trengt inn). Bilde fra artikkel V. O. Dolocan et al. Spinn-Triplet Superleder Sr Observasjon av Vortex Coalescence i Anisotropic2Ruo4 (2005)

Resultatene av forsøkene betydde at i superledende strontiumruthenat var det en viss tiltrekning mellom hvirvlene. Hvor kommer denne attraksjonen fra, og hvorfor foregår det i Sr2Ruo4, for eksperimenter forblir et mysterium.

En gruppe teoretikere ledet av Yegor Babayev, forfatterne av artikkelen som diskuteres her, hevder at den observerte sammentrekningen av vorter kan lett forklares hvis vi forsøker å beskrive de superledende egenskapene til strontiumruthenat i en spesiell teoretisk modell utviklet eksklusivt for denne superlederen, som tar hensyn til dens tosone karakter. Det skal bemerkes at med noen modifikasjoner ble denne teorien brukt til å forutsi og underbygge superledningsevnen til den 1.5. Typen.

Så basert på denne teoretiske modellen for Sr2Ruo4, utførte et team av forskere en numerisk simulering av forekomsten av et virvelgitter med parametere som tilsvarer egenskapene til den superledende tilstanden av strontiumruthenat.Det viste seg at med de oppgitte parametrene, produserer teorien på kvalitativt nivå den samme oppførselen til vorten som ble oppnådd i tidligere utførte eksperimenter (figur 4).

Fig. 4. Konsentrasjonsfordelingen (i relative enheter) av hver "variasjon" (til venstre – først, til høyre – den andre) Cooper-parene i et tobånds superledende strontiumruthenat. Røde områder svarer til det største antallet elektronpar, mørk blå – områder hvor antallet deres har en tendens til null. Disse grafene viser utviklingen av virvelgitteret: fra begynnelsen av dannelsen av virvelklyngen (en og b) av 7 hvirvler før dens umiddelbare utseende (c og d). Bilde fra artikkelen i diskusjon Fysisk gjennomgang B

Bildene i figur 4 tydelig og tydelig viser tiltrengningen mellom hvirvlene og som følge av deres koalescens. I sin tur kan muligheten for dannelsen av slike hvirvelklynger tolkes som faktumet av tilstedeværelsen av superledningsevne av den 1.5. type i denne forbindelse. Denne konklusjonen er hovedresultatet av denne artikkelen.

Selvfølgelig gjør det oppnådde resultatet ikke til slutt, som forfatterne selv skriver om, og foreslår ytterligere eksperimentelle studier i denne retningen.Imidlertid kan det ikke nektes at de eksperimentelle dataene er godt beskrevet av teori, som selv med noen forenklinger allerede har spådd tidligere muligheten for eksistensen av superledningsevne av 1,5-typen.

Kilde av: Julien Garaud, Daniel F. Agterberg, Egor Babaev. Vortex coalescence og type 1.5 superledningsevne i Sr2Ruo4 // Phys. Rev. B 86, 060513 (R) (2012).

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: :???: :?: :!: