Высокотемпературная сверхпроводимость: Физики получили радиоактивный высокотемпературный сверхпроводник

Содержание

Физики получили радиоактивный высокотемпературный сверхпроводник

Фотография образца, сжатого до давления порядка миллиона атмосфер и разогретого до температуры порядка двух тысяч кельвинов

Dmitry Semenok et al. / Materials Today, 2019

Российские физики получили новый высокотемпературный сверхпроводник — гидрид тория ThH10 — и экспериментально измерили его свойства. Полученное соединение остается стабильным при рекордно низком давлении около 0,85 миллиона атмосфер и сохраняет сверхпроводящие свойства при температуре ниже 160 кельвинов и магнитных полях слабее 45 тесла.

Кроме того, ученые измерили свойства еще нескольких гидридов тория, случайно синтезированных вместе с ThH10. Статья опубликована в Materials Today, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Долгое время звание самых «жаростойких» сверхпроводников держалось за купратами. Во-первых, эти соединения были первыми в истории сверхпроводниками, которые сохраняли свои свойства при температуре выше точки кипения жидкого азота. Во-вторых, рекорд купрата HgBa2Ca2Cu3O8+x, синтезированного в 1993 году и переходящего в сверхпроводящее состояние при температуре 164 кельвина, (−109 градусов Цельсия), держался более двадцати лет

Как бы то ни было, в 2015 году этот рекорд побило принципиально новое соединение — обыкновенный сероводород, сжатый до давления 1,5 миллиона атмосфер. Оказалось, что в таких экстремальных условиях сероводород переходит в сверхпроводящее состояние, которое сохраняется при нагревании до 203 кельвин (−70 градусов Цельсия).

Более того, вскоре после открытия сверхпроводимости сероводорода теоретики предсказали целый ряд гидридов, которые на сравнимых давлениях превращаются в высокотемпературные сверхпроводники. К настоящему моменту ученые экспериментально подтвердили, что аналогичными свойствами обладают гидриды фосфора, иттрия, церия, урана и лантана, последний из которых превращается в сверхпроводник при температуре около 260 кельвин (−13 градусов Цельсия). К сожалению, все эти соединения остаются стабильными только при крайне высоких давлениях порядка миллиона атмосфер. Поэтому, несмотря на высокую критическую температуру, вплотную приблизившуюся к комнатной, на практике эти сверхпроводники использовать нельзя.

Группа исследователей из МИФИ, ФИАНа, а также Франции и Китая под руководством сотрудника Сколтеха и МФТИ Артема Оганова и Ивана Трояна из Института кристаллографии РАН экспериментально подтвердила высокотемпературную сверхпроводимость еще одного гидрида — гидрида тория ThH10. В прошлом году ученые уже исследовали это соединение теоретически с помощью алгоритма USPEX (Universal Structure Predictor: Evolutionary (X)Crystallography). Тогда физики обнаружили, что критическая температура этого сверхпроводника на 20 градусов не дотягивает до рекорда, однако для его создания нужно самое низкое давление среди всех известных гидридов (ThH10 «разваливается» при давлении ниже 0,8 миллиона атмосфер). Это делало гидрид тория одним из самых перспективных сверхпроводящих гидридов.

Теперь ученые экспериментально подтвердили предсказанные свойства. Чтобы синтезировать гидрид тория, физики загружали смесь тория и боразана в ячейку алмазной наковальни с вольфрамовой гаскеткой. С помощью этой наковальни исследователи сжимали образец до 1,7 миллиона атмосфер, а затем разогревали до 1800 кельвин с помощью четырех лазерных импульсов. Кристаллическую структуру полученного образца физики определяли с помощью рентгеноструктурного анализа. Затем ученые медленно понижали давление в ячейке и измеряли температуру образца, чтобы восстановить его уравнение состояния. В целом полученная кристаллическая структура и уравнение состояния совпало с теоретическими предсказаниями. Как и ожидалось, вплоть до давлений порядка 0,85 миллиона атмосфер соединение оставалось стабильным.

Уравнение состояния для гидридов, полученных в эксперименте (точки разной формы) в сравнении с теоретическими предсказаниями (пунктирные линии)

Dmitry Semenok et al. / Materials Today, 2019

Чтобы измерить критическую температуру и критическое магнитное поле, ученые повторили эксперимент в немного измененной форме. Во-первых, перед сжатием исследователи зажали образец между танталовыми электродами с золотым покрытием. Во-вторых, чтобы изолировать образец от внешнего электрического поля, физики вставили в гаскетку слой из оксида магния. В остальном процедура получения гидрида мало отличалась от предыдущего опыта. После того, как образец был получен, ученые охлаждали его до тех пор, пока сопротивление не падало до нуля.
Эти же измерения исследователи повторяли для ненулевого внешнего магнитного поля. К сожалению, на этот раз эксперимент довольно сильно разошелся с теорией: при нулевом внешнем магнитном поле полученная критическая температура образца составляла 160 кельвин, что было в полтора раза ниже предсказанного значения (240 кельвин). В то же время, критическое магнитное поле (45 тесла) в целом совпало с теорией (38 тесла).

Зависимость сопротивления гидрида ThH10 от температуры

Dmitry Semenok et al. / Materials Today, 2019

Зависимость сопротивления гидрида ThH9 от температуры

Dmitry Semenok et al. / Materials Today, 2019

Зависимость критического магнитного поля гидридов ThH9 (кружки) и ThH10 (квадратики) от температуры

Dmitry Semenok et al. / Materials Today, 2019

Кроме того, ученые повторили те же самые измерения для других гидридов тория, случайно синтезированных в ходе эксперимента. Одно из этих соединений, гидрид ThH
9
, также оказалось сверхпроводником, хотя и менее перспективным: в аналогичных условиях его критическая температура составляла 146 кельвин, а критическое магнитное поле — 38 тесла. Кроме того, оно быстрее разрушалось (ThH9 «разваливался» при давлении порядка миллиона атмосфер). Для двух оставшихся соединений, гидридов ThH4 и ThH6, ученые измерили уравнение состояния и определили критическое давление, ниже которого соединения начинают разрушаться (0,86 и 1,04 миллиона атмосфер соответственно). Эти соединения сверхпроводящими свойствами не обладали.

Структура трех новых полученных гидридов

Dmitry Semenok et al. / Materials Today, 2019

Группа Оганова работает над алгоритмом USPEX с 2004 года, за это время ученые успели предсказать много необычных веществ, образующихся при высоких давлениях. В частности, с помощью этого алгоритма химики разработали новый сверхтвердый материал, показали, что при больших давлениях окись азота приобретает сверхпроводящие свойства, а гелий образует стабильное соединение с натрием, а также обнаружили «невозможные» в классической химии формы оксида алюминия, хлорида натрия, соединений магния, кремния и кислорода. Большая часть предсказанных соединений уже получена на практике. Более полный список открытий, сделанных с помощью алгоритма USPEX, можно найти на сайте алгоритма.

Дмитрий Трунин

Дополнение

В четвертом абзаце добавлена информация об участниках исследования и их аффилиациях. Приносим извинения читателям.


Высокотемпературная сверхпроводимость — Энергетика — Neftegaz.

RU

Высокотемпературные сверхпроводники были открыты более 20ти лет назад, но по сей день остаются загадкой.


Высокотемпературные сверхпроводники были открыты более 20ти лет назад, но по сей день остаются загадкой.

Это тема, где еще можно сделать много научных открытий, которые можно будет внедрить во многих отраслях промышленности, например, в электросетевом хозяйстве.

Примечательно, что сверхпроводимость была обнаружена у оксидной керамики, обычно проявляющей диэлектрические или полупроводниковые свойства.

Казалось бы, традиционные интерметаллиды, органические или полимерные структуры подходили больше.

Новый взгляд позволил в течение короткого времени создать новые поколения металлоксидных сверпроводников в США, Японии, Китае и России.

Керамические материалы на основе оксида меди проводят электрический ток без потерь при намного более высокой температуре, чем обычные сверхпроводники, которая, впрочем, гораздо ниже комнатной.
Известно, что в обоих случаях сверхпроводимость обеспечивается спариванием электронов и формированием из всей их совокупности единого коллективного квантового состояния.
Однако ученые до сих пор не знают, какие силы удерживают электроны в парах в высокотемпературных сверхпроводниках.

Было выдвинуто несколько предположений, но ни одно из них не было доказано. Результаты недавних экспериментов позволяют исключить из рассмотрения 2 серьезные гипотезы.

В низкотемпературных сверхпроводниках электроны взаимодействуют через фононы — кванты тепловых колебаний положительно заряженных ионов, составляющих кристаллическую решетку металла.
Ее искажение, возникающее при прохождении одного электрона, через несколько микросекунд оказывает влияние на его партнера.
Таким образом, при испускании и поглощении фононов между электронами возникает слабое взаимное притяжение.
Такая модель обычной сверхпроводимости называется теорией Бардина-Купера-Шриффера (БКШ) — в честь ученых, разработавших ее в 1957 г.

Когда в 1986 г были открыты высокотемпературные сверхпроводники, их еще называют сверхпроводниками на основе купратов, выяснилось, что теория БКШ в существующем виде не способна объяснить некоторые их особенности.

Прежде всего при более высоких температурах энергия тепловых колебаний решетки намного превышает энергию взаимного притяжения электронов, обусловленную фононами.
(Правда, недавно этот предел критической температуры был поставлен под сомнение.)

Кроме того, замена изотопов в БКШ-сверхпроводнике влияет на характеристики фононов (более тяжелые атомы колеблются с меньшей частотой) и приводит к изменению критической температуры на вполне определенную величину, которая у высокотемпературных сверхпроводников оказывается иной.

Не могут быть объяснены в рамках теории БКШ и многие общие свойства между различными составами купратов в нормальном и сверхпроводящем состоянии.

Пытаясь разобраться в природе сил, вызывающих спаривание, физики занялись изучением излома на графике энергии спаренных электронов.
Многие ученые связывают его с магнитным резонансом — одним из типов коллективного состояния электронов.
Вместе с тем одна экспериментальная группа попыталась опровергнуть сложившиеся представления о необычных сверхпроводниках и представила свидетельства того, что причина излома кроется в фононах.

Результаты, полученные в Университете Макмастера и в Брукхейвенской национальной лаборатории, похоже, исключают магнитный резонанс и фононы из числа претендентов на звание причины спаривания электронов в высокотемпературных сверхпроводниках.

Для определения энергии спаренных электронов измеряли зависимость интенсивности инфракрасного излучения, рассеянного на сверхпроводнике, от длины волны.


Группа во главе с Томасом Таймаском (Thomas Timusk) выявила на фоне рассеяния в широком диапазоне частот острый пик, который явно связан с изломом, обнаруженным в других экспериментах.
Однако он отсутствует в результатах аналогичных опытов со сверхлегированными материалами, которые содержат больше атомов кислорода и поэтому переходят в сверхпроводящее состояние при более низких температурах.
Таким образом, фононы, присутствующие во всех материалах, включая сверхлегированные, не могут быть причиной пика и излома графиков.

Широкодиапазонный фон рассеяния тоже не связан с фононами: в противном случае он должен был бы обрываться на высоких частотах.

Условия, при которых наблюдается острый пик рассеяния, хорошо согласуются с гипотезой о магнитном резонансе, но он отсутствует в сверхлегированных материалах, остающихся тем не менее сверхпроводящими.
Значит, сверхпроводимость не связана с магнитным резонансом.

Остается широкодиапазонный фон, который, по мнению Таймаска, должен возникать при любом процессе, вызывающем спаривание электронов.
Однако материаловеды из Аргонской национальной лаборатории полагают, что, хотя магнитный резонанс не принимает участия в образовании электронных пар, есть серьезные основания считать природу связующих сил магнитной.
Итак, поиск продолжается.

Интерес к теме высокотемпературной сверхпроводимости настолько высок, что за открытие первого соединения из класса высокотемпературных сверхпроводящих купратов La2-xBaxCuO4 швейцарскому физику К. Мюллеру и немецкому физику Г.Беднорцу в 1987 г была присуждена Нобелевская премия.

Наши ученые не отстают.
В 1993 г Е. Антипов, С. Путилин и другие российские ученые из МГУ открыли ряд ртутьсодержащих сверхпроводников состава HgBa2Can-1CunO2n+2+ d (n=1-6).

Эти соединения являются материалами с рекордно высокими значениями температуры перехода в сверхпроводящее состояние Tc, поэтому актуальной является проблема определения в решетках HgBaCaCuO зарядовых состояний атомов кислорода, которые и ответственны за явление высокотемпературной сверхпроводимости в этих керамиках, но не только.
Фаза HgBa2Ca2Cu3O8+d (Hg -1223) имеет наибольшее известное значение критической температуры (135 К), причем при внешнем давлении 350 тыс атмосфер температура перехода возрастает до 164 К, что лишь на 19 К уступает минимальной температуре, зарегистрированной в природных условиях на поверхности Земли.
Таким образом, сверхпроводники достаточно быстро эволюционировали, пройдя путь от металлической ртути (4. 2 К) к ртуть-содержащим ВТСП (164 К).

Высокотемпературная сверхпроводимость | Наука | Fandom

Высокотемпературные сверхпроводники (Высокие Tc) — семейство материалов (сверхпроводящих керамик) с общей структурной особенностью, относительно хорошо разделёнными медно-кислородными плоскостями. Их также называют сверхпроводниками на основе купратов. Температура сверхпроводящего перехода, которая может быть достигнута в некоторых составах в этом семействе, является самой высокой среди всех известных сверхпроводников. Нормальное (и сверхпроводящие) состояния показывают много общих особенностей между различными составами купратов; многие из этих свойств не могут быть объяснены в рамках теории БКШ.Последовательная теория сверхпроводимости в купратах в настоящее время не существует; однако, проблема привела ко многим экспериментальным и теоретическим результатам, и интерес в этой области — не только в достижении сверхпроводимости при комнатной температуре. За экспериментальное открытие первого высокотемпературного сверхпроводника в 1987 была немедленно присуждена Нобелевская премия.

История открытия высокотемпературной сверхпроводимости[править | править код]

  • История сверхпроводимости характеризуется цепочкой открытий все более и более сложных структур, своеобразной «химической эволюцией» от простого к сложному. Она ведет начало с 1911 г., когда голландский физик Камерлинг-Оннес, впервые получивший жидкий гелий и тем самым открывший путь к систематическим исследованиям свойств материалов при температурах близких к абсолютному нулю, обнаружил, что при 4,2 К обычная металлическая ртуть (простое вещество, представляющее собой «плохой металл») полностью теряет электрическое сопротивление. В 1933 г. Мейснер и Оксенфельд показали, что сверхпроводники (СП) одновременно являются и идеальными диамагнетиками, то есть полностью выталкивают линии магнитного поля из объёма СП (Эффект Мейснера).
  • Всё это в принципе открыло широчайшие возможности для практического применения сверхпроводимости. Однако на пути к реализации этих идей длительное время существовала непреодолимая преграда — крайне низкая температура перехода в СП состояние, называемая критической температурой (Тс). За 75 лет, прошедших со времени открытия Камерлинг-Оннеса, эту температуру удалось поднять лишь до 23,2 К на интерметаллиде Nb3Ge, причем общепризнанные теории сверхпроводимости (Теория БКШ) порождали неверие в принципиальную возможность преодоления этого температурного барьера.
  • В 1986 г. Беднорц и Мюллер обнаружили способность керамики на основе оксидов меди, лантана и бария (La2-xBaxCuO4) переходить в СП состояние при 30 К. Сложные купраты аналогичного состава были синтезированы в 1978 г. Лазаревым, Кахан и Шаплыгиным, а также французскими исследователями двумя годами позже. К сожалению, электропроводность этих образцов была измерена лишь до температуры кипения азота (77К), что не позволило обнаружить эффект сверхпроводимости.
  • Важнейшей чертой открытия ВТСП можно назвать то, что сверхпроводимость была обнаружена не у традиционных интерметаллидов, органических или полимерных структур, а у оксидной керамики, обычно проявляющей диэлектрические или полупроводниковые свойства. Это разрушило психологические барьеры и позволило в течение короткого времени создать новые, более совершенные поколения металлоксидных СП почти одновременно в США, Японии, Китае и России:
  • -февраль 1987 г. — Чу и др. синтезируют, используя идею «химического сжатия» для модифицирования структуры, СП керамику из оксидов бария, иттрия и меди YBa2Cu3O7-x с критической температурой 93 К, то есть выше точки кипения азота.
  • -в январе 1988 г. Маеда и др. синтезируют серию соединений состава Bi2Sr2Cax-1CuxO2x+4, среди которых фаза с x=3 имеет Тс=108К.
  • -месяц спустя Шенг и Херман получили сверхпроводник Tl2Ba2Ca2Cu3O10 c T с = 125K.
  • -в 1993 г. Антипов, Путилин и др. открыли ряд ртутьсодержащих сверхпроводников состава HgBa2Cax-1CuxO2x+2+ d (x=1-6). В настоящее время фаза HgBa2Ca2Cu3O8+d (Hg −1223) имеет наибольшее известное значение критической температуры (135К), причем при внешнем давлении 350 тысяч атмосфер температура перехода возрастает до 164К, что лишь на 19К уступает минимальной температуре, зарегистрированной в природных условиях на поверхности Земли. Таким образом, СП «химически эволюционировали», пройдя путь от металлической ртути (4,2 К) к ртуть-содержащим ВТСП (164 К).
  • Всего к настоящему времени (на 1999 год) известно более 50 оригинальных слоистых ВТСП-купратов. Время от времени в печати появляются сенсационные сообщения о создании новых СП с Тс выше комнатной температуры. И хотя безмедные СП известны довольно давно, на них до сих пор не удавалось достичь сколько-нибудь высокой температуры перехода в СП состояние (рекордные значения Тс для безмедных СП достигнуты у Ba1-xKxBiO3 и у фазы внедрения на основе фуллерена (Сs3C60). Отдельно следует упомянуть также направление, связанное с попытками синтеза «экологически безопасных» ВТСП, не содержащих тяжелых металов (Hg, Pb, Ba), например получаемых под высоким давлением оксикупратных фаз кальция.

2001г-открыт сплав MgB2(диборид магния) это сверхпроводник с Тс= 40К.Он подходит для строительства сверхпроводящих магнитов

В конце 60-х — начале 70-х гг были большие надежды на синтез органических комплексов с переносом заряда (КПЗ) — например, комплексов en:TCNQ-TTF (тетрацианохинодиметан-тетратиофульволен). Однако, несмотря на синтез ряда перспективных соединений, оказалось, что сверхпроводимость в этих комплексах неустойчива даже при небольших плотностях тока.

.:: Дискуссионный Научный Клуб Наука НИТУ «МИСиС» ::. Высокотемпературная сверхпроводимость

.:: Дискуссионный Научный Клуб Наука НИТУ «МИСиС» ::. Высокотемпературная сверхпроводимость Мнения Сверхпроводимость

01. 10.2015 09:21:00

Константин Ефетов

Директор института Теоретической физики III Профессор Константин Ефетов — Почетный Член (Fellow) Американского Физического Общества, обладатель Премии Блеза Паскаля, учреждённой французским правительством и Исследовательской Премии Landau-Weizman, учреждённой Институтом Вейцмана в Израиле. Он — “выдающийся рецензент американского Физического Общества”. Эта Премия даётся за заметный вклад в рецензировании статей в таких журналах как Physical Review Letters, Physical Review, Reviews of Modern Physics и других.

Подробнее



Магнит, левитирующий над высокотемпературным сверхпроводником, охлаждаемым жидким азотом
Константин Борисович Ефетов
Научный руководитель проекта «Коллективные явления в квантовой материи» НИТУ «МИСиС» 
Сверхпроводимость является одним из самых красивых явлений квантовой физики. Она была открыта голландским физиком Каммерлинг-Оннесом (Kamerlingh-Onnes) в 1911 году, который научился охлаждать материалы, используя сжиженный гелий, до температуры 1.5 К (-271.5 С). Изучая электрические свойства охлажденных металлов, Каммерлинг-Оннес обнаружил, что сопротивление твердой ртути, погруженной в жидкий гелий, обращается в нуль, а проводимость становится, таким образом, бесконечной. Это свойство и было названо сверхпроводимостью, а Каммерлинг-Оннес получил в 1913 году Нобелевскую премию.

Позже сверхпроводимость была обнаружена во многих металлах, но микроскопическая теория этого загадочного явления была построена только в 1957 году американскими физиками Бардином, Купером и Шриффером (Bardeen, Cooper, Schrieffer), которые получили за эту работу Нобелевскую премию в 1972 году. 

Стоит упомянуть, что правильная феноменологическая теория сверхпроводимости была предложена советскими физиками Гинзбургом и Ландау уже в 1950 году. Интересные явления в сверхпроводниках были предсказаны с помощью теории Гинзбурга-Ландау Алексеем Абрикосовым, все трое также являются лауреатами Нобелевской премии. Важно отметить, что в течение многих лет Абрикосов был заведующим Кафедрой Теоретической Физики в МИСиС. Сейчас эта кафедра называется “Кафедрой Теоретической Физики и Квантовых Технологий”, где я и работаю в рамках проекта «Toп5-100».

То, что для объяснения сверхпроводимости потребовалось 46 лет, не случайно. Это явление было открыто еще до создания квантовой механики и никак не могло быть объяснено на основе классической механики Ньютона и классической электродинамики Максвелла. В основе теории сверхпроводимости лежит понятие конденсации Бозе-Эйнштейна. Согласно этой концепции, частицы с целочисленным квантовым спином (бозоны) должны образовывать состояние, в котором все частицы когерентны (конденсат) или, иными словами, чувствуют друг друга по всему объему системы. Движение этого конденсата как целого и приводит к тому, что он не тормозится различными примесями или неоднородностями в металле, приводя к нулевому сопротивлению. 
Казалось бы, вот оно и объяснение сверхпроводимости? Но это не так.

Электрический ток в металлах возникает вследствие движения электронов, а это — элементарные частицы со спином одна вторая. Но частицы с полуцелым спином (фермионы) не образуют конденсат, а других движущихся частиц в металлах нет. Каким же образом можно получить конденсат? Оказывается, два электрона с противоположными спинами могут образовывать пары, которые обладают нулевым полным спином, и эти пары уже являются бозонами и могут образовать Бозе-конденсат. Такие пары электронов называются куперовскими парами (их-то и придумал один из создателей теории сверхпроводимости Купер), и их конденсация и приводит к явлению сверхпроводимости. Но это еще не все. Нетрудно представить, что для спаривания электронов необходимо их притяжение друг к другу. Но хорошо известно из классической электродинамики, что две одинаково заряженные частицы отталкиваются, а не притягиваются. 

Нашелся выход и из этого противоречия. Оказывается, притяжение между электронами может происходить путем обмена фононами — квантовыми колебаниями решетки атомов металла, и этот факт уже позволил закончить построение теории сверхпроводимости. Теперь легко понять, почему прошло 46 лет между открытием явления сверхпроводимости и его объяснением. Каждый шаг в построении теории был революционным, и этих шагов было много. И это все было сделано для объяснения явления, которое можно наблюдать в небольшой лаборатории, для этого не требуются мощные ускорители или полеты в космос. 

А теперь представим, что можно было бы сделать проволоку из сверхпроводящего материала. В этом случае энергия не терялась бы при передаче на любые расстояния, и почему бы такое не попробовать?

К сожалению, в этом деле есть одно «но»: как мы уже упомянули, сверхпроводимость возникает при очень низких температурах, такую сверхпроводящую проволоку нужно было бы охлаждать жидким гелием. В то же время, само по себе охлаждение гелия требует очень больших энергетических (и, соответственно, денежных) затрат, и использование сверхпроводящих проволок оказалось бы значительно дороже стоимости энергетических потерь. Нетрудно понять, что значительные усилия в дальнейшем исследовании свойств сверхпроводников были потрачены на изучение возможности получения сверхпроводимости при более высоких температурах. В идеале, конечно, хотелось бы получить сверхпроводимость при «комнатной» температуре в 300 К (27 С). Но и сверхпроводники с температурой перехода выше точки сжижения азота (77 К) были бы очень кстати, так как получение жидкого азота гораздо дешевле, чем производства жидкого гелия.

Однако, многочисленные попытки получить сверхпроводники со столь высокой температурой не приводили к успеху вплоть до середины восьмидесятых годов. Более того, теоретические оценки давали для моделей, основанных на электрон-фононном механизме спаривания электронов, температуры перехода, не превышающие 25 К, что было недостаточно для промышленных применений.

Как гром среди ясного неба, пришло в 1986 году известие, что швейцарские ученые Беднорц и Мюллер открыли сверхпроводимость при гораздо более высоких температурах, за что уже в 1987 получили Нобелевскую премию. Материалы, которые они изучали, представляют собой окись меди и имеют слоистую структуру. Обычно для них используется слово «купраты». При комнатных температурах купраты являются плохими металлами с низкой проводимостью. По-видимому, это и является причиной того, что их не рассматривали в качестве серьезных кандидатов для создания высокотемпературных сверхпроводников.

На сегодняшний день температуры сверхпроводящих переходов в купратах достигают 140 К (-137 С). Это все еще значительно ниже комнатных температур, но уже значительно выше температуры кипения азота. Последнее обстоятельство уже привело к практическим применениям высокотемпературных сверхпроводников на практике. Уже имеются фирмы, которые производят проволоки, покрытые обычными металлами с «начинкой из купратов». 

Тем не менее, вопрос о создании сверхпроводников при комнатных температурах остался до сих пор нерешенным. Простой перебор различных химических соединений не выглядит многообещающим способом получения сверхпроводимости при комнатных температурах, так как число возможных соединений огромно. Гораздо более разумно было бы сначала понять, почему температура перехода в купратах настолько превосходит соответствующие температуры в «обычных» металлах.  

Является ли обмен фононами главной причиной спаривания электронов в купратах, как это происходит в обычных металлах?

Чтобы ответить на этот вопрос, огромное число как теоретиков, так и экспериментаторов взялись за изучение механизма образования сверхпроводимости в купратах. На сегодняшний день, большинство ученых считает, что фононный механизм спаривания электронов маловероятен. Число предложений выдвинутых к настоящему времени велико и все их трудно перечислить. Естественно, все они обещают высокую температуру сверхпроводящего перехода. Но что нужно делать для того, чтобы выбрать один единственный механизм, который бы однозначно объяснил происхождение сверхпроводимости, и действие которого можно было бы улучшить уже нацелено проверяя и изменяя химические соединения?

Конечно, точное вычисление температуры перехода для каждого из купратных соединений и для всех предложенных механизмов, и дальнейшее сравнение с экспериментальными данными могло бы помочь выбрать «правильный» механизм. К сожалению, этот метод использования «грубой физической силы» практически невозможен, так как на это не хватит никаких мощностей существующих на Земле компьютеров.

Как всегда, лучше подумать, этим занимаются теоретики во всем мире и, в частности, группа в НИТУ «МИСиС», которой я руковожу. Основная идея состоит в том, что разумная модель для сверхпроводимости должна объяснять не только сверхпроводимость, но и ряд других явлений в купратах. Таких явлений в купратах очень много. Например, несколько лет назад было обнаружено существование модуляции электронного заряда. Значит, правильная теория должна объяснять и это явление, что значительно сужает число кандидатов на роль механизма спаривания электронов. Работая над проблемой высокотемпературной сверхпроводимости, мы стартуем с модели электронов, взаимодействующих посредством обмена флуктуациями намагниченности. Такое предположение можно обосновывать тем, что купраты при допировании атомами кислорода претерпевают переход антиферромагнетик-нормальный металл. Сверхпроводимость может появляться только в металлическом состоянии, но близость к антиферромагнетику делает предположение об обмене антиферромагнитными флуктуациями вполне вероятным. 

Разнообразие состояний купратов — Предсказываемые состояние купратов в зависимости от Т-температуры и а-концетрации дополнительных носителей (допирование). AF- антиферромагнетик, SC- сверхпроводник, PG – псевдощелевое состояние, по многим косвенным признакам похожее на сверхпроводящее, однако с ненулевым сопротивлением. Из работы K.B. Efetov, H. Meier, C. Pepin, Nat. Phys. 9, 442 (2013)

Нам уже удалось объяснить с помощью этого предположения несколько важных явлений в купратах, но приходится все время следить за новыми экспериментальными данными, которые позволяют корректировать или уточнять получаемые теоретические результаты. Нам кажется, что мы на верном пути, а наша работа поможет разобраться с явлениями, наблюдаемыми в купратах. После этого уже можно будет думать и о том, в каком направлении работать, чтобы увеличить температуру перехода. Благодаря тесному сотрудничеству с исследователями из разных стран эта задача не выглядит неразрешимой.

Возврат к списку


Сверхпроводимость при комнатной температуре: реванш советской науки

https://ria.ru/20190423/1552922691.html

Сверхпроводимость при комнатной температуре: реванш советской науки

Сверхпроводимость при комнатной температуре: реванш советской науки

Ученые добились сверхпроводящего состояния вещества при рекордно высокой температуре — минус 13 градусов Цельсия. Для этого к образцу пришлось приложить… РИА Новости, 23.04.2019

2019-04-23T08:00

2019-04-23T08:00

2019-04-23T22:03

сверхпроводники

троицк

наука

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdn23.img.ria.ru/images/155208/49/1552084915_0:71:1036:654_1920x0_80_0_0_7db700a5ba73633a888626fc01f006ae.jpg

МОСКВА, 23 апр — РИА Новости, Татьяна Пичугина. Ученые добились сверхпроводящего состояния вещества при рекордно высокой температуре — минус 13 градусов Цельсия. Для этого к образцу пришлось приложить давление около двух миллионов атмосфер. Подробностями уникального эксперимента с РИА Новости поделился один из авторов прорывной работы физик Виктор Стружкин. «Тухлое» открытие нобелевского уровняВ 2015 году ученые из Германии, возглавляемые Михаилом Еремцом, опубликовали в Nature статью о том, что сероводород (h3S) становится сверхпроводником при 203 кельвинах (минус 70 градусов Цельсия). В СМИ это явление окрестили «тухлой» сверхпроводимостью. В декабре прошлого года та же научная группа сообщила, что с супергидридом лантана (Lah20) добилась температуры перехода в сверхпроводящее состояние (Tc) на уровне 250 кельвинов. Их достижение превзошла группа Рассела Хемли из Университета Джорджа Вашингтона в США: 260 кельвинов, что соответствует минус 13 градусам Цельсия, обычной зимней температуре. Это мировой рекорд на пути к одному из «священных граалей» физиков. Долго ли он продержится? Между занимающимися этой тематикой научными группами сильная конкуренция. «Мы планируем ряд экспериментов с гидридами лантана и иттрия, чтобы приблизиться к сверхпроводимости при комнатной температуре», — комментирует РИА Новости Виктор Стружкин, коллега Хемли, один из авторов этого исследования.Водород как металлСверхпроводимость известна больше века. Практически применяется с 1960-х, когда синтезировали ниобий-титан, переходящий в сверхпроводящее состояние при температурах жидкого гелия. В 1990-х открыли сверхпроводники нового класса — купраты, бораты, пниктиды. Их называют высокотемпературными, хотя работают они при минус 196 градусах, в жидком азоте. Для обоих видов сверхпроводников нужен криостат, что мешает их широкому распространению в электротехнике. Единственное массовое изделие, где они востребованы, — магнитно-резонансные томографы для медицины. И вдруг такой научный прорыв. Причем с совершенно другим классом веществ — легкими соединениями на основе водорода, или гидридами. «Сейчас только в них наблюдается сверхпроводимость при температурах, близких к комнатной. С купратами и соединениями железа прогресса нет, так как неизвестен механизм сверхпроводимости в них, следовательно, непонятно, по каким параметрам оптимизировать сверхпроводящий переход. В гидридах, напротив, все известно — там фононный механизм, описываемый теорией Бардина, Купера и Шриффера», — продолжает Стружкин. Согласно теории БКШ (так ее называют для краткости), в кристаллической решетке вещества возникает фонон — область энергетического возбуждения. В ее центре находится ион, к которому стягиваются электроны. В результате образуется куперовская пара — два электрона, действующие как одна частица. Они движутся по кристаллической решетке, не встречая препятствий. Эти куперовские пары обеспечивают сверхпроводимость — ток по образцу без сопротивления и, соответственно, потерь энергии. Если металлы нужно охлаждать до температуры жидкого гелия, чтобы перевести в сверхпроводящее состояние, то для водорода и его соединений такого ограничения нет. Эту теорию британский физик Нейл Ашкрофт выдвинул еще в 1968 году. Лишь спустя полвека, используя квантовую механику и получив в свое распоряжение мощные суперкомпьютеры, ученые выяснили, какие соединения перспективны в качестве сверхпроводников. Экспериментаторам осталось все это проверить. В алмазных тисках»Мы подготавливаем камеру с алмазными наковальнями и образцом диаметром около пятидесяти и толщиной два-три микрона. После этого отправляемся на синхротрон, где образец нагревается лазером. Там мы убеждаемся с помощью дифракции рентгеновских лучей, что получена нужная фаза супергидрида, предсказанная в теории. Затем в лаборатории проверяем сопротивление или магнитную восприимчивость в зависимости от температуры и, если все прошло удачно, регистрируем сверхпроводящий переход», — кратко излагает суть исследования Виктор Стружкин. Он и его коллеги применили совершенно новый подход — синтезировали гидрид лантана прямо в ячейке с алмазными наковальнями под давлением 180 гигапаскалей. По мере остывания образца, на 260 кельвинах, в нем зафиксировали резкое уменьшение сопротивления, что означало переход в сверхпроводящее состояние. Под давлением в двести гигапаскалей скачок произошел при 280 кельвинах. «Обычно переход в сверхпроводящее состояние сопровождается эффектом Мейснера, когда магнитное поле вытесняется из образца. Этот момент фиксируется различными чувствительными методами. Другой подход — измерение электрического сопротивления, которое падает до нуля в момент перехода», — поясняет физик.Доказать нулевое сопротивление из-за различных погрешностей в эксперименте технически сложно, поэтому часто дополнительно выполняют измерения в магнитном поле, которое должно снижать Тс.»Если такое снижение наблюдается, то с большой долей вероятности переход — сверхпроводящий. Хотя даже в этом случае сверхпроводимость может осуществляться по поверхности образца. Для строгого доказательства необходимы измерения магнитной (объемной) восприимчивости и эффекта Мейснера», — уточняет он. Все стадии эксперимента, включая измерения, — трудоемкие и требуют много времени. Чтобы только попасть на синхротрон, необходимо участвовать в конкурсе проектов. Получить доступ к установке удается всего несколько раз в год, в соответствии с ее рабочим циклом. Один опыт может длиться от нескольких недель до полугода, в зависимости от многих обстоятельств. Камера высокого давления или криостат?Нет сомнений, что физики получат сверхпроводник при комнатной температуре в самое ближайшее время. Научная значимость этого открытия огромна. А вот практические перспективы пока не проглядываются из-за очень высокого давления (как в недрах планет), под которым должен находиться материал. Без этого сверхпроводящее состояние исчезнет. Может быть, упаковать гидрид в какие-то наноструктуры, например углеродные нанотрубки, чтобы поддержать высокое давление? Такую идею высказал в разговоре с РИА Новости академик Вадим Бражкин, директор Института физики высоких давлений РАН в Троицке (ИФВД). «Не думаю, что наноструктуры или тонкие слои способны поддерживать давление в двести гигапаскалей. Известно, что в гетероструктурах удается создавать стресс (давление) до двух гигапаскалей», — аргументирует Виктор Стружкин. Он видит другой путь — помещать сверхпроводник в камеру высокого давления. Нужные условия там можно поддерживать годами. Окажутся ли такие изделия более дешевыми в производстве и эксплуатации, чем низко- и высокотемпературные сверхпроводники, для которых требуется криостат, покажет только практика. Прорыв, подготовленный в СССРПрорыв в области сверхпроводимости — заслуга наших соотечественников, выходцев из ИФВД. Виктор Стружкин проходил там практику в лаборатории Ефима Ицкевича во время учебы в МФТИ. В 1980-м пришел туда по распределению и совместно с Вячеславом Крайденовым занимался тепловыми свойствами металлов при гелиевых температурах и высоком давлении. «Через несколько лет я сменил тематику и начал исследовать оптические свойства аморфных материалов, занялся алмазными камерами в лаборатории Анатолия Макаровича Широкова вместе с Михаилом Еремцом и другими коллегами и студентами. Там же у нас возник интерес к высокотемпературным медным сверхпроводникам — купратам», — вспоминает ученый. В 1987 году он приступил к изучению фононов и магнонов (магнитные возбуждения) в купратах, сотрудничая с Институтом физики твердого тела в Черноголовке. «Я продолжал заниматься купратами во время стажировки в Германии в начале 1990-х, а затем стал работать с геофизической лабораторией в Институте Карнеги в Вашингтоне по исследованию сверхпроводников, благодаря замечательному методу измерений магнитной восприимчивости в алмазных ячейках, предложенному Юрием Тимофеевым из ИФВД», — рассказывает физик.Его всегда интересовало, как получить материалы с максимальной сверхпроводящей температурой. А потенциальные рекордсмены в этой области — гидриды. Сейчас Виктор Стружкин работает в геофизической лаборатории в Институте Карнеги в Вашингтоне, сотрудничает с ИФВД в Троицке и Институтом Дейва Мао в Китае.

https://ria.ru/20151218/1344287882.html

https://ria.ru/20180724/1525154070.html

троицк

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og. xn--p1ai/awards/

2019

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

https://cdn25.img.ria.ru/images/155208/49/1552084915_0:0:1037:777_1920x0_80_0_0_8bd63ce04abdd3cead13e2920a26a1cb.jpg

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

сверхпроводники, троицк

МОСКВА, 23 апр — РИА Новости, Татьяна Пичугина. Ученые добились сверхпроводящего состояния вещества при рекордно высокой температуре — минус 13 градусов Цельсия. Для этого к образцу пришлось приложить давление около двух миллионов атмосфер. Подробностями уникального эксперимента с РИА Новости поделился один из авторов прорывной работы физик Виктор Стружкин.

«Тухлое» открытие нобелевского уровня

В 2015 году ученые из Германии, возглавляемые Михаилом Еремцом, опубликовали в Nature статью о том, что сероводород (H2S) становится сверхпроводником при 203 кельвинах (минус 70 градусов Цельсия). В СМИ это явление окрестили «тухлой» сверхпроводимостью. В декабре прошлого года та же научная группа сообщила, что с супергидридом лантана (LaH10) добилась температуры перехода в сверхпроводящее состояние (Tc) на уровне 250 кельвинов. Их достижение превзошла группа Рассела Хемли из Университета Джорджа Вашингтона в США: 260 кельвинов, что соответствует минус 13 градусам Цельсия, обычной зимней температуре.

Это мировой рекорд на пути к одному из «священных граалей» физиков. Долго ли он продержится? Между занимающимися этой тематикой научными группами сильная конкуренция.

«Мы планируем ряд экспериментов с гидридами лантана и иттрия, чтобы приблизиться к сверхпроводимости при комнатной температуре», — комментирует РИА Новости Виктор Стружкин, коллега Хемли, один из авторов этого исследования.

Водород как металл

Сверхпроводимость известна больше века. Практически применяется с 1960-х, когда синтезировали ниобий-титан, переходящий в сверхпроводящее состояние при температурах жидкого гелия.

В 1990-х открыли сверхпроводники нового класса — купраты, бораты, пниктиды. Их называют высокотемпературными, хотя работают они при минус 196 градусах, в жидком азоте.

Для обоих видов сверхпроводников нужен криостат, что мешает их широкому распространению в электротехнике. Единственное массовое изделие, где они востребованы, — магнитно-резонансные томографы для медицины.

И вдруг такой научный прорыв. Причем с совершенно другим классом веществ — легкими соединениями на основе водорода, или гидридами.

«Сейчас только в них наблюдается сверхпроводимость при температурах, близких к комнатной. С купратами и соединениями железа прогресса нет, так как неизвестен механизм сверхпроводимости в них, следовательно, непонятно, по каким параметрам оптимизировать сверхпроводящий переход. В гидридах, напротив, все известно — там фононный механизм, описываемый теорией Бардина, Купера и Шриффера», — продолжает Стружкин.

Согласно теории БКШ (так ее называют для краткости), в кристаллической решетке вещества возникает фонон — область энергетического возбуждения. В ее центре находится ион, к которому стягиваются электроны. В результате образуется куперовская пара — два электрона, действующие как одна частица. Они движутся по кристаллической решетке, не встречая препятствий.

Эти куперовские пары обеспечивают сверхпроводимость — ток по образцу без сопротивления и, соответственно, потерь энергии.

Если металлы нужно охлаждать до температуры жидкого гелия, чтобы перевести в сверхпроводящее состояние, то для водорода и его соединений такого ограничения нет. Эту теорию британский физик Нейл Ашкрофт выдвинул еще в 1968 году.

Лишь спустя полвека, используя квантовую механику и получив в свое распоряжение мощные суперкомпьютеры, ученые выяснили, какие соединения перспективны в качестве сверхпроводников. Экспериментаторам осталось все это проверить.

В алмазных тисках

«Мы подготавливаем камеру с алмазными наковальнями и образцом диаметром около пятидесяти и толщиной два-три микрона. После этого отправляемся на синхротрон, где образец нагревается лазером. Там мы убеждаемся с помощью дифракции рентгеновских лучей, что получена нужная фаза супергидрида, предсказанная в теории. Затем в лаборатории проверяем сопротивление или магнитную восприимчивость в зависимости от температуры и, если все прошло удачно, регистрируем сверхпроводящий переход», — кратко излагает суть исследования Виктор Стружкин.

Он и его коллеги применили совершенно новый подход — синтезировали гидрид лантана прямо в ячейке с алмазными наковальнями под давлением 180 гигапаскалей. По мере остывания образца, на 260 кельвинах, в нем зафиксировали резкое уменьшение сопротивления, что означало переход в сверхпроводящее состояние.

Под давлением в двести гигапаскалей скачок произошел при 280 кельвинах.

18 декабря 2015, 11:12НаукаNature: «тухлые» сверхпроводники сделали физика из России ученым годаРоссийско-немецкий физик Михаил Еремец был назван редакцией журнала Nature одним из десяти ученых года за его разработки в области сверхпроводников и, в частности, за разработку экзотических сероводородных сверхпроводящих материалов.

«Обычно переход в сверхпроводящее состояние сопровождается эффектом Мейснера, когда магнитное поле вытесняется из образца. Этот момент фиксируется различными чувствительными методами. Другой подход — измерение электрического сопротивления, которое падает до нуля в момент перехода», — поясняет физик.

Доказать нулевое сопротивление из-за различных погрешностей в эксперименте технически сложно, поэтому часто дополнительно выполняют измерения в магнитном поле, которое должно снижать Тс.

«Если такое снижение наблюдается, то с большой долей вероятности переход — сверхпроводящий. Хотя даже в этом случае сверхпроводимость может осуществляться по поверхности образца. Для строгого доказательства необходимы измерения магнитной (объемной) восприимчивости и эффекта Мейснера», — уточняет он.

Все стадии эксперимента, включая измерения, — трудоемкие и требуют много времени. Чтобы только попасть на синхротрон, необходимо участвовать в конкурсе проектов. Получить доступ к установке удается всего несколько раз в год, в соответствии с ее рабочим циклом. Один опыт может длиться от нескольких недель до полугода, в зависимости от многих обстоятельств.

Камера высокого давления или криостат?

Нет сомнений, что физики получат сверхпроводник при комнатной температуре в самое ближайшее время. Научная значимость этого открытия огромна. А вот практические перспективы пока не проглядываются из-за очень высокого давления (как в недрах планет), под которым должен находиться материал. Без этого сверхпроводящее состояние исчезнет.

Может быть, упаковать гидрид в какие-то наноструктуры, например углеродные нанотрубки, чтобы поддержать высокое давление? Такую идею высказал в разговоре с РИА Новости академик Вадим Бражкин, директор Института физики высоких давлений РАН в Троицке (ИФВД).

«Не думаю, что наноструктуры или тонкие слои способны поддерживать давление в двести гигапаскалей. Известно, что в гетероструктурах удается создавать стресс (давление) до двух гигапаскалей», — аргументирует Виктор Стружкин.

Он видит другой путь — помещать сверхпроводник в камеру высокого давления. Нужные условия там можно поддерживать годами.

Окажутся ли такие изделия более дешевыми в производстве и эксплуатации, чем низко- и высокотемпературные сверхпроводники, для которых требуется криостат, покажет только практика.

Прорыв, подготовленный в СССР

Прорыв в области сверхпроводимости — заслуга наших соотечественников, выходцев из ИФВД. Виктор Стружкин проходил там практику в лаборатории Ефима Ицкевича во время учебы в МФТИ. В 1980-м пришел туда по распределению и совместно с Вячеславом Крайденовым занимался тепловыми свойствами металлов при гелиевых температурах и высоком давлении.

«Через несколько лет я сменил тематику и начал исследовать оптические свойства аморфных материалов, занялся алмазными камерами в лаборатории Анатолия Макаровича Широкова вместе с Михаилом Еремцом и другими коллегами и студентами. Там же у нас возник интерес к высокотемпературным медным сверхпроводникам — купратам», — вспоминает ученый.

В 1987 году он приступил к изучению фононов и магнонов (магнитные возбуждения) в купратах, сотрудничая с Институтом физики твердого тела в Черноголовке.

«Я продолжал заниматься купратами во время стажировки в Германии в начале 1990-х, а затем стал работать с геофизической лабораторией в Институте Карнеги в Вашингтоне по исследованию сверхпроводников, благодаря замечательному методу измерений магнитной восприимчивости в алмазных ячейках, предложенному Юрием Тимофеевым из ИФВД», — рассказывает физик.

Его всегда интересовало, как получить материалы с максимальной сверхпроводящей температурой. А потенциальные рекордсмены в этой области — гидриды.

Сейчас Виктор Стружкин работает в геофизической лаборатории в Институте Карнеги в Вашингтоне, сотрудничает с ИФВД в Троицке и Институтом Дейва Мао в Китае.

24 июля 2018, 08:00Наука»Чего вы там пыжитесь?» Москва установит мировой рекорд сверхпроводимости

Сверхпроводимость | Инженерные решения

Некоторые материалы, когда их температура опускается ниже определенного значения, могут переходить в состояние с нулевым электрическим сопротивлением. Такая температура называется критической. На сегодняшний день насчитывается большое количество соединений, элементов, сплавов, а также керамик, обладающих сверхпроводящими свойствами.

Сверхпроводимость — это явление квантовое. Сверхпроводники обладают свойством выталкивания магнитного поля из своего объема, такое поведение называют эффектом Мейснера. Наличие такого эффекта говорит о том, что явление сверхпроводимости нельзя описывать как идеальную проводимость в классической физике.

Высокотемпературная сверхпроводимость с использованием жидкого азота, достаточно дешевой криогенной жидкости, нашла своё применение на практике в 1986-1993гг.

На сегодняшний день наибольшую распространенность получила так называемая сверхпроводящая керамика на основе YBCO, купить сверхпроводник вы всегда можете в нашей организации.

ООО «Инженерные решения» производит сверхпроводящую керамику YBCO двух видов:

Нами разработаны технологии синтеза качественных высокотемпературных сверхпроводящих порошков состава YBa2Cu3O7-x (YBCO). Порошок синтезируется с использованием свежеприготовленных реагентов высокой степени чистоты, смесь которых в тигле из благородного металла перемешивается при соответствующей температуре на молекулярном уровне, обеспечивая высокую гомогенность по катионам. Синтезированный YBCO порошок является основой для производства объемных ВТСП изделий, сверхпроводящих пленок и сверхпроводниковых тонкопленочных структур.

В настоящее время сверхпроводимость приобретает все большее практическое значение, можно сказать, что начался отсчет эры инженерных приложений в области высокотемпературной сверхпроводимости. Опыт показывает, что практически любое направление науки и техники в той или иной мере, смогут воспользоваться результатами внедрения сверхпроводимости. В электронике: механизмы и средства спутниковой связи. В авиации и космонавтике: системы электромеханического запуска, левитирующие системы, электродвигатели, работающие на принципах гистерезиса, высокоскоростные поезда и другие виды наземного транспорта, работающие на магнитной подушке, электромобили и автомобили на ВТСП электродвигателях. В медицине: использование метода магниторезонансных изображений (МРИ), который позволяет получать визуальную картину различных человеческих органов.

Для защиты (экранирования) чувствительной электроники от слабых магнитных полей применяются сверхпроводящие магнитные экраны. Купить магнитный экран вы всегда можете в нашей компании.

Огромнейшее влияние высокотемпературная сверхпроводимость оказывает на энергетику, в частности на производство, сохранение, преобразование и передачу электрической энергии. Важной особенностью сверхпроводящих магнитов является их использование в качестве «Электромагнитных батарей». Другими примерами применения сверхпроводимости являются устройства накопления и сохранения энергии. Эти и многие другие области использования ВТСП не охватывают все возможные ее применения.

В настоящее время разрабатываются и изучаются пленочные элементы из высокотемпературных сверхпроводников, которые служат основой для сверхпроводниковой электроники. Важным прикладным направлением применения ВТСП является создание высокочувствительных устройств СКВИДов (Supercoducting Quantum Interference Device — SQUID). Причем наибольший интерес представляют пленочные СКВИДы.

На сегодняшний день в связи с бурным развитием физики наноструктур и нанотехнологий очень актуально выращивание и исследование сверхтонких пленок, представляющих собой двумерные наноструктуры.

Ученые нашли новый высокотемпературный сверхпроводник – Наука – Коммерсантъ

Группа под руководством профессора Сколтеха и МФТИ Артема Оганова и доктора Ивана Трояна из Института кристаллографии РАН смогли синтезировать новый сверхпроводящий материал — декагидрид тория (Thh20) с очень высокой критической температурой (161 К). Исследование поддержано грантом Российского научного фонда.

Cверхпроводимость — удивительное свойство квантовых материалов, приводящее к полной потере электрического сопротивления в определенных, порой весьма суровых условиях. Такие материалы очень интересны для электроники, так как могут найти применение в квантовых компьютерах и высокочувствительных детекторах. Однако есть большая сложность: проявляется это явление обычно при весьма низких температурах или крайне высоких давлениях. До недавнего времени рекорд удерживал ртутьсодержащий купрат с температурой сверхпроводимости 135 К (–138 градусов Цельсия). Рекорд этого года — минус 13 градусов Цельсия (декагидрид лантана, Lah20), что очень близко к комнатной температуре, но достигается это при очень высоких давлениях почти 2 млн атмосфер, что затрудняет практическое использование этого вещества.

Важно найти сверхпроводимость при температуре и давлении, близких к комнатным. В 2018 году в лаборатории профессора Сколтеха и МФТИ Артема Оганова его сотрудником Александром Квашниным было сделано предсказание нового вещества, полигидрида тория Thh20, с критической температурой –32 градуса Цельсия при давлении 1 млн атмосфер.

В новом исследовании ученым из Института кристаллографии РАН, Сколтеха, МФТИ и Физического института им. П. Н. Лебедева (ФИАН) удалось получить это вещество и исследовать его транспортные свойства и сверхпроводимость. В согласии с теоретическим предсказанием было обнаружено, что Thh20 существует при давлениях выше 0,85 млн атмосфер и является выдающимся высокотемпературным сверхпроводником. Критическую температуру удалось определить только при давлении 1,7 млн атмосфер, где она оказалась равной –112 градусов Цельсия, что совпадает с теоретическим предсказанием для этого давления и уже сейчас ставит Thh20 в ряд рекордных высокотемпературных сверхпроводников.

«Современная теория и, в частности, разработанный мной и моими учениками метод USPEX в очередной раз показывают удивительную предсказательную мощь. Предсказанное вещество Thh20, не вписывающееся в рамки классической химии и обладающее, согласно теории, уникальными свойствами, подтверждено теперь и экспериментом. Причем качество экспериментальных данных, полученных в лаборатории Ивана Трояна, весьма высокое»,— рассказывает соруководитель исследования Артем Оганов.

«Мы увидели предсказанную теорией сверхпроводимость при –112 градусах Цельсия и 1,7 млн атмосфер. Учитывая замечательное согласие теории и эксперимента, интересно узнать, вырастет ли при более низких давлениях сверхпроводимость этого вещества до предсказанных –30–40 градусов Цельсия»,— отметил соруководитель исследования, доктор физико-математических наук Иван Троян.

«Гидрид тория — это лишь отдельное звено большого, динамично развивающегося класса гидридных сверхпроводников. Я считаю, что в ближайшие годы гидридная сверхпроводимость покинет криогенную область и перейдет в плоскость конструирования электронных устройств на их основе»,— подчеркнул автор исследования, аспирант Сколтеха Дмитрий Семенок.

По материалам статьи «Superconductivity at 161K in thorium hydride Thh20: Synthesis and properties»; Dmitry V. Semenok, Alexander G. Kvashnin, Anna G. Ivanova, Volodymyr Svitlyk, Vyacheslav Yu. Fominski, Andrey V. Sadakov, Oleg A. Sobolevskiy, Vladimir M. Pudalov, Ivan A.Troyan, Artem R. Oganov; журнал Materials Today, ноябрь 2019 г.

Первый сверхпроводник, работающий при комнатной температуре, волнует — и сбивает с толку — ученых

Лаборатория сверхпроводимости в Рочестерском университете, Нью-Йорк Фото: Адам Фенстер

Ученые создали загадочный материал, который, кажется, проводит электричество без какого-либо сопротивления при температурах примерно до 15 ° C. Это новый рекорд сверхпроводимости, явления, обычно связанного с очень низкими температурами.Сам материал плохо изучен, но он показывает потенциал класса сверхпроводников, обнаруженных в 2015 году.

Однако у сверхпроводника есть одно серьезное ограничение: он выживает только при чрезвычайно высоких давлениях, приближаясь к тем, которые находятся в центре Земли, а это означает, что немедленного практического применения у него не будет. Тем не менее, физики надеются, что это может проложить путь к разработке материалов с нулевым сопротивлением, которые могут работать при более низких давлениях.

Сверхпроводники находят множество технологических применений, от машин магнитно-резонансной томографии до вышек мобильной связи, и исследователи начинают экспериментировать с ними в высокопроизводительных генераторах для ветряных турбин.Но их полезность все еще ограничена необходимостью громоздких криогеников. Обычные сверхпроводники работают при атмосферном давлении, но только при очень низких температурах. Даже самые сложные из них — керамические материалы на основе оксида меди — работают только при температуре ниже 133 кельвина (-140 ° C). Сверхпроводники, работающие при комнатной температуре, могут иметь большое технологическое влияние, например, в электронике, которая работает быстрее без перегрева.

Последнее исследование, опубликованное 14 октября в журнале Nature 1 , кажется, дает убедительные доказательства высокотемпературной проводимости, говорит физик Михаил Еремец из Института химии Макса Планка в Майнце, Германия, хотя он добавляет, что он хотел бы увидеть больше «сырых данных» эксперимента.Он добавляет, что это подтверждает направление работы, начатое им в 2015 году, когда его группа сообщила о 2 первом высокотемпературном сверхпроводнике высокого давления — соединении водорода и серы, которое имело нулевое сопротивление до -70 ° C.

В 2018 году соединение водорода и лантана под высоким давлением было показано 3 как сверхпроводящее при -13 ° C. Но последний результат знаменует собой первый случай, когда подобная сверхпроводимость была обнаружена в соединении трех элементов, а не двух — материал состоит из углерода, серы и водорода.Добавление третьего элемента значительно расширяет комбинации, которые могут быть включены в будущие эксперименты по поиску новых сверхпроводников, говорит соавтор исследования Ашкан Саламат, физик из Университета Невады в Лас-Вегасе. «Мы открыли совершенно новый регион» исследований, — говорит он.

Материалы, обладающие сверхпроводимостью при высоких, но не экстремальных давлениях, уже можно использовать, — говорит Мэддури Сомаязулу, специалист по материалам высокого давления из Аргоннской национальной лаборатории в Лемонте, штат Иллинойс.Исследование показывает, что, «разумно выбрав третий и четвертый элементы» в сверхпроводнике, говорит он, можно в принципе снизить его рабочее давление.

Работа также подтверждает сделанные десятилетиями назад предсказания физика-теоретика Нила Эшкрофта из Корнельского университета в Итаке, штат Нью-Йорк, о том, что богатые водородом материалы могут иметь сверхпроводимость при температурах, намного превышающих возможные. «Я думаю, что очень немногие люди за пределами сообщества высокого давления воспринимали его всерьез», — говорит Сомаязулу.

Загадочный материал

Физик Ранга Диас из Университета Рочестера в Нью-Йорке вместе с Саламатом и другими сотрудниками поместил смесь углерода, водорода и серы в микроскопическую нишу, которую они вырезали между остриями двух алмазов. Затем они инициировали химические реакции в образце с помощью лазерного излучения и наблюдали, как формируется кристалл. Когда они снизили экспериментальную температуру, сопротивление току, проходящему через материал, упало до нуля, указывая на то, что образец стал сверхпроводящим.Затем они увеличили давление и обнаружили, что этот переход происходит при все более высоких температурах. Их лучшим результатом была температура перехода 287,7 кельвина при 267 гигапаскалей, что в 2,6 миллиона раз больше атмосферного давления на уровне моря.

Исследователи также обнаружили некоторые доказательства того, что кристалл испускает свое магнитное поле при температуре перехода, что является важным тестом на сверхпроводимость. Но многое из этого материала остается неизвестным, предупреждают исследователи. «Есть много дел, — говорит Еремец.Даже точная структура и химическая формула кристалла еще не выяснены. «Чем выше давление, тем меньше размер выборки», — говорит Саламат. «Вот что делает такие измерения действительно сложными».

Сверхпроводники высокого давления, состоящие из водорода и еще одного элемента, хорошо изучены. «И исследователи провели компьютерное моделирование смесей углерода, водорода и серы под высоким давлением», — говорит Ева Зурек, химик-компьютерщик из Государственного университета Нью-Йорка в Буффало.Но она говорит, что эти исследования не могут объяснить исключительно высокие сверхпроводящие температуры, наблюдаемые группой Диаса. «Я уверена, что после того, как эта рукопись будет опубликована, многие теоретические и экспериментальные группы воспользуются этой проблемой», — говорит она.

физиков официально побили рекорд высокотемпературной сверхпроводимости

Немецкие ученые достигли нового рубежа в области сверхпроводимости — получили электрический ток без сопротивления при самой высокой температуре: всего 250 Кельвинов, или -23 градуса Цельсия (-9. 4 градуса по Фаренгейту).

Работой руководил Михаил Еремец, физик из Химического института Макса Планка, который установил предыдущий рекорд сверхпроводимости в 2014 году — 203 Кельвина (-70 градусов Цельсия).

Сверхпроводимость, впервые обнаруженная в 1911 году, — любопытное явление. Обычно электрический ток встречает некоторую степень сопротивления — наподобие того, как сопротивление воздуха отталкивает, например, движущийся объект.

Чем выше проводимость материала, тем меньше у него электрическое сопротивление, и ток может течь более свободно.

Но при низких температурах с некоторыми материалами происходит что-то странное. Сопротивление снижается до нуля, и ток течет беспрепятственно. Когда он сопровождается так называемым эффектом Мейснера — изгнанием магнитных полей материала при его переходе ниже этой критической температуры — это называется сверхпроводимостью.

Так называемая сверхпроводимость при комнатной температуре, выше 0 градусов Цельсия, для ученых — это что-то вроде белого кита. Если бы это было возможно, это произвело бы революцию в области электрического КПД, значительно улучшив электрические сети, высокоскоростную передачу данных и электрические двигатели, и это лишь некоторые из возможных приложений.

Так что это то, над чем работают многие лаборатории по всему миру, и время от времени появляются новые заявления о высокотемпературной сверхпроводимости, которые затем не проходят тесты на воспроизводимость.

Еремец и его команда достигли предыдущего рекорда высокотемпературной сверхпроводимости, используя сероводород — да, соединение, которое делает тухлые яйца и вонючий человеческий метеоризм — при давлении 150 гигапаскалей (ядро Земли находится между 330 и 360 гигапаскалями).

Ученые, которые поспешили понять сверхпроводимость сероводорода, полагают, что этот результат возможен, потому что сероводород — настолько легкий материал, что он может вибрировать с высокими скоростями, что означает более высокие температуры, — но необходимо давление, чтобы он не колебался.

В этом новом исследовании использовался другой материал, называемый гидридом лантана, при давлении около 170 гигапаскалей. Ранее в этом году команда сообщила, что с помощью этого материала достигла сверхпроводимости при 215 Кельвинах (-58.15 C °, -72 F °) — и теперь, всего несколько месяцев спустя, они улучшили этот результат.

Новая температура почти вдвое ниже средней зимней температуры на Северном полюсе.

«Этот скачок на 50 Кельвинов по сравнению с предыдущим рекордом критической температуры в 203 Кельвина, — писали исследователи в своей статье, — указывает на реальную возможность достижения сверхпроводимости при комнатной температуре (то есть на уровне 273 Кельвина) в ближайшем будущем. при высоких давлениях и перспективах обычной сверхпроводимости при атмосферном давлении.»

Есть три теста, сообщает MIT Technology Review, которые считаются золотым стандартом сверхпроводимости, и команда достигла только двух: падение сопротивления ниже критического температурного порога и замена элементов в материале более тяжелыми. изотопов, чтобы наблюдать соответствующее падение температуры сверхпроводимости.

Третий — эффект Мейснера, который является названием, данным одной из сигнатур сверхпроводимости. Когда материал опускается ниже критической температуры и переходит в сверхпроводимость, он излучает свое магнитное поле .

Команде еще предстоит наблюдать это явление, потому что их образец настолько мал — значительно ниже возможностей обнаружения их магнитометра. Однако переход в сверхпроводимость сказывается и на внешнем магнитном поле. Это не прямое обнаружение, но команда смогла наблюдать этот эффект.

Это не эффект Мейснера, но выглядит многообещающим. И вы можете поспорить, что физики, у которых есть такая возможность, будут падать друг на друга, чтобы проверить и попытаться воспроизвести результат команды.

Статья была опубликована в журнале Nature , а предварительная печать доступна на arXiv .

Предыдущая версия этой статьи, охватывающая предпечатную версию исследования, была опубликована в декабре 2018 года.

Высокотемпературные сверхпроводники | Физика

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Укажите сверхпроводники и способы их использования.
  • Обсудите необходимость в сверхпроводнике с высоким T c .

Сверхпроводники — это материалы с нулевым удельным сопротивлением. Они знакомы широкой публике из-за их практического применения и упоминались в ряде мест в тексте. Поскольку сопротивление части сверхпроводника равно нулю, нет никаких тепловых потерь для протекающих через них токов; они используются в магнитах, требующих больших токов, например, в аппаратах МРТ, и могут сократить потери энергии при передаче энергии.Но большинство сверхпроводников необходимо охлаждать до температур всего на несколько кельвинов выше абсолютного нуля, а это дорогостоящая процедура, ограничивающая их практическое применение. За последнее десятилетие были достигнуты огромные успехи в производстве материалов, которые становятся сверхпроводниками при относительно высоких температурах. Есть надежда, что когда-нибудь будут производиться сверхпроводники при комнатной температуре.

Сверхпроводимость была случайно обнаружена в 1911 году голландским физиком Х. Камерлинг-Оннесом (1853–1926), когда он использовал жидкий гелий для охлаждения ртути.Оннес был первым, кто за несколько лет до этого стал сжижать гелий, и был удивлен, обнаружив, что удельное сопротивление посредственного проводника, такого как ртуть, падает до нуля при температуре 4,2 К. Мы определяем температуру, при которой и ниже которой материал становится сверхпроводником. быть его критической температурой , обозначенной как T c . (См. Рис. 1). Прогресс в понимании того, как и почему материал стал сверхпроводником, был относительно медленным, и первая работоспособная теория появилась в 1957 году.Было обнаружено, что некоторые другие элементы также стали сверхпроводниками, но все они имели T c s менее 10 К, что дорого в обслуживании. Хотя Оннес получил Нобелевскую премию в 1913 году, в первую очередь за свою работу с жидким гелием.

Рис. 1. График зависимости удельного сопротивления от температуры для сверхпроводника показывает резкий переход к нулю при критической температуре T c . У высокотемпературных сверхпроводников T c s выше 125 К, что намного выше легко достижимой температуры жидкого азота 77 К.

В 1986 году был объявлен прорыв — было обнаружено, что керамический компаунд имеет беспрецедентное значение T c , равное 35 K. Похоже, что возможны гораздо более высокие критические температуры, а к началу 1988 года еще одна керамика (это таллия, кальция, бария, меди и кислорода) было обнаружено, что T c = 125 K (см. рисунок 2). Экономический потенциал идеальных проводников, позволяющих экономить электроэнергию, огромен для T c с выше 77 К, поскольку это температура жидкого азота. Хотя жидкий гелий имеет температуру кипения 4 К и может использоваться для создания сверхпроводящих материалов, он стоит около 5 долларов за литр. Жидкий азот кипит при 77 К, но стоит всего около 0,30 доллара за литр. Открытие этих сложных керамических сверхпроводников вызывало всеобщую эйфорию, но вскоре она утихла из-за отрезвляющей трудности, связанной с превращением их в пригодные для использования провода. Первое коммерческое использование высокотемпературного сверхпроводника — это электронный фильтр для сотовых телефонов. Высокотемпературные сверхпроводники используются в экспериментальной аппаратуре, и они активно исследуются, особенно в тонкопленочных приложениях.

Рис. 2. Одной из характеристик сверхпроводника является то, что он исключает магнитный поток и, таким образом, отталкивает другие магниты. Небольшой магнит, левитирующий над высокотемпературным сверхпроводником, охлаждаемым жидким азотом, свидетельствует о том, что этот материал является сверхпроводящим. Когда материал нагревается и становится проводящим, магнитный поток может проникнуть в него, и магнит будет опираться на него. (кредит: Saperaud)

Идут поиски еще более высоких сверхпроводников T c , многих из сложных и экзотических керамических материалов на основе оксида меди, иногда включающих стронций, ртуть или иттрий, а также барий, кальций и другие элементы.Комнатная температура (около 293 К) была бы идеальной, но любая температура, близкая к комнатной, относительно дешева в производстве и поддержании. Имеются постоянные сообщения о T c s выше 200 К и некоторых около 270 К. К сожалению, эти наблюдения обычно не воспроизводятся, поскольку образцы теряют свою сверхпроводящую природу после нагревания и повторного охлаждения (цикла) нескольких раз (см. рис. 3.) Их теперь называют USO или неопознанными сверхпроводящими объектами из-за разочарования и отказа некоторых образцов показать высокое значение T c , даже если они произведены таким же образом, как и другие.Воспроизводимость имеет решающее значение для открытия, и исследователи оправданно неохотно заявляют о прорыве, к которому они все стремятся. Время покажет, настоящие ли USO или экспериментальная причуда.

Рис. 3. (a) Этот график, взятый из статьи в Physics Today, показывает поведение одного образца высокотемпературного сверхпроводника в трех различных испытаниях. В одном случае образец показал T c около 230 К, тогда как в других он вообще не стал сверхпроводящим.Отсутствие воспроизводимости типично для передовых экспериментов и не позволяет делать окончательные выводы. (б) Эта красочная диаграмма показывает сложную, но систематическую природу решеточной структуры высокотемпературной сверхпроводящей керамики. (кредит: en: Cadmium, Wikimedia Commons)

Теория обычных сверхпроводников сложна, поскольку включает квантовые эффекты для удаленных друг от друга электронов, проходящих через материал. Электроны соединяются таким образом, чтобы они могли проходить сквозь материал, не теряя в нем энергии, что делает его сверхпроводником.Высокие- T c сверхпроводники труднее понять теоретически, но теоретики, похоже, приближаются к работающей теории. Сложность понимания того, как электроны могут проходить сквозь материалы, не теряя энергии при столкновениях, становится еще больше при более высоких температурах, когда колеблющиеся атомы должны мешать. Первооткрыватели высоких T c могут почувствовать нечто подобное тому, что однажды сказал политик после неожиданной победы на выборах: «Интересно, что мы сделали правильно?»

Сводка раздела

  • Высокотемпературные сверхпроводники — это материалы, которые становятся сверхпроводящими при температурах значительно выше нескольких кельвинов.
  • Критическая температура T c — это температура, ниже которой материал становится сверхпроводящим.
  • Некоторые высокотемпературные сверхпроводники подтвердили T c с выше 125 К, и есть сообщения о T c с до 250 К.

Концептуальные вопросы

  1. Что такое критическая температура T c ? Все ли материалы имеют критическую температуру? Объясните, почему да или почему нет.
  2. Объясните, как хороший тепловой контакт с жидким азотом может поддерживать температуру объектов 77 К (точка кипения жидкого азота при атмосферном давлении).
  3. Жидкий азот не только более дешевый хладагент, чем жидкий гелий, но и его температура кипения выше (77 К против 4,2 К). Как более высокая температура помогает снизить стоимость охлаждения материала? Объясните, что скорость теплопередачи связана с разницей температур между образцом и его окружением.

Задачи и упражнения

Секция сверхпроводящего провода пропускает ток 100 А и требует 1.00 л жидкого азота в час, чтобы поддерживать его температуру ниже критической. Для того чтобы использование сверхпроводящего провода было экономически выгодным, стоимость охлаждения провода должна быть меньше стоимости энергии, теряемой на нагрев в проводе. Предположим, что стоимость жидкого азота составляет 0,30 доллара за литр, а стоимость электроэнергии — 0,10 доллара за кВт · ч. Какое сопротивление у обычного провода, который стоит столько же потерь электроэнергии, сколько жидкий азот для сверхпроводника?

Глоссарий

Сверхпроводники: материалов с нулевым удельным сопротивлением

критическая температура: температура, при которой и ниже которой материал становится сверхпроводником

Решения проблем и упражнения

0. 30 Ом

Исследовательская группа решает экспериментальную задачу в области высокотемпературной сверхпроводимости

Сравнение сверхпроводящего состояния традиционного металла и легированного изолятора Мотта. Наличие двух зон в модели HK отличает их друг от друга, и на каждой образуется сверхпроводящая запрещенная зона. Предоставлено: Филлипс и др., Illinois Physics.

Спустя сорок пять лет после того, как сверхпроводимость была впервые обнаружена в металлах, физика, из которой она возникла, была окончательно объяснена в 1957 году в Университете Иллинойса в Урбана-Шампейн в теории сверхпроводимости Бардина-Купера-Шриффера (БКШ).

Тридцать лет спустя после достижения этого эталонного показателя перед физиками конденсированных сред встала новая загадка: открытие в 1987 году оксида меди или высокотемпературных сверхпроводников. Этот новый класс материалов, теперь широко известный как купраты, продемонстрировал физику, которая прямо выходит за рамки теории БКШ. Купраты являются изоляторами при комнатной температуре, но переходят в сверхпроводящую фазу при гораздо более высокой критической температуре, чем традиционные сверхпроводники БКШ.(Критическая температура купратов может достигать 170 Кельвинов — это -153,67 ° F — в отличие от гораздо более низкой критической температуры 4 Кельвина — или -452,47 ° F — для ртути, сверхпроводника БКШ.)

Открытие высокотемпературных сверхпроводников, которое было совершено более 30 лет назад, казалось, обещало, что на горизонте появится множество новых технологий. В конце концов, сверхпроводящая фаза купратов может быть достигнута с использованием жидкого азота в качестве хладагента вместо гораздо более дорогостоящего и редкого жидкого гелия, необходимого для охлаждения сверхпроводников BCS.Но до тех пор, пока необычное и неожиданное сверхпроводящее поведение этих изоляторов не будет теоретически объяснено, это обещание остается в основном невыполненным.

Результатом исследований как экспериментальной, так и теоретической физики было стремление найти удовлетворительное объяснение сверхпроводимости в купратах. Но сегодня это остается, пожалуй, самым острым нерешенным вопросом физики конденсированного состояния.

Теперь группа физиков-теоретиков Института теории конденсированных сред (ICMT) на факультете физики Иллинойского университета в Урбана-Шампейн под руководством профессора физики из Иллинойса Филиппа Филлипса впервые точно решила репрезентативную модель. купратной проблемы, модель Hatsugai-Kohmoto (HK) 1992 года легированного изолятора Мотта.

Команда опубликовала свои выводы в Интернете в журнале Nature Physics 27 июля 2020 г.

«Помимо очевидной разницы в сверхпроводящих температурах, купраты начинают свою жизнь как изоляторы Мотта, в которых электроны не движутся независимо, как в металле, а наоборот, сильно взаимодействуют», — объясняет Филлипс. «Это сильное взаимодействие, которое заставляет их так хорошо изолировать».

В своем исследовании группа Филлипса решает в точности аналог проблемы «спаривания Купера» из теории BCS, но теперь для легированного изолятора Мотта.

Что такое «Купер-спаривание»? Леон Купер продемонстрировал этот ключевой элемент теории БКШ: нормальное состояние традиционного сверхпроводящего металла неустойчиво к притягивающему взаимодействию между парами электронов. При критической температуре БКШ-сверхпроводника куперовские пары электронов проходят сквозь металл без сопротивления — это и есть сверхпроводимость!

«Это первая статья, которая точно показывает, что неустойчивость Купера существует даже в игрушечной модели легированного изолятора Мотта», — отмечает Филлипс.«Из этого мы показываем, что сверхпроводимость существует и что ее свойства резко отличаются от стандартной теории БКШ. Эта проблема оказалась настолько сложной, что до нашей работы была возможна только численная или предполагающая феноменология».

Филлипс благодарит научного сотрудника ICMT Эдвина Хуанга за написание аналога волновой функции БКШ для сверхпроводящего состояния для проблемы Мотта.

«Волновая функция — это ключевая вещь, с помощью которой вы должны сказать, что проблема решена», — говорит Филлипс. «Волновая функция Джона Роберта Шриффера оказалась вычислительной рабочей лошадкой всей теории БКШ. Все расчеты проводились с ее помощью. Для задач с взаимодействующими электронами чрезвычайно сложно написать волновую функцию. Фактически, пока только двухволновая были вычислены функции, которые описывают взаимодействующие состояния материи, одно — Робертом Лафлином в дробном квантовом эффекте Холла, а другое — Шриффером в контексте теории БКШ. подвиг«

На вопрос, почему купраты оказались такой загадкой для физиков, Филлипс поясняет: «На самом деле, именно сильные взаимодействия в состоянии Мотта помешали решить проблему сверхпроводимости в купратах. Было трудно даже продемонстрировать аналог проблемы спаривания Купера в любой модели легированного изолятора Мотта ».

Волновая функция изолятора Мотта Хуанга позволила Филлипсу, Хуангу и аспиранту физики Люку Йео решить ключевую экспериментальную задачу с купратами, известную как «изменение цвета».«В отличие от металлов, купраты демонстрируют повышенное поглощение излучения при низких энергиях с сопутствующим уменьшением поглощения при высоких энергиях. Команда Филлипса показала, что такое поведение является следствием того, что Филлипс называет« физикой Мотта »или« физикой Моттнесса »в сверхпроводящее состояние.

Моттнесс — это термин, придуманный Филлипсом для обозначения определенных коллективных свойств изоляторов Мотта, впервые предсказанных вскоре после Второй мировой войны британским физиком и лауреатом Нобелевской премии Невиллом Фрэнсисом Моттом.

Кроме того, исследователи показали, что сверхтекучая плотность, которая, как было замечено, подавлена ​​в купратах по сравнению с ее значением в металлах, также является прямым следствием Mottness материала.

Кроме того, группа Филлипса вышла за рамки проблемы Купера, чтобы продемонстрировать, что модель обладает сверхпроводящими свойствами, которые лежат за пределами теории БКШ.

«Например, — объясняет Филлипс, — отношение температуры перехода к ширине запрещенной зоны в сверхпроводящем состоянии значительно превышает таковое в теории БКШ.Кроме того, наша работа показывает, что элементарные возбуждения в сверхпроводящем состоянии также лежат за пределами парадигмы БКШ, поскольку они возникают из широкого диапазона энергетических масштабов, присущих состоянию Мотта ».


Команда обнаружила кристалл Вигнера, а не изолятор Мотта, в графене с «магическим углом»
Дополнительная информация: Филип В.Филлипс и др., Точная теория сверхпроводимости в легированном диэлектрике Мотта, Nature Physics (2020). DOI: 10.1038 / s41567-020-0988-4

Предоставлено Инженерный колледж Грейнджер Университета Иллинойса

Ссылка : Команда исследователей решает экспериментальную задачу по высокотемпературной сверхпроводимости (29 июля 2020 г. ) получено 9 февраля 2021 г. с https: // физ.org / news / 2020-07-team-experimental-puzzle-high-temperature.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

Прорыв в понимании физики высокотемпературной сверхпроводимости

Расшифровка ранее невидимой динамики в сверхпроводниках — спектроскопия Хиггса может сделать это возможным: используя купраты, высокотемпературный сверхпроводник, в качестве примера, международная группа исследователей смогла продемонстрировать потенциал нового метода измерения. Применяя сильный терагерцовый импульс (частота ω), они стимулировали и непрерывно поддерживали колебания Хиггса в материале (2ω). Приведение системы в резонанс с собственной частотой колебаний Хиггса, в свою очередь, приводит к генерации характерного терагерцового света с утроенной частотой (3ω). Кредит: HZDR / Juniks

Новый метод измерения помогает понять физику высокотемпературной сверхпроводимости

От устойчивой энергетики к квантовым компьютерам: высокотемпературные сверхпроводники могут произвести революцию в сегодняшних технологиях.Однако, несмотря на интенсивные исследования, у нас все еще отсутствует необходимое базовое понимание для разработки этих сложных материалов для широкого применения. «Спектроскопия Хиггса» может стать переломным моментом, поскольку выявляет динамику спаренных электронов в сверхпроводниках. Международный исследовательский консорциум, основанный вокруг Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) и Института исследования твердого тела им. Макса Планка (MPI-FKF), теперь представляет новый метод измерения в журнале Nature Communications .Примечательно, что динамика также обнаруживает типичные предвестники сверхпроводимости даже выше критической температуры, при которой исследуемые материалы достигают сверхпроводимости.

Сверхпроводники переносят электрический ток без потери энергии. Их использование могло бы значительно снизить наши потребности в энергии — если бы не тот факт, что сверхпроводимость требует температуры -140 градусов Цельсия и ниже. Материалы только «включают» свою сверхпроводимость ниже этой точки. Все известные сверхпроводники требуют сложных методов охлаждения, что делает их непрактичными для повседневных целей.Есть перспективы развития высокотемпературных сверхпроводников, таких как купраты — инновационных материалов на основе оксида меди. Проблема в том, что, несмотря на многолетние исследования, точный режим их работы остается неясным. Спектроскопия Хиггса может это изменить.

Спектроскопия Хиггса позволяет по-новому взглянуть на высокотемпературную сверхпроводимость

«Спектроскопия Хиггса предлагает нам совершенно новое« увеличительное стекло »для изучения физических процессов», — сообщает д-р Ян-Кристоф Дейнерт. Исследователь из Института радиационной физики HZDR работает над новым методом вместе с коллегами из MPI-FKF, университетов Штутгарта и Токио и других международных исследовательских институтов. Больше всего ученые хотят выяснить, как электроны образуют пары в высокотемпературных сверхпроводниках.

В сверхпроводимости электроны объединяются, чтобы создать «куперовские пары», которые позволяют им перемещаться через материал парами без какого-либо взаимодействия с окружающей средой.Но что заставляет два электрона образовывать пары, когда их заряд фактически заставляет их отталкиваться друг от друга? Для обычных сверхпроводников существует физическое объяснение: «Электроны образуют пары из-за колебаний кристаллической решетки», — объясняет профессор Стефан Кайзер, один из основных авторов исследования, который исследует динамику сверхпроводников в MPI-FKF и Штутгартский университет. Один электрон искажает кристаллическую решетку, которая затем притягивает второй электрон. Однако для купратов до сих пор неясно, какой механизм действует вместо колебаний решетки. «Одна из гипотез состоит в том, что спаривание происходит из-за флуктуирующих спинов, то есть магнитного взаимодействия», — объясняет Кайзер. «Но ключевой вопрос: можно ли напрямую измерить их влияние на сверхпроводимость и, в частности, на свойства куперовских пар?»

В этот момент на сцену выходят «осцилляции Хиггса»: в физике высоких энергий они объясняют, почему элементарные частицы имеют массу. Но они также встречаются в сверхпроводниках, где их можно возбуждать сильными лазерными импульсами. Они представляют собой колебания параметра порядка — меры сверхпроводящего состояния материала, другими словами, плотности куперовских пар.Достаточно теории. Первое экспериментальное доказательство удалось несколько лет назад, когда исследователи из Токийского университета использовали ультракороткий световой импульс для возбуждения колебаний Хиггса в обычных сверхпроводниках — например, приведения в движение маятника. Однако для высокотемпературных сверхпроводников такого одноразового импульса недостаточно, поскольку система слишком сильно затухает из-за взаимодействий между сверхпроводящими и несверхпроводящими электронами и сложной симметрией параметра порядка.

Источник света терагерцового диапазона поддерживает колебания системы

Благодаря спектроскопии Хиггса исследовательский консорциум вокруг MPI-FKF и HZDR добился экспериментального прорыва в области высокотемпературных сверхпроводников.Их трюк состоял в том, чтобы использовать многоциклический, чрезвычайно сильный терагерцовый импульс, который оптимально настроен на колебания Хиггса и может поддерживать их, несмотря на факторы демпфирования, постоянно толкая метафорический маятник. Благодаря высокопроизводительному источнику терагерцового света TELBE в HZDR исследователи могут посылать 100000 таких импульсов через образцы в секунду. «Наш источник уникален в мире из-за его высокой интенсивности в терагерцовом диапазоне в сочетании с очень высокой частотой повторения», — объясняет Дайнерт.«Теперь мы можем выборочно управлять колебаниями Хиггса и очень точно их измерять».

Этот успех обязан тесному сотрудничеству ученых-теоретиков и ученых-экспериментаторов. Идея родилась в MPI-FKF; Эксперимент проводился командой TELBE под руководством доктора Яна-Кристофа Дайнерта и доктора Сергея Ковалева из HZDR под руководством тогдашнего руководителя группы профессора Михаэля Генша, который сейчас занимается исследованиями в Немецком аэрокосмическом центре и Берлинском техническом университете: «Эксперименты особое значение для научного применения крупномасштабных исследовательских установок в целом. Они демонстрируют, что мощный источник терагерцового диапазона, такой как TELBE, может выполнять сложное исследование с использованием нелинейной терагерцовой спектроскопии на сложной серии образцов, таких как купраты ».

Вот почему исследовательская группа ожидает увидеть высокий спрос в будущем: «Спектроскопия Хиггса как методологический подход открывает совершенно новые возможности», — объясняет д-р Хао Чу, основной автор исследования и постдок в Max Planck-UBC- Центр квантовых материалов UTokyo. «Это отправная точка для серии экспериментов, которые позволят по-новому взглянуть на эти сложные материалы.Теперь мы можем использовать очень систематический подход ».

Температура чуть выше критической: где начинается сверхпроводимость?

Проведя несколько серий измерений, исследователи впервые доказали, что их метод работает для типичных купратов. Ниже критической температуры группа исследователей не только смогла вызвать колебания Хиггса, но и доказала, что новое, ранее не наблюдаемое возбуждение взаимодействует с колебаниями Хиггса куперовских пар. Дальнейшие эксперименты должны будут показать, являются ли эти взаимодействия магнитными, что яростно обсуждается в экспертных кругах.Кроме того, исследователи увидели признаки того, что пары Купера также могут образовываться при температуре выше критической, хотя и без одновременных колебаний. Другие методы измерения ранее предполагали возможность такого раннего образования пар. Спектроскопия Хиггса может подтвердить эту гипотезу и прояснить, когда и как образуются пары и что заставляет их колебаться вместе в сверхпроводнике.

Ссылка: «Фазовый отклик Хиггса в сверхпроводящих купратах» Хао Чу, Мин-Дже Ким, Кота Кацуми, Сергей Ковалев, Роберт Дэвид Доусон, Лукас Шварц, Наотака Йошикава, Гидеон Ким, Даниэль Пуцки, Чжи Чжон Ли, Элен Раффи. , Семен Германский, Ян-Кристоф Дейнерт, Нилеш Авари, Игорь Ильяков, Бертрам Грин, Мин Чен, Мохаммед Баватна, Георг Кристиани, Геннадий Логвенов, Янн Галле, Александр В.Борис, Бернхард Кеймер, Андреас П. Шнидер, Дирк Манске, Майкл Генш, Чже Ван, Рио Шимано и Стефан Кайзер, 14 апреля 2020 г. , Nature Communications .
DOI: 10.1038 / s41467-020-15613-1

Наконец-то найден первый сверхпроводник при комнатной температуре

Это здесь. Ученые сообщили об открытии первого сверхпроводника при комнатной температуре после более чем столетнего ожидания.

Это открытие пробуждает мечты о футуристических технологиях, которые могут изменить электронику и транспорт.Сверхпроводники передают электричество без сопротивления, позволяя току течь без потерь энергии. Но все ранее открытые сверхпроводники необходимо охлаждать, многие из них до очень низких температур, что делает их непрактичными для большинства применений.

Теперь ученые нашли первый сверхпроводник, работающий при комнатной температуре — по крайней мере, в довольно прохладной комнате. Материал является сверхпроводящим при температурах ниже примерно 15 ° по Цельсию (59 ° по Фаренгейту), сообщает физик Ранга Диас из Университета Рочестера в Нью-Йорке и его коллеги 14 октября в журнале Nature .

Результаты команды «просто прекрасны», — говорит химик-материаловед Рассел Хемли из Иллинойского университета в Чикаго, который не принимал участия в исследовании.

Однако сверхпроводящие сверхспособности нового материала проявляются только при чрезвычайно высоких давлениях, что ограничивает его практическое применение.

Подпишитесь на новости

Новости науки

Заголовки и резюме последних научных новостей статей, доставленных на ваш почтовый ящик

Диас и его коллеги сформировали сверхпроводник, сжав углерод, водород и серу между кончиками двух алмазов и воздействуя на материал лазерным светом, чтобы вызвать химические реакции.При давлении, примерно в 2,6 миллиона раз превышающем давление атмосферы Земли, и температуре ниже примерно 15 ° C электрическое сопротивление исчезло.

Одного этого было недостаточно, чтобы убедить Диаса. «В первый раз я не поверил, — говорит он. Команда исследовала дополнительные образцы материала и исследовала его магнитные свойства.

Известно, что сверхпроводники и магнитные поля конфликтуют — сильные магнитные поля препятствуют сверхпроводимости. Конечно, когда материал помещали в магнитное поле, требовались более низкие температуры, чтобы сделать его сверхпроводящим.Команда также применила к материалу осциллирующее магнитное поле и показала, что, когда материал стал сверхпроводником, он вытеснил это магнитное поле изнутри, что стало еще одним признаком сверхпроводимости.

Ученым не удалось определить точный состав материала или расположение его атомов, что затрудняет объяснение того, как он может быть сверхпроводящим при таких относительно высоких температурах. По словам Диаса, дальнейшая работа будет сосредоточена на более полном описании материала.

Когда в 1911 году была открыта сверхпроводимость, она была обнаружена только при температурах, близких к абсолютному нулю (-273,15 ° C). Но с тех пор исследователи постоянно открывают материалы, которые обладают сверхпроводимостью при более высоких температурах. В последние годы ученые ускорили этот прогресс, сосредоточив внимание на богатых водородом материалах при высоком давлении.

В 2015 году физик Михаил Еремец из Института химии Макса Планка в Майнце, Германия, и его коллеги сжали водород и серу для создания сверхпроводника при температурах до -70 ° C ( SN: 12/15/15 ).Несколько лет спустя две группы, одна во главе с Ереметом, а другая с участием Хемли и физика Мэддури Сомаязулу, изучали соединение лантана и водорода под высоким давлением. Обе группы обнаружили свидетельства сверхпроводимости при еще более высоких температурах, составляющих -23 ° C и -13 ° C соответственно, а в некоторых образцах, возможно, достигающих 7 ° C ( SN: 9/10/18 ).

Открытие сверхпроводника при комнатной температуре неудивительно. «Очевидно, что мы движемся к этому», — говорит химик-теоретик Ева Зурек из Университета Буффало в Нью-Йорке, которая не принимала участия в исследовании.Но преодолеть символический барьер комнатной температуры — «действительно большое дело».

Если бы сверхпроводник, работающий при комнатной температуре, можно было бы использовать при атмосферном давлении, он мог бы сэкономить огромное количество энергии, теряемой на сопротивление в электрической сети. И это могло бы улучшить существующие технологии, от аппаратов МРТ до квантовых компьютеров и поездов на магнитной левитации. Диас предполагает, что человечество может стать «сверхпроводящим обществом».

Но пока что ученые создали только крошечные частички материала под высоким давлением, поэтому до практического применения еще далеко.

Тем не менее, «температура больше не является пределом», — говорит Сомаязулу из Аргоннской национальной лаборатории в Лемонте, штат Иллинойс, который не участвовал в новом исследовании. Вместо этого у физиков появилась новая цель: создать сверхпроводник при комнатной температуре, который работал бы без напряжения, говорит Сомаязулу. «Это следующий большой шаг, который мы должны сделать».

Надежная журналистика имеет свою цену.

Ученые и журналисты разделяют главную веру в то, что нужно задавать вопросы, наблюдать и проверять, чтобы достичь истины. Новости науки сообщает о важнейших исследованиях и открытиях в научных дисциплинах. Чтобы это произошло, нам нужна ваша финансовая поддержка — каждый вклад имеет значение.

Подпишитесь или пожертвуйте сейчас

Почему открытие сверхпроводников при комнатной температуре приведет к появлению удивительных технологий

Сверхпроводники являются одними из самых необычных и интересных материалов, которые когда-либо были обнаружены. Противоинтуитивные квантово-механические эффекты означают, что ниже критической температуры они имеют нулевое электрическое сопротивление.Одного этого свойства более чем достаточно, чтобы зажечь воображение.

Ток, который может течь вечно без потери энергии, означает передачу энергии практически без потерь в кабелях. Когда возобновляемые источники энергии начинают доминировать в энергосистеме и передача высокого напряжения на континентах становится важной для преодоления прерывистости, кабели без потерь приведут к значительной экономии.

Более того, сверхпроводящий провод, по которому течет никогда не ослабевающий ток, мог бы служить прекрасным хранилищем электрической энергии.В отличие от батарей, которые со временем разлагаются, если сопротивление действительно равно нулю, вы можете вернуться к сверхпроводнику через миллиард лет и обнаружить, что через него протекает тот же старый ток. Энергию можно собирать и хранить бесконечно!

Без сопротивления через сверхпроводящий провод может проходить огромный ток и, в свою очередь, создавать магнитные поля невероятной мощности.

Вы можете использовать их для левитации поездов и создания невероятных ускорений, тем самым революционизируя транспортную систему.Вы можете использовать их на электростанциях, заменив традиционные методы, которые вращают турбины в магнитных полях для выработки электричества, и в квантовых компьютерах в качестве двухуровневой системы, необходимой для «кубита», в которой нули и единицы заменяются током, текущим по часовой стрелке. или против часовой стрелки в сверхпроводнике.

Артур Кларк сказал, что любая достаточно продвинутая технология неотличима от магии; сверхпроводники, безусловно, могут показаться волшебными устройствами. Итак, почему они не заняты переделкой мира? Проблема в том, что критическая температура.

Для всех известных материалов это сотни градусов ниже нуля. У сверхпроводников также есть критическое магнитное поле; при превышении определенной напряженности магнитного поля они перестают работать. Есть компромисс: материалы с изначально высокой критической температурой также часто могут создавать самые большие магнитные поля при охлаждении значительно ниже этой температуры.

Это означает, что применение сверхпроводников до сих пор ограничивалось ситуациями, когда вы можете позволить себе охлаждать компоненты вашей системы до близкого к абсолютному нулю: например, в ускорителях частиц и экспериментальных термоядерных реакторах.

Но даже по мере того, как некоторые аспекты технологии сверхпроводников становятся зрелыми в ограниченных приложениях, поиск более высокотемпературных сверхпроводников продолжается. Многие физики до сих пор верят, что сверхпроводник при комнатной температуре может существовать. Такое открытие даст толчок новым удивительным технологиям.

В поисках сверхпроводников при комнатной температуре

После того, как Хайке Камерлинг-Оннес случайно открыла сверхпроводимость, пытаясь доказать теорию лорда Кельвина о том, что сопротивление будет увеличиваться при понижении температуры, теоретики попытались объяснить новое свойство в надежде, что понимание, что оно может позволить синтезировать сверхпроводники при комнатной температуре.

Они предложили теорию БКШ, которая объяснила некоторые свойства сверхпроводников. Он также предсказал, что мечта технологов о сверхпроводнике при комнатной температуре не может существовать; максимальная температура сверхпроводимости по теории БКШ составляла всего 30 К.

Затем, в 1980-х годах, поле зрения снова изменилось с открытием нетрадиционной, или высокотемпературной, сверхпроводимости. «Высокая температура» по-прежнему очень низкая: самая высокая температура сверхпроводимости была -70 ° C для сероводорода при чрезвычайно высоких давлениях. Для нормального давления -140 ° C — это около верхнего предела. К сожалению, высокотемпературные сверхпроводники, для охлаждения которых требуется относительно дешевый жидкий азот, а не жидкий гелий, в основном представляют собой хрупкую керамику, из которой дорого формовать проволоку, и ее применение ограничено.

Учитывая ограничения высокотемпературных сверхпроводников, исследователи продолжают верить, что есть лучший вариант, ожидающий открытия — невероятный новый материал, который проверяет такие параметры, как сверхпроводимость, приближающаяся к комнатной температуре, доступность и практичность.

Дразнящие подсказки

Без детального теоретического понимания того, как происходит это явление, хотя постепенный прогресс происходит постоянно, ученые иногда могут чувствовать, что они делают обоснованные предположения о материалах, которые могут быть вероятными кандидатами. Это немного похоже на попытку угадать номер телефона, но с периодической таблицей элементов вместо цифр.

Тем не менее, по словам одного исследователя, перспективы остаются заманчивыми. Нобелевская премия и потенциально изменение мира энергии и электричества неплохо для повседневной работы.

Некоторые исследования посвящены купратам, сложным кристаллам, содержащим слои атомов меди и кислорода. Допирование купратов различными элементами, такими как экзотические соединения, такие как оксид ртути, бария, кальция, меди, являются одними из лучших сверхпроводников, известных сегодня.

Также продолжаются исследования некоторых аномальных, но необъяснимых сообщений о том, что пропитанный водой графит может действовать как сверхпроводник при комнатной температуре, но пока нет никаких указаний на то, что это может быть использовано для технологических приложений.

В начале 2017 года, в рамках продолжающихся усилий по исследованию самых экстремальных и экзотических форм материи, которые мы можем создать на Земле, исследователям удалось сжать водород в металл.

Давление, необходимое для этого, было больше, чем давление в ядре Земли, и в тысячи раз выше, чем давление на дне океана. Некоторые исследователи в области физики конденсированного состояния сомневаются в том, что металлический водород вообще был получен.

Считается возможным, что металлический водород может быть сверхпроводником при комнатной температуре.Но заставить образцы оставаться достаточно долго для подробных испытаний оказалось непросто, поскольку алмазы, содержащие металлический водород, терпят «катастрофический отказ» под давлением.

Сверхпроводимость — или поведение, которое сильно на нее похоже — также наблюдалась в оксиде иттрия-бария-меди (YBCO) при комнатной температуре в 2014 году. Единственная загвоздка заключалась в том, что этот перенос электронов длился крошечные доли секунды и требовал бомбардировки материала с импульсными лазерами.

Не очень практично, можно сказать, но, тем не менее, дразняще.

Другие новые материалы также обладают заманчивыми свойствами. Нобелевская премия по физике 2016 г. была присуждена за теоретические работы, характеризующие топологические изоляторы — материалы, которые демонстрируют столь же странное квантовое поведение. Их можно считать идеальными изоляторами для большей части материала, но исключительно хорошими проводниками в тонком слое на поверхности.

Microsoft делает ставку на топологические изоляторы как на ключевой компонент своей попытки создать квантовый компьютер.Они также считаются потенциально важными компонентами миниатюрных схем.

Ряд замечательных свойств электронного переноса также был обнаружен в новых, «2D» структурах — таких как графен, это материалы, синтезированные с толщиной с один атом или молекулу. И продолжаются исследования того, как мы можем использовать уже открытые сверхпроводники; например, некоторые команды пытаются разработать изоляционный материал, который предотвращает перегрев сверхпроводящего кабеля HVDC.

Сверхпроводимость при комнатной температуре остается такой же неуловимой и захватывающей уже более века. Неясно, может ли существовать сверхпроводник при комнатной температуре, но открытие высокотемпературных сверхпроводников является многообещающим индикатором того, что нетрадиционные и очень полезные квантовые эффекты могут быть обнаружены в совершенно неожиданных материалах.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *