Supravodivost 1.5. Druhu: ani dva ani jeden a půl • Yuri Yerin • Vědecké zprávy o "prvcích" • Fyzika

1,5-ti supravodivost: ani dva ani jeden a půl

Obr. 1. Fázový diagram stavu supravodičů 1. a 2. typu, který ukazuje, jak se mění stav supravodiče se změnou teploty a indukcí vnějšího magnetického pole. Ve stavu Meissner nemůže vedení magnetického pole proniknout do látky. Smíšený nebo vířivý stav znamená koexistenci supravodivosti a normálních nesavrovodivých tenkých vláken napnutých podél linek magnetického pole. Takové vlákna se nazývají Abrikosovové víry nebo kvantové víry (viz podrobnosti v textu). Obrázek Yuri Erin

V závislosti na chování ve vnějším magnetickém poli jsou supravodiče obvykle rozděleny do 1. a 2. druhu. Objev v roce 2001 "neobvyklé" supravodivosti v diboridu hořčíku vyvolal diskusi: na jaký druh by měl být tento supravodič přiřazen? Někteří vědci se domnívají, že diborid hořečnatý neodpovídá obecně uznávané klasifikaci, ale tvoří zcela novou kategorii – supravodiče typu 1.5, které absorbovaly některé vlastnosti ze supravodičů typu 1 a některé z typu 2. Jiní vědci s touto interpretací nesouhlasí a tvrdí, že "neobvyklé" supravodiče dobře zapadají v rámci stávajícího rozdělení do prvního a druhého rodu.Letos v létě pokračoval příběh s jednou a půl supravodivostí.

Tato zpráva je logickým pokračováním dvou předchozích (viz: Experimentálně potvrzena existence supravodivosti rodu jeden a půl, Elements, 12. března 2009 a Experimentální potvrzení supravodivosti jednoho a půl rodu je odloženo, Elements, 10. června 2010) věnovaný možné existenci tzv. Supravodivosti 1, 5. druh. Stručně si vzpomeňte na jejich obsah.

Hlavní charakteristiky supravodivého stavu a metody jeho matematického popisu

1. Kritická teplota (Tc). Supravodivost – stav látky, ve které má nulový elektrický odpor a současně neumožňuje vlastní vnější magnetické pole – nastane, když se teplota látky stává pod určitou hodnotou Tc. Kritická teplota je jednou z nejdůležitějších vlastností každého supravodiče.

2. Ideální diamagnetismus (také: Meissner-Oxenfeldův efekt, Meissnerův stav, Meissnerova fáze) – při přechodu do supravodivého stavu vytlačuje vnější magnetické pole (supravodič nedovoluje proniknout magnetickými linkami).Ideální diamagnetismus vzniká tím, že vnější magnetické pole vytváří supravodivé (Meissnerovy) proudy ve velmi tenké povrchové vrstvě látky, které vytvářejí magnetické pole opačného směru a stejné síly.

3. Hloubka průniku Londýna (λ) – hloubku vrstvy, která byla obsazena Meissnerovými proudy.

4. Délka soudržnosti (ξ). V polovině padesátých let ukázaly americkí fyzici Neil Cooper, John Bardeen a John Schrieffer, že supravodivost je způsobena korelacemi mezi vodivými elektrony (elektrony jsou kombinovány do takzvaných dvojic Cooperů). Kvůli tomu se všechny vodivé elektrony chovají jako jediný celok, a proto se mohou pohybovat bez rozptylu (bez ztráty energie) přes krystalovou mřížku látky. V této teorii supravodivosti (teorie BCS) je měřítko elektronových korelací nebo (zhruba řečeno) velikost dvojice Cooper nazýváno délkou koherence.

5. Energetická mezera (Δ). Bez toho, abychom se dostali do detailů, stačí poznamenat, že velikost vazebné energie dvou elektronů v páru Cooper je 2Δ.

Teorie a experiment ukazují, že hloubka průniku Londýna (λ),Délka koherence (ξ) a energetická mezera (Δ) nejsou konstanty, ale závisí na teplotě a mají hodnoty, které jsou pro daný materiál zcela individuální. Hodnoty λ a ξ mají minimální hodnotu pro T = 0 a monotonně se zvyšuje se zvyšující se teplotou, s tendencí k nekonečnu na T = Tc (vysvětluje to skutečnost, že nad kritickou teplotou neexistují žádné dvojice Cooperů a magnetické pole prostupuje látku neomezeně). Energetická mezera (Δ) naopak má maximum na T = 0 a stává se nulou na T = Tc (což může být interpretováno jako absence korelace mezi elektrony).

BCS teorie poskytuje vyčerpávající popis supravodivých vlastností materiálu v celém teplotním rozmezí od 0 do Tcale je z matematického hlediska obtížné. Proto se fyzici často uchylují k jiné, relativně jednodušší metodě analýzy supravodivého stavu – teorii Ginzburg-Landau, která dokonale popisuje kvalitativně a kvantitativně chování supravodiče, ale pracuje pouze v omezené míře v blízkosti kritické teploty.

Teorie Ginzburg-Landau vychází z teorie fázových přechodů druhého druhu (zahrnující přechod hmoty do supravodivého stavu). V této teorii, společně s kritickou teplotou, délkou soudržnosti a hloubkou průniku Londýna, je uvedena ještě jedna charakteristika, parametr objednávky (komplexní hodnota). Až do určitého koeficientu proporcionality můžeme předpokládat, že modul parametru pořadí je energetická mezera v teorii BCS. Parametr příkazu je nulový T = Tc a výše, přičemž maximální hodnotu dosáhne, když teplota dosáhne absolutní nuly. Všimněte si, že existuje jiný výklad fyzického významu parametru příkazu: čtverec jeho modulu určuje koncentraci párů Cooper.

Parametr order hraje klíčovou roli v teorii Ginzburg-Landau. Prostřednictvím této energie se vyjadřuje (v termodynamice, volná energie je správnější říct) supravodiče.

1. a 2. druh supravodivosti

Navzdory tomu, že Ginzburg-Landauova teorie je fenomenologická, tj. Nevysvětluje příčiny fenoménu, který popisuje, získala s pomocí řady důležitých výsledků.Aplikovali tuto teorii, její autoři vypočítali energetický rozdíl (tzv. Povrchovou energii) vznikající na rozhraní mezi supravodičem a normálním kovem za přítomnosti vnějšího magnetického pole. Ukázalo se, že výsledek závisí na bezrozměrném množství, nazvaném Parametr Ginzburg-Landau (κ): κ = λ / ξ (poměr londýnské penetrační hloubky k délce koherence). Z výpočtů vyplývá, že při k <1 / √2 je povrchová energie kladná. Pro supravodič s válcovitým tvarem, jehož osa je rovnoběžná s linií magnetického pole, tento výsledek znamenal, že přechod do normálního stavu nastane okamžitě, jakmile indukce magnetického pole překročí určitou kritickou hodnotu Bc pro danou teplotu (obr. 1). V zásadě Ginzburg a Landau nezískali nic, jen teoreticky potvrdili experimentální skutečnost chování supravodičů, které bylo v té době již dobře známé. Nicméně se ukázalo být zajímavější.

Sovětský fyzik Nikolai Zavaritsky, který zkoumal tenké supravodivé filmy, zjistil, že jejich chování v magnetickém poli nesouhlasí s předpovědí Ginzburg-Landauovy teorie.Abychom pochopili důvod tohoto rozporu, Alexey Abrikosov, založený na teorii Ginzburg-Landau, se rozhodl uvažovat o případu, kdy je povrchová energie negativní – jinými slovy, pokusit se pochopit obraz chování supravodiče v magnetickém poli s κ> 1 / √2.

A tady jsme našli úžasný. Z výpočtů vyplývá, že zatímco magnetická indukce nepřesahuje určitý limit Bc1 (dolní kritické pole) při stanovené teplotě, supravodič je ve stavu Meissner. Po magnetické indukci se stalo více Bc1, supravodič začíná pronikat do originálních mikronových vláken, prodloužených podél přímky síly vnějšího pole. Čím větší je indukce pole, tím více nití bude v supravodiči. Abrikosov zjistil, že tyto formace jsou víry (nyní se nazývají Abrikosov), jejichž jádra nejsou supravodivé, normální s velikostí v pořadí délky koherence ξ a cirkulující supravodivé proudy proudí kolem nich, které chrání normální oblast víru (šířka skríninové plochy se rovná hloubce v Londýně penetrace λ).Navíc v průběhu výpočtů bylo zjištěno, že víry nesou jako jedinou silovou linii vnějšího magnetického pole nebo kvantum magnetického toku, fluoxidu Φ0 = h / 2e = 2,07 · 10-15 T m2. Víry vytvářejí trojúhelníkovou mřížku v supravodičce a tvoří smíšený (nebo vír) stav (obr. 1).

Pokud na dané teplotě bude pokračovat v posílení magnetického pole, pak v nějaké hodnotě Bc2 (horní kritické pole) budou víry tak početné, že jejich jádra se začnou překrývat a naplní celý objem supravodiče a převedou je do normálního stavu (obr. 1).

1,5-supravodivost a supravodiče s dvojitými štěrbinami

V roce 2001 byl v diboridu hořečnatém MgB2 supravodivost byla objevena s neočekávaně vysokou (pro takovou jednoduchou chemickou sloučeninu) kritickou teplotu 39 K. Pomocí různých experimentálních technik vědci zjistili, že Tc je dosaženo díky přítomnosti MgB2 žádná energetická mezera, ale dvě. Jednoduše řečeno, v supravodivém diboridu hořečnatém existují dva typy párů Cooper. Jejich vzájemné působení a poskytuje vysoké Tc. Je důležité poznamenat, že každý typ elektronického páru má svou vlastní velikost nebo vlastní délku soudržnosti.V tomto případě má diborid horečnatý pouze jednu hodnotu hloubky průniku v Londýně.

Objevování supravodivého stavu v MgB2 podnítil obrovský nárůst počtu publikací věnovaných teoretickým a experimentálním studiím dvouvrstvé supravodivosti. Mezi různorodými úkoly souvisejícími s tímto tématem se otázka chování takových supravodičů v magnetickém poli ukázala být zvláště relevantní a kontroverzní.

Všechno začalo s článkem "Emi Babaev a Martin Speyt" v časopise Fyzický přehled B. Autoři článku si kladli otázku: jak se bude chovat supernodič se dvěma mezemi v magnetickém poli, pokud předpokládáme, že má jeden druh párů Cooper parametr Ginzburg-Landau menší než 1 / √2, tedy jak to tvoří supravodič typu 1 a pro druhý typ je tento parametr více než 1 / √2 (supravodič typu 2)? Použitím teorie Ginzburg-Landau, která byla zobecněna na případ dvou parametrů objednávky (ve skutečnosti dvouvrstvé supravodivosti), vědci předpovídali existenci nějakého druhu halfmeissner stav charakterizovaný kromě jiných vlastností vytvořením trojúhelníkové vírové mřížky, jako u supravodičů typu 2, ale určitých clusterů vírových molekul.

Formálně v supravodičů prvního druhu jsou také víry. Pouze tam nejsou stabilní entity. Při prvním vzhledu se začnou vzájemně přitahovat a čím blíže jsou, tím silnější je atrakcí. Závislost interakční energie dvou vírů na vzdálenosti mezi nimi je znázorněna na obr. 2 (vlevo). Z grafu lze vidět, že interakční energie vírů je minimální, když je vzdálenost mezi víry nula. Kvůli touze vírů snížit energii jejich vzájemného působení se vzájemně slučují a vytvářejí normální oblasti supravodiče. Tento proces tvorby nesupraverdujících oblastí se objevuje velmi rychle, takže můžeme hovořit o okamžitém přechodu z Meissnerovy fáze na normální.

V supravodičce druhého druhu je interakce vírů jen odporná povaha: čím blíže jsou víry vzájemně k sobě, tím silnější jsou odpuzovány (obr. 2, vpravo). Minimální energie je pozorována, když jsou víry od sebe navzájem odděleny nekonečně velkou vzdáleností. Nicméně vzhledem k tomu, že supravodič má konečné rozměry a víry mohou být větší než dva, vzájemné odpuzování vede k vytvoření stabilní struktury – trojúhelníkové vírové mřížky.

Obr. 2 Závislost interakční energie V dvou vírů na vzdálenostir mezi nimi v supravodičovém typu 1 (vlevo), 1.5. Druh (centra) a druhého druhu (vpravo). Pozitivní hodnoty V odpovídají odpuzování mezi víry, negativní – k přitažlivosti. Vzhledem k přítomnosti minima narkde není hodnota rovna nule nebo nekonečnu, může dojít k supravodivosti typu 1.5. (podrobnosti viz text). Obrázek Yuri Erin

V supravodičů se dvěma štěrbinami, jak zjistili Babaev a Speight, interakce vírů kvalitativně shoduje s intermolekulární interakcí: odpuzování na krátké vzdálenosti způsobuje přitažlivost na dlouhé vzdálenosti (obr. 2, střed). Existence minimální energie na nenulovém a nekonečnom bodě na ose r je vyjádřena touhou vírů vytvářet nehomogenní vírové struktury, které se shlukují do určitých klastrů nebo vortexových molekul, když kolem určitého víru ve vzdálenosti, která odpovídá tomuto minimu, je energeticky příznivá pro odpočinek ostatních vírů. V důsledku toho není realizován Meissnerův stav (protože víry se "neleží dohromady", jako v supravodičce 1. druhu), ale zároveň nejsou smíchány (protože neexistuje žádná trojúhelníková mřížka, jako v supravodičce druhého druhu).Autoři článku tudíž nazývají takovou fázi supravodičového semi-Meissner.

Čtyři roky po vydání článku Babayeva a Speitha se v časopise publikovala skupina fyziků vedená Viktorem Moschalkovem Fyzické revizní dopisy Článek o detekci nerovnoměrné vírové mřížky v supravodivém (dvojitém) monokrystalu diboridu hořečnatého, předpověděl Babaev a Speit. Teprve teď, s lehkou rukou autorů objevu, MgB fáze2 s nehomogenní vířivou mříží namísto poloviny Meissnerova stavu začal být volán supravodivost 1.5. Bylo zdůrazněno, že pozorované nerovnoměrné rozložení vírů je ve středu mezi fázemi supravodivosti 1. a 2. druhu.

Je třeba konstatovat, že reakce na tuto práci odborníků byla poněkud dvojznačná. Nejprve byly zmateny extrémně malými hodnotami indukce magnetického pole, ve kterých byla pozorována supravodivost 1,5. Typu, od 0,0001 do 0,0005 T při teplotě asi 4 K. Fakt, že experimentální data naznačují, že až do 0,003 T se u diboridu hořečnatého pozoruje pouze Meissnerova fáze, to znamená, že by neměly existovat žádné víry.Za druhé, již byly provedeny studie vortexových struktur v MgB.2, a vědci skutečně zaznamenali nerovnoměrné rozložení víru. Nicméně nikoho nenapadlo, že by to označilo za supravodivost 1.5. Druhu. Vědci přičítali nepravidelnou vířivou mřížku ve slabých polích výlučně na fenomén upínání – nevyhnutelnou přítomnost defektů a "slabých" skvrn v jediném krystalu, do něhož proniká i velmi slabé magnetické pole jako víry.

Letošní léto probíhala diskuse o existenci 1.5. Typu supravodivosti, návrat k teoretické rovině. V Archivu elektronických předtisků a v časopisech Americké fyzické společnosti se objevilo několik článků, v nichž jsou předloženy důkazy o existenci jedné a půl supravodivosti ve dvou-mezery supravodičů a jejich nepřítomnosti. Začněme argumenty, které naznačují existenci 1.5. Typu supravodivosti.

Argumenty ve prospěch existence supravodivosti 1.5. Druhu

Za prvé stojí za zmínku článek Obří víry, supravodiče známé skupiny Moschalkov. Aplikovat teorii Ginzburg-Landau na supravodiče s dvojitými mezery,Autoři vypočítali možné závislosti interakční energie dvou vírů na vzdálenosti, která je oddělují v takovém supravodiči (obr. 3a). Na rozdíl od průkopnické práce Babajeva a vesmíru vědci popsali realističtější situaci ve dvouvrstvém supravodiči, přičemž se domnívají, že dvě vzájemné vzájemné interakce dvou párů Cooperů. Na obr. 3a ukazuje vývoj závislostí na energii a vzdálenosti s rostoucí silou interakce dvou odrůd Cooper párů. Graf i odpovídá slabé interakci a graf iv odpovídá silnému. Navzdory skutečnosti, že závislost i je podobná ve svém chování vůči závislostem energie vírové interakce v supravodiči typu 1 a závislost iv je podobná podobné charakteristice ve druhém supravodivéru typu 2, všechny závislosti mají významný rozdíl: mají minimální interakční energii dvou vírů na nenulové (případ supravodiče 1. druhu) nebo nekonečno (případ supravodiče druhého druhu) vzdálenost.

Obr. 3 (a) Různé typy závislostí energie vírové interakce v supravodičovém zařízení typu 1.5 (supravodič s dvěma sloty).Vložka zobrazuje zvětšený obraz křivky iv. (b) Distribuce vírů, vyplývající ze závislostí i, ii, iii a iv. Vznikající víry mohou obsahovat více než jeden fluoxid Φ0. LΦ výraz0 znamená, že vír obsahuje L kvantové magnetické toky. Červená tečkovaná čára určuje nejvíce z energetického hlediska nejvýhodnější vzdálenost mezi víry (odpovídá minimu na střední křivce na obr. 2). Měřítko je měřeno v jednotkách hloubky průniku Londýna pro supravodič se dvěma drážkami. Obrázky z článku arXiv: 1007.1849

Dalším argumentem je, že podobný průběh závislostí mezi energií a vzdáleností při zohlednění interakce mezi různými odrůdami párů Cooper byl také získán samostatně v díle Babajeva, vesmíru a Kalstromu, publikovaných v Fyzické revizní dopisy.

Na základě vypočtených závislostí metodou molekulární dynamiky výzkumníci modelovali chování 200 vírů ve čtvercovém supravodivém filmu o velikosti 200λ × 200λ. Je vidět (obr. 3b), že vírová mřížka má zjevnou heterogenitu.

Z výpočtů Moschalkova a jeho kolegů vyplývá, že u supravodičů s dvojitými mezery, když je zapnuto vnější magnetické pole hned vzniká stav s nehomogenním rozložením víry, který pak se zvyšující se indukcí pole (fixní teplotou) nebo zvyšující se teplotou (indukované magnetické pole) může být nahrazen stavem Meissner nebo známou trojúhelníkovou vířivou mříží.

Zajímavé je, že u nějaké sady parametrů supravodiče se dvěma štěrbinami se jeho fázový diagram stává exotickým. Například pro dané magnetické pole a zvyšující se teploty přechází supravodič přechodů: stav s nerovnoměrnou vířivou mříží → stav s trojúhelníkovou mřížkou vortexu → stav s nerovnoměrnou vířivou mřížkou → stav Meissner.

Skutečnost, že magnetické pole ve dvouvrstvých supravodičů okamžitě pronikne ve formě nepravidelně umístěných vírů, je v článku potvrzeno japonskými fyziky v Vortexových státech a fázovém diagramu vícesložkových supravodičů s konkurenčními odpuzujícími a atraktivními interakcimi s vírkami. Ideologie výpočtů je téměř stejná jako v práci skupiny Moschalkov. Teorie Ginzburg-Landauova dvouvrstvých supravodičů vypočítává interakční energii dvou vírů a pak simuluje uspořádání velkého počtu (víc než 400) vírů ve čtvercovém supravodivém filmu pro různé hodnoty magnetického pole při dané teplotě.

Obr. 4 Konfigurace vířivých mřížek ve dvojitém supravodivém filmu ve tvaru čtverce pro různé hodnoty indukce magnetického pole měřené v jednotkách Φ0 (kvantum magnetického toku) a λ1 (Hloubka proniknutí do Londýna pro první třídu párů Cooper). (a) vortexový cluster (vírová molekula), (ba) vířivý pás, (c) vírová mřížka s prázdnotou, (d) trojúhelníkové vírové mřížky. Černé tečky odpovídají víře. Strana filmu je: (a) 100λ1, (b) 70 λ1, (c) 50λ1, (d) 42λ1. Obrázek z článku arXiv: 1007.1940

Vírové struktury vznikající v procesu zvyšování indukce vnějšího pole při dané teplotě jsou znázorněny na obr. 4. Zvětšení magnetického pole je doprovázeno přeměnou z křídlové vírové mříže na dobře známý trojúhelník (obr. 4d) a vedle pásem, které Moschalkovský tým pozoroval ve svém experimentu, autoři článku také předpovídají vzhled vířivých dutin (obr. 4c) – kulaté supravodivé oblasti formy bez vortexů.

Obr. 5 Pravděpodobná fázová schémata supravodičů typu 1.5. Rozdíly v chování jsou určeny parametry supravodiče se dvěma mezemi. Obrázek Yuri Erin

Souhrnem výše popsaných skutečností je možné vytvořit fázové diagramy dvoufázových supravodičů (obr. 5), u kterých jsou parametry Ginzburg-Landau pro každý ze dvou typů párů Cooper menší a větší než 1 / √2. Znovu zdůrazňujeme, že s postupným nárůstem indukce magnetického pole od nuly se fázový diagram supravodiče se dvěma štěrbinami "nezačne" z Meissnerovy fáze, jako tomu bylo u prvního nebo druhého druhu supravodiče, ale ihned z nerovnoměrného vírového stavu.

Argumenty proti existenci supravodivosti 1.5

Jak již bylo zmíněno, kvantitativní kritérium pro dělení supravodičů do 1. a 2. typu vyplývá z označení povrchové energie rozhraní "supravodič – normální kov". Je zřejmé, že zde jsou možné pouze dva případy (varianta s nulou je vyloučena): buď povrchová energie je kladná nebo záporná. Toto kritérium se proto nezmění ani u dvouvrstvého supravodiče. Toto je argument představovaný v článku Interface energy of two band superconductors publikovaný v Fyzický přehled B. Autoři práce, tým vědců z USA a Jižní Afriky, ve skutečnosti provedli stejné výpočty jako Abrikosov, ale pro supravodič s dvěma odrůdami párů Cooper.Ukázali, že v případě, kdy je parametr Ginzburg-Landau menší než 1 / √2 pro první typ párů Cooper a je pro druhého typu více než 1 / √2, má povrchová energie pozitivní hodnotu a proto existuje supravodivost 1. druhu.

Navíc stejní vědci v jiném článku argumentují, že rozdíl mezi dvěma typy párů Cooper v teplotním rozmezí v okolí Tc, tj. kde je aplikována Ginzburg-Landauova teorie, zmizí a supravodič se dvěma sloty je přeměněn na supravodič s jednou mezerou.

Co dalšího očekávat?

Všechny popsané práce jsou čistě teoretické povahy a vycházejí z numerické analýzy teorie Ginzburg-Landau. Pouze velmi pečlivé pokusy o pozorování vírové mříže ve dvou-mezery supravodičů může ukončit tento spor. Naštěstí je nyní známo, že nejen diborid hořčíku má dvě odrůdy párů Cooper, ale také nedávno objevily supravodiče obsahující železo (viz Nový typ vysokoteplotních supravodičů, objevil se Elements, 12.05.2008 a Nalezena nová rodina supravodičů obsahujících železo, "Elements" , 31. října 2008), které vysoce jednoduché krystaly jsou trochu snazší syntetizovat.Takže teď s velkou pravděpodobností bychom měli počkat, až se diskuse vrátí do experimentální roviny.

Zdroje:
1) V. H. Dao, L. F. Chibotaru, T. Nishio, V. V. Moshchalkov. Vírové kroužky, supravodiče // arXiv: 1007.1849 (12. červenec 2010).
2) Shi-Zeng Lin, Xiao Huy. Vortexové stavy a vícesložkové supravodiče s konkurenčními a vírovámi interakcemi // arXiv: 1007.1940 (12. července 2010).
3) Egor Babaev, Johan Carlström, Martin Speight. Typ supravodivého stavu typu 1.5 při vnitřním proximitním efektu ve dvou pásmech supravodičů Phys. Rev. Lett. 105, 067003 (5. srpna 2010).
4) Jani Geyer, Rafael M. Fernandes, V.G. Kogan, Jörg Schmalian. Energie rozhraní dvou pásmových supravodičů Phys. Rev. B 82, 104521 (27. září 2010); také k dispozici jako arXiv: 1007.2794.
5) V. G. Kogan, J. Schmalian. Dvojpásmové supravodiče u Tc // arXiv: 1008.0581 (3. srpna 2010).

Yuri Yerin


Like this post? Please share to your friends:

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