Stroncium Rutenate může být supravodičem 1.5. Typu • Yuri Erin • Vědecké zprávy o "prvcích" • Fyzika

Stroncium Rutenate může být supravodič 1.5

Obr. 1. Struktura víru v sekci (vortexová struktura). Jedná se o normální jádro s velikostí přibližně dvou délek soudržnosti, kolem nichž se nevázané supravodivé proudy otáčejí s hustotouJs, pokrývající oblast řádu londýnské penetrační hloubky λ. Obrázek také ukazuje, jak rychle se mění počet supravodivých elektronů (počet superelectronů), když se blíží vírové jádro (dolní pruhovaný graf) a zvýšení intenzity magnetického poleH jak se přesunete do středu víru (horní graf). Ukazuje se, že charakteristická hloubka průniku magnetického pole je l. Obrázek z www.msm.cam.ac.uk

V závislosti na reakci na působení vnějšího magnetického pole jsou supravodivé látky rozděleny na supravodiče 1. a 2. druhu. V roce 2004 bylo navrženo, že diborid hořečnatý MgB2 může se nějakým zvláštním způsobem chovat v magnetickém poli, a proto dostal jméno 1.5. druhu supravodiče. Nicméně, experimentální důkaz o existenci takové supravodivosti nebyl získán, a diborid hořečnatý dosud zůstal jediným kandidátem na supravodiče 1,5 typu.Tým vědců ze Spojených států a Švédska teoreticky ukázal, že může docházet k polovičnímu typu supravodivosti v ruthenátu stroncia Sr2RuO4.

Vzhledem k tomu, že znalosti vědců o fenoménu supravodivosti se akumulovaly a vyvíjely, byly navrženy nové způsoby klasifikace látek, které mají tento účinek. Jeden z prvních schémat, podle kterého byly všechny supravodivé materiály odděleny, vzal v úvahu mechanismus reakce supravodiče na vnější magnetické pole. Faktem je, že supravodivý stav může být zničen, nejen ohřívání materiálu nad kritickou teplotou Tcale umístěním do magnetického pole s indukcí nad kritickou hodnotu Bc (předtím je supravodič ideální diamagnetický, vidí Meissnerův efekt, to znamená, že se v magnetickém poli vůbec nedovolí).

Nicméně, jak ukazují teoretické výpočty provedené v roce 1957 Alexejem Abrikosovem a potvrzené v experimentech roku 1967 skupinou německých vědců, s určitým poměrem parametrů charakterizujících supravodivý stav, jeho zničení postupuje složitějším způsobem.Tyto definující parametry jsou délka koherence ξ a londýnská penetrační hloubka magnetického pole λ.

Abychom pochopili, jaká je délka soudržnosti, zvážit fenomén supravodivosti na mikroskopické úrovni. Podle obecně přijímané teorie BCS, vznik supravodivosti je způsoben spojením vodivých elektronů do tzv. Cooperových párů. Obecně platí, že elektrony jsou nabité částice a proto musí odpuzovat, ale při teplotách pod kritickými hodnotami začínají tyto částice měnit kvantum vibračního pohybu iontů krystalové mřížky látky – phononů. Tato interakce, nazývaná elektronfonon, má charakter přitažlivosti a více než kompenzuje existující elektrostatický odpudivý efekt. Spojení ve dvojicích umožňuje, aby se vodivé elektrony synchronně chovaly, když se aplikuje elektrické pole (proud je zapnutý), a proto se bez ztráty energie pohybuje přes krystalovou mřížku látky. Tak vzniká jeden z příznaků supravodivosti – nulový odpor, nebo ekvivalentně nekonečná vodivost.

Nyní se vracíme k definici délky soudržnosti.Tato hodnota, poněkud zjednodušující, může být interpretována jako zvláštní velikost dvojice Cooper. U různých supravodičů má tato hodnota různé hodnoty – od několika nanometrů do několika mikrometrů při absolutní nulové teplotě. Se stoupající teplotou se délka koherence pro daný supravodič monotonně zvyšuje, přičemž na nekonečně velkou hodnotu Tc.

Jak bylo uvedeno výše, vedle nulového odporu je ještě jeden atribut supravodivosti ideální diamagnetismus. Ukazuje se, že toto absolutní "odmítnutí" magnetického pole je dosaženo díky jeho promítání pomocí nezasažených proudů, které cirkulují na povrchu supravodiče. Tloušťka vrstvy, do které tyto cirkulační proudy pronikají uvnitř supravodiče, je hloubka pronikání magnetického pole λ Londýna. Stejně jako délka soudržnosti je tato vlastnost jedinečná pro každou supravodivou látku, která se pohybuje od několika desítek nanometrů k hodnotám řádově mikrometru při absolutní nulové teplotě.

Nyní se můžeme vrátit k kritériu rozdělení supravodičů.Abrikosov vypočítal, že pokud má supravodič poměr hloubky průniku magnetického pole k délce koherence menší než 1 / √2, pak destrukce supravodivosti pod působením vnějšího magnetického pole nastává téměř okamžitě po překročení indukce pole Bc. Supravodič s takovými charakteristikami se nazývá supravodič typu 1.

Obr. 2 První obraz vírové mříže. Černé oblasti odpovídají víře. Obrázek z článku U. Essmann, H. Trauble, Physics Letters 24A, 526 (1967)

Pokud je poměr λ / ξ supravodiče větší než 1 / √2, pak se proces zničení supravodivosti stává složitějším. Zatímco indukce magnetického pole nepřesahuje nižší kritickou hodnotu Bc1, supravodivý vzorek neumožňuje silové linie (ideální diamagnetismus). Silnější pole proniká do materiálu ve formě vířivých linek, známých jako víry Abrikosov nebo jednoduše víry (obr. 1). Každý vír je normální (ne-supravodivé) válcové jádro, prodloužené ve směru magnetických polních linií a obklopené cirkulačními nezpevněnými supravodivými proudy.Při pronikání do supravodiče se navzájem odpuzují (čím bližší, tím silnější) a tvoří na své ploše stabilní strukturu – trojúhelníkovou vířivou mřížku (obr. 2).

Při pevné teplotě a následném zvýšení magnetického pole se počet těchto vírů zvětší, což vede ke snížení vzdálenosti mezi nimi. Když magnetická indukce dosáhne hodnoty Bc2, povrchová hustota vírů se stává tak velká, že jejich normální jádra se vzájemně překrývají a nakonec ničí supravodivost ve vzorku. Materiál s takovou reakcí na magnetické pole se nazývá supravodič typu 2.

Všimněte si, že někdy je chování supravodiče typu 1 v magnetickém poli vyšší Bc také popsané vírové struktury. Podmínkou je, že když pole překračuje kritickou hodnotu Bckteré proniknou supravodičem typu 1, víry se navzájem přitahují (čím blíže, tím silnější) a vytvářejí normální oblasti, které zcela pokrývají povrch supravodivého materiálu.

Takže shrnujme průběžný výsledek: v supravodičů typu I v magnetickém poli nad kritickou hodnotou Bc Materiál se otáčí jsou přitahovány mezi sebou, čím blíže jsou k sobě navzájem, tím silnější je tato interakce. V důsledku této přitažlivosti takový supravodič téměř okamžitě přejde do normálního stavu. U supravodičů typu 2 dochází k penetraci magnetického pole ve formě vírů, kdy indukce přesahuje prahovou hodnotu spodního kritického pole Bc1. Děkuji odpuzování mezi víry, která se stává silnějším, čím blíže jsou tyto útvary navzájem umístěny, na povrchu supravodiče se vytváří trojúhelníková vírová mřížka. Vzhledem k tomu, že indukce vnějšího pole se zvyšuje při stanovené teplotě, počet pronikajících vírů se zvyšuje. Pokud indukce překročí práh horního kritického pole Bc2, vichřice se stanou natolik početnými, že se jejich normální jádra překrývají, čímž se materiál přenese do normálního stavu.

1,5-ti supravodivost

V roce 2001 objevil tým japonských vědců supravodivost v MgB diboridu hořečnatého2. Tento objev přitahoval velkou pozornost odborníků zapojených do studia fyziky kondenzovaných látek. Důvody zvýšeného zájmu o supravodivý stav této látky spočívají nejen ve svém jednoduchém chemickém vzorci anejen že jeho kritická teplota je poměrně vysoká a činí 39 K (mnoho supravodičů s vysokým Tc jsou velmi složité chemické sloučeniny), ale také ve zvláštnostech struktury supravodivosti v něm. Množství experimentů provedených nezávislými skupinami vědců ukázalo, že supravodivost v této látce a její vysoká kritická teplota jsou způsobeny přítomností dvou "stupňů" párů Cooper, jejichž interakce zajišťuje významné zvýšení kritické teploty. Takové supravodiče v literatuře jsou volány dvou zón.

Přítomnost dvou "druhů" dvojic Cooperu vedla vědce k "znovuobjevení" známých teorií o různých jevech pro takové supravodiče v naději, že najdou nějaký zvědavý efekt, který by neměl místo v běžných supravodičů s jedním typem párů Cooper. V roce 2004 Yegor Babayev a jeho kolega Martin Speight zjistili, že mechanismus magnetického pole na dvouzónovém supravodiči, zejména MgB2, ještě složitější než supravodiče typu 2 (Egor Babaev, Martin Speight, 2004. Semi-Meissnerova supravodivost ve vícesložkových supravodičů).

Ve své práci se předpovědět existenci v určitých intervalech, vnější magnetické pole nehomogenit v supravodič vířivé mřížky, což se může projevit ve formě tvorby vírů klastrů, husté shluky vírů na omezenou část povrchu nebo nerovnoměrným rozdělením vírů. Podle výpočtů těchto vědců jsou všechny tyto vortexové struktury tvořeny kvůli nemonotonické závislosti síly interakce vírů na vzdálenost mezi nimi. V průběhu následujících teoretických studií se ukázalo, že tato síla ve svém chování je zvláštním analogem intermolekulárních sil působících mezi atomy. Jednoduše řečeno, víry ve dvouvazných supravodičů přitahují na velké vzdálenosti (jako u supravodičů typu 1) a odpuzují malé (jako u supravodičů typu 2). Vzhledem k této povaze interakční síly mohou vzniknout neobvyklé struktury vírové mřížky.

V roce 2009 byla skupina belgických experimentátorů vedená Viktorem Moshchálkovou publikována v jednom z nejprestižnějších časopisů Fyzické revizní dopisy práce, kde experimentálně potvrdil existenci nerovnoměrné distribuce vírů v MgB2, jak předpovídali Yegor Babayev a Martin Speight. Autoři tohoto článku nazývají supravodič s podobnou odezvou na magnetické pole supravodič 1.5. Druhu (viz Experimentálně potvrdil existenci supravodivosti rodu seskviče, Elements, 12.03.2009).

Kvůli poctivosti je třeba říci, že tato práce způsobila nejednoznačnou reakci specialistů (viz Experimentální potvrzení supravodivosti jednoho a půl rodu je odloženo, Elements, 10. června 2010). Vynecháváme mnoho podrobností, poznamenáváme, že hlavním důvodem této reakce bylo, že zatím nikdo kromě této skupiny nezískal experimentální důkazy o existenci heterogenní vírové mřížky v MgB2 v podobě, ve které viděla skupinu Viktora Moschalkovy.

Nakonec se spory posunuly do teoretického pole (viz Supravodivost 1.5. Druhu: ani dva ani jeden a půl, Elements, 11.11.2010). V období od roku 2009 do roku 2012 bylo vydáno několik článků, ve kterých byly argumenty potvrzeny existencí supravodivosti 1.5. Druhu a potvrzena nemožnost jeho existence.Zvláště rozptýlená debata se konala mezi skupinou teoretiků vedených Egor Babayevem, objevitelem supravodivosti 1.5. Druhu a týmem vědců v osobě Vladimíra Kogana a Yorga Shmalyana (viz: Egor Babaev, Mihail Silaev, 2012. Komentář k "Ginzburg-Landau teorie dvouvazných supravodičů: Absence supravodivosti typu 1.5 "a VG Kogan, Jörg Schmalian, 2012. Odpověď na" Komentář k "Ginzburg-Landauově teorii dvouvazných supravodičů: Absence supravodivosti typu 1.5").

Naděje, že existence tohoto druhu supravodivosti bude potvrzena, vznikla po odhalení "železných" supravodičů (viz: Nový typ vysokoteplotních supravodičů byl objeven, "Elements", 12.05.2008 a byla nalezena nová rodina supravodičů obsahujících železo, "Elements", 31.10 .2008), které, jak ukazují četné experimenty, mají dva – a některé dokonce tři (!) – "známky" párů Cooper. Parametry těchto supravodičů na bázi železa se však ukázaly být takové, že navzdory jejich rozmanitosti nelze supravodivost 1.5. Typu v nich s největší pravděpodobností realizovat za žádných podmínek. Od okamžiku předpovídání 1,5-druhu supravodiče, jediný diborid hořečnatý zůstal jediný uchazeč o tento titul.

Stroncium rutenate – druhý kandidát na supravodiče typu 1.5

A nyní, 8 let po průkopnické publikaci o možné existenci 1.5. Typu supravodivosti v jednom z nejnovějších čísel časopisu Fyzický přehled B Objevil se teoretický článek, podle něhož "osamělost" diboridu hořčíku jako kandidáta na supravodiče 1,5 typu může "zředit" sloučeninu nazvanou stroncium ruthenát Sr2RuO4.

Musíte okamžitě provést rezervaci, že Sr2RuO4 – v jistém smyslu jedinečný supravodič. Jak si pamatujete, na začátku této poznámky byly zmíněny různé způsoby klasifikace supravodičů. Jeden z nich, jak již bylo zmíněno, je reakcí na vnější magnetické pole. Dalším, více známým způsobem dělení supravodičů je jejich diferenciace kritickou teplotou (viz např. Tabulka ve zprávách. Zdroj vysokoteplotní supravodivosti rozhraní se ukázal jako atomová vrstva oxidu mědi, Elements, 13. listopadu 2009). Konečně existuje i další typ klasifikace, která spočívá v rozdělení supravodičů podle struktury Cooperova páru, což se dá říci, "inspiruje" právě fenomén supravodivosti.

Páry Cooper jsou kvantové objekty, jejichž vlastnosti jsou popsány speciální fyzikální charakteristikou – vlnová funkce (čtverec modulu této funkce ukazuje pravděpodobnost detekce tohoto objektu v dané části prostoru, s určitým úsekem, můžeteže tato funkce je podobná závislosti souřadnic na čase pro klasický objekt). Po dlouhém čase od objevu supravodivosti bylo známo, že pár Cooper je svazek elektronů s protilehlými otočnými spiny. Materiály s tímto typem párování elektronů se nazývají spin-singlet sSupravodiče vln. Přidání "vlny" se objevuje vzhledem k tomu, že jak již bylo zmíněno, jsou popsány dvojice Cooper vlna funkce a předpona "s"znamená, že jejich orbitální moment hybnosti (nulový hybný moment) je nulový, to znamená, že se jednoduše mluví, neotáčí se kolem jejich středu hmoty.

Poté, co byly v roce 1986 objeveny vysokoteplotní supravodiče na bázi mědi (HTSC), experimentální studie ukázaly, že i když elektrony v těchto látkách mají páry, které mají protilehlý směr, dvojice Cooper se stále liší od pár dříve známých supravodičů. Tento rozdíl spočívá ve skutečnosti, že elektronové páry v HTSC se otáčejí a jejich orbitální moment ve speciálních jednotkách je 2. Měděné HTSC byly volány neobvyklé (ve vědecké literatuře existuje úspěšný anglický termín "nekonvenční") dSupravodiče vln. Symbol "d"naznačuje, že orbitální moment párů Cooper je 2. Jinými slovy, vedle rotace (spin) vlastních elektronů má Cooper pár také rotaci kolem svého středu hmoty (orbitální moment).

V roce 1994 byla v ruthenátu stroncia objevena supravodivost. I přes to, že jeho kritická teplota je velmi nízká, přibližně 1,5 K, tento objev přitahoval pozornost odborníků z několika důvodů. Především proto, že tato látka měla krystalovou strukturu podobnou HTSC a neobsahovala "povinnou" měď, jak tomu bylo u všech známých v té době HTS. Porovnáním fyzikálních vlastností normálních a supravodivých stavů Sr2RuO4 a mědi HTSC, vědci doufali, že objasní samotnou povahu vysokoteplotní supravodivosti.

Dále se očekávali ještě zajímavější detaily. Rok po zjištění supravodivého stavu ruthenátu stroncia skupina teoretiků hypotézala, že supravodivost v Sr2RuO4 není spinový singlet. Podle předpokladů těchto vědců ve stroncium rutenate jsou točící se dvojice Cooper směřovány v jednom směru, plus dvojice Cooperů sami mají hybnou hybnost jednoho.

Následující experimenty svědčily ve prospěch tohoto předpokladu. Výsledkem tohoto druhu neobvyklé supravodivosti byl název spin-triplet str-Wave supravodivost (symbol "str"říká, že orbitální moment Cooperova dvojice je stejný jako jeden.) V současné době neexistují žádné důkazy o tom, že některý z velkých množství supravodičů má podobný typ supravodivosti, protože právě díky této jedinečnosti je ruthenát stroncia stále aktivně zkoumán.

Železné HTSC objevené v roce 2008 zde nebyly zmíněny, takže čtenář může mít rozumnou otázku: jak klasifikovat tyto nové "železné" supravodiče? Výsledky posledních experimentů naznačují, že oba typy párů Cooper mohou být považovány za odděleně převzaté spin-singletové supravodiče bez rotace párů Cooper. Zdá se, že vše je triviální, dvouzónové supravodiče jsou jen "směs" dobře známého spin-singlet sSupravodiče vln. Ve skutečnosti se struktura párů Cooper v "železných" supravodičích ukázala být víc šikovná.Podle experimentálních dat jsou fáze vlnových funkcí (komplexních veličin) v "železných" supravodičích posunuty π. Kvůli tomuto fázovému posunu mají vlnové funkce každé třídy opačné znaky. Z tohoto důvodu jsou tyto supravodiče volány s ±Wave.

Další zvědavý rys Sr.2RuO4 jako supravodič je jeho dvou-pásmo, o čemž svědčí výsledky posledních experimentů. Samozřejmě, po získání takových dat vědci mají všechny důvody předpokládat, že ruthenát stroncia je potenciálním kandidátem na titul 1.5. Supravodiče, ve kterém mohou existovat různé druhy nehomogenity vírové mříže.

První detailní studie distribuce vírů v tomto supravodiči byla provedena v roce 2005 (V. O. Dolocan et al., 2005). Pozorování koalescence supravodičů Sr-Vortex v anizotropním supravodiču spin-tripletu2RuO4). Potom experimentátoři založili skutečnost tzv. Koalescence vírové mříže. Jinými slovy, víry v supravodivém vzorku netvořily trojúhelníkovou mřížku, která se navzájem odpuzovala, jak se to děje v supravodičce druhého druhu. Místo toho se začaly sloučit do velkých domén a velikost těchto domén rostla s nárůstem magnetického pole (obr. 3).

Obr. 3 Vírová mřížka v jednom krystalu ruthenátu stroncia, získaná ve vnějším magnetickém poli 0,0002 T (a), 0,0006 T (b) a 0,0007 T (s). Lehké oblasti odpovídají vírovým formacím (oblasti, kde magnetické pole proniklo). Obrázek z článku V. O. Dolocan a kol. Spin-Triplet Supravodič Sr Pozorování koelescence Vortexu v anizotropní2RuO4 (2005)

Výsledky experimentů znamenaly, že v supravodivém ruthenátu stroncia se mezi víry objevila určitá přitažlivost. Odkud pochází tato přitažlivost a proč se to děje v Sr2RuO4, pro experimentátory zůstal záhadou.

Skupina teoretiků pod vedením Jegor Babajěva, autorů článku zde diskutovaného, ​​tvrdí, že pozorované soustředění vírů lze snadno vysvětlit, pokud se pokusíme popsat supravodivé vlastnosti ruthenátu stroncia v rámci speciálního teoretického modelu vyvinutého výhradně pro tento supravodič, který bere v úvahu jeho dvouzónový charakter. Je třeba poznamenat, že s některými modifikacemi byla tato teorie použita k předpovědi a zdůvodňování supravodivosti 1.5.

Na základě tohoto teoretického modelu pro Sr2RuO4, tým vědců provedl numerickou simulaci výskytu vírové mřížky s parametry odpovídajícím charakteristikám supravodivého stavu ruthenátu stroncia.Ukázalo se, že s danými parametry teorie produkuje na kvalitativní úrovni stejné chování vírů, které bylo dosaženo při dříve prováděných experimentech (obr. 4).

Obr. 4 Rozložení koncentrací (v relativních jednotkách) každé "odrůdy" (vlevo – zaprvé, vpravo – druhý) Cooper párů ve dvou-pásmovém supravodivém ruthenátu stroncia. Červené oblasti odpovídají největšímu počtu elektronových párů, tmavě modrá – oblasti, kde jejich počet má tendenci k nule. Tyto grafy znázorňují vývoj vírové mřížky: od počátku formace vírové klastry (a a b) ze sedmi vírů před jeho okamžitým vzhledem (c a d). Obrázek z článku v diskusi Fyzický přehled B

Obrázky na obrázku 4 jasně a jasně ukazují přitažlivost mezi víry a v důsledku toho jejich koalescenci. Na druhé straně možnost vzniku těchto vírových klastrů lze interpretovat jako skutečnost přítomnosti supravodivosti 1.5. Typu v této sloučenině. Tento závěr je hlavním výsledkem tohoto článku.

Samozřejmě, že získaný výsledek nepředstírá konečnost, jak píší autoři, což naznačuje další experimentální studie v tomto směru.Nicméně nelze popřít, že experimentální data jsou dobře popsána teorií, která již s některými zjednodušeními již dříve předpověděla možnost existence supravodivosti 1,5 typu.

Zdroj dat: Julien Garaud, Daniel F. Agterberg, Egor Babaev. Vírová koalescence a supravodivost typu 1.5 v Sr2RuO4 // Phys. Rev. B 86, 060513 (R) (2012).

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