Интересные темы:

Гаджеты

Немного интересного:

Решены две загадки высокотемпературной сверхпроводимости в купратах

29.12.2010 Наука и жизнь

Американские физики разобрались с поведением электронов в так называемой псевдощелевой фазе вещества, предшествующей состоянию сверхпроводимости.

Сверхпроводимостью именуют полное исчезновение электрического сопротивления вещества постоянному электрическому току при температуре ниже критической. Огромная практическая сокровище сверхпроводников содержится в отсутствии в них утрат электроэнергии при протекании тока. Но на пути их широкого применения стоит низкая величина критической температуры.

Для большинства веществ она близка к безотносительному нулю. До 1986 года наибольшей температурой владел сплав Nb3Ge, для которого сверхпроводимость наступала при температуре ниже 23 К (–250°). Исходя из этого появилась ответственная научная задача: отыскать вещества, переходящие в сверхпроводящее состояние при более большой температуре, нужно близкой к комнатной, что стало называться высокотемпературной сверхпроводимости.
Во второй половине 80-ых годов двадцатого века были открыты высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) на базе оксидов меди (купратов), и в течение нескольких лет критическая температура увеличилась до приблизительно 120 К. Но эти вещества владеют сверхсложной электронной структурой, что очень затрудняет познание того, как в них происходит переход к сверхпроводящему состоянию, без чего нереально разработка сверхпроводников, действующий при более больших температурах. С того времени уже практически 30 лет ведутся сложные опыты по изучению этого вопроса.
В частности, было найдено, что состоянию сверхпроводимости у ВТСП предшествует состояние, названное «псевдощелевой фазой». Данный термин связан с изюминкой энергетического спектра электронов в веществе (так именуется дискретный комплект разрешенных уровней энергии электронов в атоме). Электроны с низкими значениями энергии находятся в валентной территории, электроны с большей энергией, талантливые перемещаться по веществу, — в зоне проводимости.

В диэлектриках и полупроводниках зону проводимости и валентную зону разделяет промежуток запрещенных значений энергии,  именуемый «щель». Дабы принимать участие в создании тока, электрон обязан взять энергию, дабы перескочить через щель из валентной территории в зону проводимости. Исходя из этого, чем больше ширина щели, тем посильнее изолирующие особенности материала.   Щель образуется и у сверхпроводников, но у нее вторая природа.

При происхождении сверхпроводимости электроны, родные к уровню Ферми, образуют так именуемые куперовские пары и оседают на уровне  Ферми, и данный уровень начинает отделять щель от уровней одиночных электронов. Уровень Ферми определяется критической температурой. 
Оказалось, что у ВТСП при температурах выше критических существует состояние с меньшим числом носителей заряда вблизи уровня Ферми, чем в простом проводнике. Это явление стало называться «псевдощель». Это состояние непонятной природы позвало большое количество вопросов у физиков.

Потому, что состояние псевдощели предшествует и частично существует совместно со сверхпроводимостью (соперничает с ней), ученые считают, что изучение этого состояния окажет помощь раскрыть тайны ВТСП. Сейчас этому вопросу посвящено большое количество работ,  одна из которых опубликована пару дней назад в издании «Science».
Физики из Брукхейвенской Корнельского университета и национальной лаборатории, применяя  созданный ими неповторимый точный сканирующий туннельный микроскоп, сумели проследить подробности превращения купрата из диэлектрика в сверхпроводник, через стадию псевдощели. Их экспериментальная установка разрешала определять направление движения и пространственное расположение электронов в материале, благодаря чему удалось найти два новых явления.
В исходном состоянии исследуемый купрат Bi2Sr2CaCu2O8+δ является изолятором . Дабы перевоплотить его в ВТСП, к нему в качестве источника носителей заряда (дырок) химически додавали атомы кислорода. Таковой процесс именуется допирование, дополнительные атомы обозначены в формуле как «+δ».

Физики систематически в течение долгого времени сканировали материал при разных уровнях допирования, дабы проследить, как изменяется расположение и поведение электронов при эволюции материала в сверхпроводящее состояние.
При увеличении количества носителей заряда (уровня допирования) материал переходил из состояния диэлектрика в псевдощелевую фазу. При низкой плотности носителей заряда  наблюдалась достаточно статичная картина. Появлялось экзотическое периодическое статическое размещение некоторых электронов, названное «волны плотности» либо «полосы». Эти волны похожи на полосы «замороженных» электронов.

 Волны плотности, как и  перемещение электронов, ограничены определенными направлениями. При предстоящем повышении числа зарядов ученые поняли, что волны плотности исчезают, а электроны в материале обретают свойство вольно двигаться в любом направлении.  Причем это происходит при том же уровне допирования, что и происхождение чистой сверхпроводимости.
«В первый раз опыт напрямую связал исчезновение волн плотности и связанных с ними наноразмерных недостатков кристаллической решетки с возникновением электронов, текущих вольно во всех направлениях, нужных для неограниченной сверхпроводимости, – сообщил ведущий создатель Симус Дэвис (Seamus Davis). –  Эти новые измерения, наконец, продемонстрировали нам, из-за чего в загадочном псевдощелевом состоянии этого материала электроны перемещаются менее вольно».
Дэвис сравнивает наблюдения с полетом над замерзшей рекой, где возможно заметить статические фрагменты, образованные льдом, и одновременно с этим найти течение жидкой воды. Эти полеты совершаются опять и опять в течение весны, в то время, когда замороженный водный путь неспешно тает. В купрате вместо увеличения температуры ученые повышали уровень допирования, дабы «топить» волны плотности в определенной критической точке. 
Это открытие подтверждает давешнюю идею, что именно волны плотности ограничивают поток электронов и ухудшают большую сверхпроводимость в псевдощелевой фазе. «Статическое размещение электронов и связанные наноразмерные флуктуации нарушают вольный поток электронов – как лед на реке ухудшает поток жидкой воды», –  говорит Дэвис. 
Очевидно, взять ВТСП не так легко, как растопить лед, но это открытие дает подсказки. В случае если не допустить  образование статических полос, в то время, когда они появляются, в конечном счете возможно взять материалы, каковые будут выступать в качестве сверхпроводника при более низкой плотности допирования и намного более большой температуре, считает Дэвис.
По данным: Sciencedaily, Brookhaven National Laboratory
Подписи к картинкам

Упрощённая зонная диаграмма для проводников, полупроводников и диэлектриков (ru.wikipedia.org). Решены две загадки высокотемпературной сверхпроводимости в купратахФазовая диаграмма состояния ВТСП в зависимости от его уровня и температуры допирования (плотности дырок). ‹ ›

Рис. 1. Упрощённая зонная диаграмма для проводников, полупроводников и диэлектриков (ru.wikipedia.org).

Рис. 2. Фазовая диаграмма состояния ВТСП в зависимости от его уровня и температуры допирования (плотности дырок). Пунктирная линия – температура, при которой появляется псевдощель. Псевдощелевой фазе соответствует область желтого цвета ниже данной линии.  Куполообразная область – область сверхпроводимости, ее граница – целая линия – критическая температура (Тс). Область 1 соответствует перекрытию псевдощелевого и сверхпроводящего состояний.

На соответствующем фото вверху видны статические полосы, каковые исчезают в  области 2, где имеет место чистая сверхпроводимость. Белая область – простое железное состояние.

Создатель: Алексей Понятов

Источник: www.nkj.ru

Случайные записи:

Сверхпроводники на основе оксидов меди — Евгений Антипов


Похожие статьи, которые вам понравятся:

Tags:  , ,