Stroncijski rutenat može postati supravodič 1.5 vrste • Yuri Erin • Znanstvena vijest o "Elementima" • Fizika

Stroncij rutenat može biti supravodič od 1.5 vrste

Sl. 1. Struktura vrtloga u sekciji (struktura vortexa). To je normalna jezgra s veličinom od približno dvije duljine koherencije oko koje se ne-prigušujuće supravodljive struje rotiraju gustoćomJa, pokrivajući područje reda dubine prodiranja u Londonu λ. Slika također pokazuje koliko se brzo broj supravodljivih elektrona (broj superelektrona) mijenja kad se približava jezgri vortexa (donji prugasti grafikon) i kako snaga magnetskog polja rasteH dok se krećete u središte vrtloga (top grafikon). Pokazano je da je karakteristična dubina penetracije magnetskog polja l. Slika od www.msm.cam.ac.uk

Ovisno o reakciji na djelovanje vanjskog magnetskog polja, supravodljive tvari su podijeljene u supravodiče 1. i 2. vrste. U 2004, predloženo je da magnezij diborid MgB2 mogu se ponašati u magnetskom polju na neki poseban način, zbog onoga što je dobilo ime 1.5. supravodiča. Međutim, eksperimentalna potvrda postojanja takve supravodljivosti nije dobivena, a magnezijev diborid je do sada ostao jedini kandidat za supravodiče od 1,5.Tim znanstvenika iz Sjedinjenih Država i Švedske teoretski je pokazao da se u stroncij ruthenate Sr može pojaviti polovica supravodljivosti2RuO4.

Kako se znanost znanstvenika o fenomenu supravodljivosti akumulirala i razvila, predloženi su novi načini klasificiranja tvari koje imaju taj učinak. Jedan od prvih shema, prema kojem su svi supravodljivi materijali bili odvojeni, uzimao je u obzir mehanizam reakcije supravodiča na vanjski magnetsko polje. Činjenica je da se supravodljiva država može uništiti, ne samo zagrijavanje materijala iznad kritične temperature Tcali stavljajući ga u magnetsko polje s indukcijom iznad kritične vrijednosti Bc (prije toga, supravodič je idealan diamagnetski, vidi meissnerov efekt, to jest, apsolutno ne dopušta magnetsko polje).

Međutim, kako je prikazano teorijskim kalkulacijama koje je 1957. godine proveo Alexei Abrikosov i potvrdio u eksperimentima 1967. godine skupina njemačkih istraživača s određenim omjerom parametara koji karakteriziraju supravodljivu državu, njegovo uništenje napreduje na složeniji način.Ti definirajući parametri su duljina koherencije ξ i dubina penetracije u Londonu magnetskog polja λ.

Da biste razumjeli što je koherentnost, razmotrite fenomen supravodljivosti na mikroskopskoj razini. Prema općeprihvaćenoj teoriji BCS, pojava supravodljivosti posljedica je spajanja elektrona provođenja u tzv. Cooper parove. Općenito, elektroni su čestice slične naboju i stoga moraju odbijati, ali na temperaturama ispod kritične te čestice počinju razmjenjivati ​​kvantu vibracijskog gibanja iona kristalne rešetke tvari – fonona. Ova interakcija, nazvana elektron-fonon, ima karakter privlačnosti i više nego nadoknađuje postojeći elektrostatsko odbijanje. Spajanje u paru omogućava elektronskim vodljivostima da se ponašaju sinkrono kada se primjenjuje električno polje (struja je uključena) i, prema tome, bez gubitka energije, da se kreću kroz kristalnu rešetku tvari. Tako nastaje jedan od znakova supravodljivosti – nula otpornost, ili, ekvivalentno, beskonačna provodljivost.

Sada se vraćamo na definiciju dužine koherencije.Ova vrijednost, pomalo pojednostavljena, može se tumačiti kao neobična veličina Cooperovog para. Za različite supravodiče ova vrijednost zauzima različite vrijednosti – od nekoliko nanometara do nekoliko mikrometara pri apsolutnoj temperaturi nulte. Uz povećanje temperature, koherentna duljina za određeni supravodič monotonno se povećava, uzimajući beskonačno veliku vrijednost na Tc.

Kao što je gore spomenuto, osim nulte otpornosti, još jedan atribut supravodljivosti je idealan diamagnetizam. Ispada da je to apsolutno "odbijanje" magnetskog polja postignuto zahvaljujući njegovom prozoru pomoću neotamljenih struja koje cirkuliraju na površini supravodiča. Debljina sloja u koju te struje cirkuliraju unutar supravodiča je londonska dubina penetracije magnetskog polja λ. Kao i koherentna duljina, ta je karakteristika jedinstvena za svaku supravodljivu tvar, koja varira od nekoliko desetaka nanometara do vrijednosti na redoslijed mikrometra na apsolutnoj nuloj temperaturi.

Sada se možemo vratiti na kriterij podjele supravodiča.Abrikosov je izračunao da ako supravodič ima omjer dubine penetracije magnetskog polja do duljine koherencije manjeg od 1 / √2, tada se uništavanje supravodljivosti pod djelovanjem vanjskog magnetskog polja događa gotovo odmah nakon što je indukcija polja prekoračila Bc, Supravodič s takvim karakteristikama zove se supravodič tipa 1.

Sl. 2. Prva slika vrtložne rešetke. Crna područja odgovara vrtloženju. Slika iz članka U. Essmann, H. Trauble, Physics Letters 24A, 526 (1967)

Ako je omjer λ / ξ supravodiča veći od 1 / √2, tada proces uništavanja supravodljivosti postaje složeniji. Dok indukcija magnetskog polja ne prelazi nižu kritičnu vrijednost Bc1, supravodljivi uzorak ne dopušta silu (idealan diamagnetizam). Međutim, jače polje prodire u materijal u obliku vortex linija, poznat kao Abrikosov vrtleri ili jednostavno vrtloženja (slika 1). Svaki vrtlog je normalna (ne-supravodljiva) cilindrična jezgra, koja je izdužena duž smjera magnetskog polja i okružena cirkulirajućim nedestupanjskim supravodljivim strujama.Prilikom prodiranja u supravodič, one se odbijaju jedni druge (bliže, jače) i tvore stabilnu strukturu na svojoj površini – trokutastu vrtložnu rešetku (sl. 2).

Pri fiksnoj temperaturi i naknadnom povećanju magnetskog polja, broj tih vrtloga postaje veći, što dovodi do smanjenja udaljenosti između njih. Kada magnetska indukcija dosegne vrijednost Bc2, površinska gustoća vrtloga postaje toliko velika da se njihova normalna jezgra međusobno preklapaju, konačno uništavajući supravodljivost u uzorku. Materijal s takvom reakcijom na magnetsko polje naziva se supravodič tipa 2.

Imajte na umu da ponekad ponašanje supravodiča tipa 1 u magnetskom polju je veći Bc također opisana pomoću vrtložnih struktura. Uvjetno se smatra da kada polje prelazi kritičnu vrijednost Bckoji prodiru u supravodič tipa 1, vrtlozi privlače jedni druge (bliže, jače) i formiraju normalna područja koja potpuno prekrivaju površinu supravodljivog materijala.

Dakle, sumiramo srednji rezultat: u supravodičima tipa I u magnetskom polju iznad kritične vrijednosti Bc materijalni vrtlozi privlače se međusobno, dok su bliže jedni drugima, to je jača ova interakcija. Zbog ove atrakcije, takav supravodič gotovo odmah prelazi u normalno stanje. U supravodičima tipa 2 penetracija magnetskog polja u obliku vrtloga se događa kada indukcija prelazi prag niže kritične polje. Bc1, hvala odbijanje između vortica, koja postaje jača, bliže se ta formacija nalaze jedna na drugoj, na površini supravodiča formira se trokutasti vorteksni rešetkasti sloj. Kako se indukcija vanjskog polja povećava pri fiksnoj temperaturi, povećava se broj prodornih vrtloga. Ako indukcija prelazi prag gornjeg kritičnog polja Bc2, virotići postaju toliko brojni da se njihove normalne jezgre preklapaju, čime se materijal prebacuje u normalno stanje.

1,5-tak supravodljivosti

Godine 2001. tim japanskih znanstvenika otkrio je supravodljivost u magnezijevom diboridu MgB2, Ovo otkriće privuklo je veliku pozornost stručnjaka uključenih u proučavanje fizike kondenzirane tvari. Razlozi povećanog interesa za supravodljivu državu ove supstance ne leže samo u jednostavnoj kemijskoj formuli ine samo da je njegova kritična temperatura prilično visoka i iznosi 39 K (mnogi supravodiči s visokim Tc su vrlo složeni kemijski spojevi), ali i osobitosti strukture supravodljivosti u njemu. Brojni eksperimenti nezavisnih skupina znanstvenika pokazali su da supravodljivost u toj supstanci i njegova visoka kritična temperatura ovise o prisutnosti dva "razreda" Cooperovih parova, čija interakcija omogućuje značajno povećanje kritične temperature. Pozvani su takvi supravodiči u literaturi dvije zone.

Prisutnost dviju "vrsta" Cooperova parova potaknula je znanstvenike da "ponovno istraže" poznate teorije raznih fenomena za takve supravodiče u nadi da će pronaći nekakav čudan učinak koji neće imati mjesta u običnim supravodljivima s jednim tipom Cooper parova. Doista, tijekom 2004. godine Yegor Babayev i njegov kolega Martin Speight otkrili su da je mehanizam magnetskog polja na supravodiču dviju zona, posebice MgB2, još složeniji od supravodiča tipa 2 (Egor Babaev, Martin Speight, 2004. Semi-Meissnerova supravodljivost u višekomponentnim supravodljivima).

U svom radu predvidjeli su postojanje nehomogene vrtložne rešetke u supravodiču u određenim intervalima indukcije vanjskog magnetskog polja koje se može manifestirati kao formiranje vortex klastera, gustih nakupina vrtloga na ograničenom površinskom području ili jednostavno nejednolika raspodjela vrtloga. Prema izračunima tih znanstvenika, sve su ove vrtložne strukture formirane zbog ne-monotoničke ovisnosti sile interakcije vrtloga na udaljenosti između njih. Tijekom naknadnih teorijskih istraživanja, pokazalo se da je ova sila u svom ponašanju osebujni analog intermolekularnih sila koje djeluju između atoma. Jednostavno rečeno, vortice u dvosmjernim supravodljivima privlače velike udaljenosti (kao u supravodičima tipa 1) i odbijaju se na malim (kao u supravodičima tipa 2). Zbog ove prirode sile interakcije mogu se pojaviti neobične strukture vrtložne rešetke.

U 2009, skupina belgijskih eksperimenata na čelu s Viktor Moshchalkova objavljena u jednom od najprestižnijih fizičkih časopisa Fizikalni pregledni pisma rad, gdje je eksperimentalno potvrdio postojanje neujednačene raspodjele vrtloga u MgB2, kako je predvidio Yegor Babayev i Martin Speight. Autori ovog članka nazivaju supravodič s sličnim odgovorom na magnetsko polje kao supravodič od 1.5 vrste (vidi Eksperimentalno potvrdio postojanje supravodljivosti sesquito roda, Elements, 12.03.2009.).

Radi pravednosti, valja reći da je ovaj rad izazvao dvosmislenu reakciju među stručnjacima (vidi Eksperimentalna potvrda supravodljivosti jednog i pol roda je odgođena, Elements, 10. lipnja 2010.). Izostavljajući mnoge pojedinosti, primijetili smo da je glavni razlog ove reakcije da do sada nitko, osim ove skupine, nije dobio eksperimentalne dokaze o postojanju heterogene vrtložne rešetke u MgB2 u obliku u kojem je vidjela skupinu Viktora Moschalkove.

Na kraju, sporovi su se preselili u teorijsko polje (vidi Supravodljivost 1.5 vrste: ni dva, niti jedna i pol, Elements, 11.11.2010.). U razdoblju od 2009. do 2012. godine objavljeno je nekoliko radova u kojima su dani argumenti kako potvrditi postojanje supravodljivosti 1.5 vrste, tako i potvrditi nemogućnost postojanja.Posebno oštra rasprava održana između skupine teoretičara čelu s Egor Babaev, pronalazač tipa-1,5 supravodljivosti, i tim znanstvenika u osobi Vladimir Kogan i Jörg Shmaliana (vidi:. Egor Babaev, Mihail Silaev 2012. Komentar na „Ginzburg-Landau teorija dva benda supravodiča: Nedostatak tipa 1.5 supravodljivost „i VG Kogan, Jörg Schmalian 2012. Odgovori na” Komentar na „Ginzburg-Landau teoriji dva benda supravodiča: Nedostajući tipa 1.5 supravodljivost” „).

Nadamo se da je postojanje ove vrste supravodljivost će biti potvrđena, nastala nakon otvaranja „željezne” supravodiča (vidi:. A novi tip high-supravodiča „Elementi”, 12.05.2008 i našao novu obitelj supravodiča koji sadrže željezo, „Elementi”, 31.10 .2008), koji su, kao što pokazuje brojni eksperimenti, imaju dva i neke čak tri (!) – "ocjene" parova Cooperova. Međutim, parametri supravodiča na osnovi željeza bili su takvi da, unatoč njihovom višestrukom bend supravodljivost 1,5 reda njima, očito, ne može se ostvariti pod kojim okolnostima. Tako je od trenutka predviđanja 1.5-vrstih supravodiča jedini magnezij diborid ostao jedini kandidat za ovaj naslov.

Stroncij Rutenate – drugi kandidat za supravodiče 1.5 vrste

I sada, 8 godina nakon pionirske publikacije o mogućem postojanju 1.5. Supravodljivosti u jednom od najnovijih izdanja časopisa Fizički pregled B Pojavio se teorijski članak prema kojemu "osamljenost" magnezij-diborida kao kandidata za supravodiče tipa 1.5 može "razrijediti" spoj nazvan stroncij rutenat Sr2RuO4.

Morate odmah rezervirati da je s2RuO4 – u određenom smislu, jedinstveni supravodič. Kao što se sjećate, na početku ove bilješke spominju se razni načini klasifikacije supravodiča. Jedan od njih je, kao što je već spomenuto, reakcija na vanjsko magnetsko polje. Druga, poznatija metoda razdvajanja supravodiča je njihova diferencijacija kritičnom temperaturom (vidi, primjerice, tablicu u vijestima. Izvor supravodljivosti sučelja visoke temperature pokazao se atomskim slojem bakrenog oksida, Elementi, 13. studenog 2009.). Konačno, postoji još jedna vrsta klasifikacije, koja se sastoji u dijeljenju supravodiča prema strukturi Cooperovog para, koji se može reći "inspirira" sam fenomen supravodljivosti.

Parovi suradnika su kvantni objekti čija se svojstva opisuju posebnom fizičkom karakteristikom – funkcijom vala (kvadrat modula ove funkcije pokazuje vjerojatnost da se taj objekt detektira u određenom dijelu prostora, a sa nekim se protežu možetereći da je ova funkcija slična ovisnosti koordinata na vrijeme za klasični objekt). Dugo je od otkrića supravodljivosti poznato da je Cooperov par elektronski spoj s suprotnim usmjerenim okretajima. Materijali s ovom vrstom elektronskog sparivanja nazivaju se spin-singlet aValonski supravodiči. Dodatak "vala" se pojavljuje zbog činjenice da su, kao što je već spomenuto, opisani Cooper parovi val funkciju i prefiks "a"znači da je njihov orbitalni kutni moment (kutni moment) nula, tj. oni, jednostavno govoreći, ne okreću oko svog središta mase.

Nakon što su 1986. otkriveni bakreni visokotemperaturni supravodiči (HTSC), eksperimentalne studije su pokazale da, iako su elektroni u tim supstancama par, imaju suprotno usmjerene vrline, Cooper parovi i dalje razlikuju od onih prethodno poznatih supravodiča. Ova razlika leži u činjenici da se elektronski parovi u HTSC-u okreću, a njihov orbitalni trenutak u posebnim jedinicama je 2. Bakreni HTS zvan je neobičan (u znanstvenoj literaturi postoji uspješan engleski pojam "nekonvencionalan") spin-singlet dValonski supravodiči. Simbol "d"označava da je orbitalni moment Parova Cooperova 2. Drugim riječima, osim rotacije elektrona (spin), parica Cooper također ima rotaciju oko svog središta mase (orbitalni trenutak).

Godine 1994. otkrivena je supravodljivost u stroncij rutenata. Unatoč činjenici da je njegova kritična temperatura vrlo niska, otprilike 1,5 K, ovo otkriće privuklo je pozornost stručnjaka iz nekoliko razloga. Prije svega, jer je ova tvar imala kristalnu strukturu sličnu HTSC-u i nije sadržavala "obavezno" bakar, kao što je bio slučaj za sve HTS poznate u to vrijeme. Uspoređujući fizičke karakteristike normalnih i supravodljivih stanja Sr2RuO4 i bakrenog HTSC-a, znanstvenici su se nadao da će pojasniti prirodu visokotemperaturne supravodljivosti.

Međutim, za njih se očekivalo još zanimljivije pojedinosti. Godinu dana nakon otkrića supravodljive države stroncij rutinata, skupina teoretičara pretpostavlja da supravodljivost u Sr2RuO4 nije spin singlet. Prema pretpostavci tih znanstvenika, u stroncij-rutenatu, vrti u Cooperovom paru usmjerene su u jednom smjeru, a parovi Cooper-a imaju kutni zamah jednog.

Naknadni pokusi su svjedočili u korist ove pretpostavke. Kao rezultat toga, ova vrsta neobične supravodljivosti dobila je ime spin-trojka p-Wave supravodljivost (simbol "p"kaže da je orbitalni moment Cooperovog para jednak jedan." Trenutno nema nikakvih dokaza da bilo koji od velikog broja supravodiča ima sličan tip supravodljivosti. Zapravo, zbog ove jedinstvenosti stroncij rutin se još uvijek aktivno istražuje.

HTSC-ovi na glačalo otkrivenim u 2008. nisu ovdje spomenuti, tako da čitatelj može imati razumno pitanje: kako klasificirati ove nove "željezne" supravodiče? Rezultati nedavnih eksperimenata ukazuju da se oba tipa Cooperovih parova mogu smatrati odvojenim supravodljivima spin-singleta bez rotacije Cooperovih parova. Čini se da je sve trivijalno, dvoslojni supravodiči samo su "mješavina" poznatog spin-singleta aValonski supravodiči. U stvarnosti, struktura Cooperovih parova u "željeznim" supravodljivima pokazala se lukavijom.Prema eksperimentalnim podacima, faze valnih funkcija (kompleksnih veličina) u "željeznim" supravodljivima su pomaknute π, Zbog tog pomaka faze, valne funkcije svakog razreda imaju suprotne znakove. Zbog toga se pozivaju ti supravodići s-wave.

Još jedna neobična značajka Sr2RuO4 kao supravodič je njegov dvosmjerni, što se očituje rezultatima nedavnih eksperimenata. Naravno, nakon dobivanja takvih podataka, znanstvenici imaju svaki razlog za pretpostaviti da je stroncij rutenat potencijalni kandidat za naslov 1.5. Oblika supravodiča, u kojem mogu postojati različite vrste nehomogenosti vrtložne rešetke.

Prva detaljna studija o raspodjeli vrtloga u supravodiča su provedena u 2005. godini (V. O. Dolocan i sur., 2005. Promatranje Vortex srastanje u Anizotropno spin-trojka Superconductor sr2RuO4). Tada su eksperimenteri utvrdili činjenicu tzv. Koalescencije vrtložne rešetke. Drugim riječima, vrtlozi nisu oblikovali trokutastu rešetku u supravodljivom uzorku, odbijajući jedni od drugih, kao što se događa u supravodiču druge vrste. Umjesto toga, počeli su se spajati u velike domene, a veličina tih domena porasla je s povećanjem magnetskog polja (slika 3).

Sl. 3. Vortex rešetka u jednom kristalu stroncij rutenata, dobivenom u vanjskom magnetskom polju od 0,0002 T (i), 0,0006 T (b) i 0,0007 T (s). Lagane površine odgovara vortex formacijama (područja u kojima je magnetsko polje prodrlo). Slika iz članka V. O. Dolocan et al. Spin-Triplet supravodič Sr Promatranje vrtložne koalescencije u anizotropnoj2RuO4 (2005)

Rezultati eksperimenata značili su da u supravodljivom stroncij rutenatu postoji neka atrakcija između vrtloga. Odakle dolazi ova privlačnost i zašto se to događa u s2RuO4, za eksperimente ostao je tajna.

Teorija grupa na čelu s Egor Babaev, autori raspravljali ovdje članak, tvrde da je primijetio kompaktni vrtloga se može lako objasniti, ako pokušamo opisati supravodljiva svojstva stroncij rutenat u posebnom teorijskom modelu razvijenom isključivo za ovaj supravodiča koji će uzeti u obzir svoje dual-zone. Valja napomenuti da je s nekim izmjenama ova teorija korištena za predviđanje i potkrijepu supravodljivosti 1.5 vrste.

Tako se temelji na ovom teorijskom modelu za Sr2RuO4, Tim znanstvenika proveo numerička simulacija pojave vrtložnog rešetke s parametrima odgovaraju karakteristikama supravodljivog stanja stroncij rutenat.Pokazalo se da s navedenim parametrima, teorija proizvodi na kvalitativnoj razini isti ponašanje vrtloga, koji je dobiven u prethodno provedenim pokusima (Slika 4).

Sl. 4. Distribucija koncentracije (u relativnim jedinicama) svake "sorte" (na lijevoj strani – prvo, s desne strane – drugi) Cooper parovi u dvosmjernom supravodljivu stroncij rutenat. Crvena područja odgovaraju najvećem broju elektronskih parova, tamno plava – područja na kojima njihov broj nestaje. Ovi grafikoni pokazuju evoluciju vrtložne rešetke: od početka formiranja vortex klastera ( i b) od 7 vrtloga prije neposrednog pojavljivanja (c i d). Slika iz članka u raspravi Fizički pregled B

Slike na slici 4 jasno i jasno ukazuju na privlačnost između vrtloga i, kao posljedica toga, njihovu koalescenciju. S druge strane, mogućnost formiranja takvih vrtložnih klastera može se tumačiti kao činjenica prisutnosti supravodljivosti 1.5 vrste u ovom spoju. Ovaj je zaključak glavni rezultat ovog članka.

Naravno, dobiveni rezultati ne pretvaraju se u konačnost, kako pišu autori, sugerirajući daljnje eksperimentalne studije u tom smjeru.Međutim, ne može se zanijekati da su eksperimentalni podaci dobro opisani teorijom koja je čak i kod nekih pojednostavljenja već unaprijed predvidjela mogućnost postojanja supravodljivosti tipa 1.5.

Izvor: Julien Garaud, Daniel F. Agterberg, Egor Babaev. Vortex coalescence i 1.5 supravodljivost tipa u Sr2RuO4 // Phys. Rev. B 86, 060513 (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: :???: :?: :!: