Nadprzewodnik miedziany - Cuprate superconductor

Nadprzewodniki miedzianowe to rodzina wysokotemperaturowych materiałów nadprzewodzących zbudowanych z warstw tlenków miedzi (CuO 2 ) naprzemiennie z warstwami innych tlenków metali, które pełnią funkcję rezerwuarów ładunku. Przy ciśnieniu otoczenia nadprzewodniki miedzianowe są znanymi nadprzewodnikami o najwyższej temperaturze. Jednak mechanizm powstawania nadprzewodnictwa nadal nie jest poznany .

Historia

Oś czasu nadprzewodników. Miedziany są wyświetlane jako niebieskie diamenty, dwuborek magnezu i inne nadprzewodniki BCS są wyświetlane jako zielone kółka, a nadprzewodniki na bazie żelaza jako żółte kwadraty. Cuprates są obecnie nadprzewodnikami o najwyższych temperaturach, które nadają się do drutów i magnesów.

Pierwszy nadprzewodnik miedziany został znaleziony w 1986 roku w niestechiometrycznym miedzianolantanowo - barowym tlenku miedzi przez badaczy IBM Bednorza i Müllera. Temperatura krytyczna dla tego materiału wynosiła 35 K, znacznie powyżej poprzedniego rekordu 23 K. Odkrycie doprowadziło do gwałtownego wzrostu badań nad miedzianami, co zaowocowało tysiącami publikacji w latach 1986-2001. Bednorz i Müller zostali nagrodzeni Nagrodą Nobla w Fizyka w 1987 roku, zaledwie rok po ich odkryciu.

Od 1986 r. zidentyfikowano wiele nadprzewodników miedzianowych, które można podzielić na trzy grupy na diagramie fazowym: temperatura krytyczna w funkcji zawartości dziury tlenowej i dziury w miedzi:

Struktura

Komórka elementarna wysokotemperaturowego nadprzewodnika miedzianowego BSCCO-2212

Miedziany to materiały warstwowe, składające się z nadprzewodzących płaszczyzn tlenku miedzi , oddzielonych warstwami zawierającymi jony takie jak lantan , bar , stront , które działają jak zbiornik ładunku, domieszkując elektrony lub dziury w płaszczyznach tlenku miedzi. Zatem konstrukcja jest opisana jako supersieci nadprzewodzącego CuO 2 warstwach oddzielonych warstwami dystansowymi, co skutkuje wytworzeniem struktury często ściśle związane z perowskitu struktury. Nadprzewodnictwo zachodzi w arkuszach z tlenku miedzi (CuO 2 ), przy słabym sprzężeniu pomiędzy sąsiednimi płaszczyznami CuO 2 , co sprawia, że ​​właściwości są zbliżone do właściwości materiału dwuwymiarowego. W warstwach CuO 2 płyną prądy elektryczne , co powoduje dużą anizotropię w normalnych właściwościach przewodzących i nadprzewodzących, przy znacznie większej przewodności równoległej do płaszczyzny CuO 2 niż w kierunku prostopadłym.

Krytyczne temperatury nadprzewodnictwa zależą od składu chemicznego, podstawień kationów i zawartości tlenu. Wzory chemiczne materiałów nadprzewodzących zazwyczaj zawierają liczby ułamkowe opisujące domieszkowanie wymagane dla nadprzewodnictwa. Istnieje kilka rodzin nadprzewodników miedzianowych, które można podzielić na kategorie według zawartych w nich pierwiastków i liczby sąsiednich warstw tlenku miedzi w każdym bloku nadprzewodzącym. Na przykład YBCO i BSCCO można alternatywnie określać jako Y123 i Bi2201/Bi2212/Bi2223 w zależności od liczby warstw w każdym bloku nadprzewodzącym ( n ). Stwierdzono, że temperatura przejścia nadprzewodnictwa osiąga szczyt przy optymalnej wartości domieszkowania ( p =0,16) i optymalnej liczbie warstw w każdym bloku nadprzewodzącym, zwykle n =3.

Niedomieszkowane związki „macierzyste” lub „matki” są izolatorami Motta o uporządkowaniu antyferromagnetycznym dalekiego zasięgu w wystarczająco niskich temperaturach. Pojedyncze pasma modele są zwykle uważane za wystarczające do opisania właściwości elektronicznych.

Nadprzewodniki miedzianowe zwykle zawierają tlenki miedzi na obu stopniach utlenienia 3+ i 2+. Na przykład, arz 2 Cu 3 O 7 jest opisany jako Y 3+ (Ba 2+ ) 2 (Cu 3+ ) (Cu 2+ ) 2 (O 2 ) 7 . Jony miedzi 2+ i 3+ mają tendencję do układania się we wzór szachownicy, zjawisko znane jako uporządkowanie ładunków . Wszystkie miedzianów nadprzewodzące są materiały warstwowe o złożonej strukturze, jak opisano w supersieci nadprzewodzącego CuO 2 warstwach oddzielonych warstwami dystansowymi, gdzie szczep niedopasowanie pomiędzy różnymi warstwami i domieszek do przekładek wywołują złożoną niejednorodności że w superstripes scenariusz dla wysokiej wewnętrzną nadprzewodnictwo temperaturowe.

Mechanizm nadprzewodzący

Nadprzewodnictwo w miedzianach jest uważane za niekonwencjonalne i nie jest wyjaśnione przez teorię BCS . Możliwe mechanizmy parowania nadprzewodnictwa miedzianowego są nadal przedmiotem poważnej debaty i dalszych badań. Podobieństwa między niskotemperaturowym stanem antyferromagnetycznym w materiałach niedomieszkowanych a niskotemperaturowym stanem nadprzewodzącym, który pojawia się po domieszkowaniu, przede wszystkim stanem orbitalnym d x 2 -y 2 jonów Cu 2+ , sugerują, że w miedzianach oddziaływania elektron-elektron są bardziej znaczące niż w przypadku konwencjonalnych oddziaływań elektron-fonon. Ostatnie prace na powierzchni Fermiego wykazały, że zagnieżdżanie występuje w czterech punktach antyferromagnetycznej strefy Brillouina, gdzie występują fale spinowe, i że nadprzewodnikowa przerwa energetyczna jest w tych punktach większa. Słabe efekty izotopowe obserwowane dla większości miedzianów kontrastują z konwencjonalnymi nadprzewodnikami, które są dobrze opisane przez teorię BCS.

Aplikacje

Nadprzewodniki BSCCO mają już zastosowania na dużą skalę. Na przykład dziesiątki kilometrów przewodów nadprzewodzących BSCCO-2223 o temperaturze 77 K są używane w bieżących przewodach Wielkiego Zderzacza Hadronów w CERN . (ale główne cewki pola wykorzystują metaliczne nadprzewodniki o niższej temperaturze, głównie na bazie niobu-cyny ).

Zobacz też

Bibliografia

Bibliografia