Эта работа началась в 1975г., во время выполнения дипломного проекта в Московском институте электронной техники. Тогда мне хотелось создать плёночный активный элемент на горячих электронах. Но когда узнал о гипотезе Гинзбурга - Киржница предложенной в 1963г., понял, что те сандвичи, которые мне приходилось создавать, как раз соответствуют требованиям этой гипотезы.
В 1957г. Бардин-Купер-Шриффер создали теорию сверхпроводимости, где основная роль в явлении сверхпроводимости отводилась образованию спаренных электронов, через взаимодействие с фононами и критическая температура перехода металла в состояние сверхпроводимости определяется некоторой характерной температурой фононов. Эта характерная температура приблизительно равна дебаевской температуре фононов, и критическая температура перехода металла в сверхпроводящее состояние определяется по формуле:
где g постоянная, пропорциональная силе притяжения между электронами. Поскольку дебаевская температура фононов не может превышать несколько сотен градусов, то грубая оценка фононного механизма сверхпроводимости в то время показывала, что критическая температура фононного механизма не может превышать 25°К., поэтому Гинзбург - Киржниц предложили для спаривания электронов использовать другие частицы, например экситоны электронного типа. Так как дебаевская температура экситонов может составлять тысячи и даже десятки тысяч градусов, то грубые теоретические расчёты показывали, что критическая температура экситонного механизма перехода металла в сверхпроводящее состояние, может достигать 300 ° К. и более, что соответствует комнатной температуре и выше. Так родилась конструкция сандвича Гинзбурга-Киржница для экситонного механизма сверхпроводимости, которую вы видите на рис.1, хотя сейчас точно знаю, что в таком сандвиче никогда не произойдёт спаривание электронов через взаимодействие с экситононами.
Рис.1 Сандвич для экситонного механизма сверхпроводимости.
Боле того, могу сказать, что при разработке экситонной теории высокотемпературной сверхпроводимости при расчёте волновых функций электрона была допущена неточность, поэтому критическая температура экситонного механизма может достигать не только комнатной температуры, но и превышать её в несколько раз. В то время у меня была возможность встречаться с одним из разработчиков теории высокотемпературной сверхпроводимости. Когда спросил у него, может ли в структуре состоящей из металлических шариков размером несколько межатомных расстояний, окружённых тонким слоем диэлектрика и сжатых до межатомных расстояний, возникать экситонный механизм сверхпроводимости. Он ответил, именно в таких структурах он и должен наблюдаться. С тех пор начал создавать многослойные сандвичи, в которых основной слой имел вышеупомянутую структуру. В конце дипломного проекта обнаружил, что на нескольких образцах имеются скачки тока на вольтамперных характеристиках, а их проводимость меняется на порядок при определённом напряжении. Это показано рис.2. На рис.3 приведена типичная характеристика структур сверхпроводникизолятор сверхпроводник.
Рис.2 В.А.Х. образцов, измеренные в 1976г.
Рис.3 Типичные ВАХ структур сверхпроводник изолятор сверхпроводник.
Такое поведение ВАХ в изученных явлениях существует только у структур сверхпроводник изолятор сверхпроводник (S -I - S ). Снова встречался с одним из разработчиков теории высокотемпературной, и мне удалось убедить его, что такие характеристики могут давать структуры S -I - S . Он не поверил в эти результаты, поскольку они теоретически доказали, что реализовать на практике экситонный механизм сверхпроводимости практически нельзя, так как металл должен иметь толщину 5Å, а это один атомный слой, что получить невозможно. Но теория теорией, а критерием истины остаётся практика.
Думал, что, приехав в Воронеж по распределению, смогу сразу продолжить работу. Но судьба сложилась иначе. А когда прочитал статью в 1987г. об открытии сверхпроводящей керамики, где было написано, когда Мюллер пришёл к Беднорцу и спросил, как создать структуру, состоящую из металлических шариков размером несколько межатомных, окружённых тонким слоем диэлектрика и сжатых до межатомных расстояний. Он ответил методом спекания керамики. Так родилась сверхпроводящая керамика критическая температура, которой в то время, достигала 112°К.. После этого подумал, что скоро доберутся и до комнатной температуры. Единственное, что меня немного утешало то, что образцы получал не методом спекания керамики, а методом естественного выращивания в определённых средах. После этого сообщения вообще забросил сверхпроводимость. Но прошло почти двадцать лет от момента открытия сверхпроводящей керамики, а сообщений об открытии сверхпроводимости при комнатной температуре, так и не было.
В декабре 2002г. мне пришла мысль ещё раз исследовать образцы, изготовленные почти 30 лет назад. Пришёл в гараж, открыл студенческий чемодан и принёс их в лабораторию. А теперь о том, что я на них увидел.
На рис. 4 , рис. 5 , рис. 6 , вы видите три график а ВАХ. , Вверху полу че нный в 1976г., в центре типичная ВАХ. для структур S - I - S , Внизу ВАХ. образцов измеренная в 2002г.
Рис.4 В.А.Х. измеренная в 1976г.
Рис.5 Типичная В.А.Х. структур S -I - S .
Рис.6 В.А.Х. измеренная в 2002г.
Все они имеют три характерных участка, начальный с высоким сопротивлением, затем при достижении напряжения 2Δ / e , скачок тока, а третий как при обычном туннелировании в структурах металл-диэлектрик-металл. Но если полученные характеристики связаны с явлением сверхпроводимости, то должна существовать критическая температура, при которой сверхпроводимость исчезает. При подключении образцов к источнику постоянного тока, на ВАХ. наблюдается петля гестирезиса. Причём ширина гестирезиса является функцией температуры и при критической температуре становится равной нулю. На рис.7 вы видите зависимость ширины гестирезиса от температуры.
Рис.7.Зависимость ширины гестирезиса от температуры:
а) при 77.°К, б) при 300.°К, в) при 620°К.
Можно предположить, что в таких сложных слоистых сандвичах, гестирезис могут вызывать подвижные ионы. Но в этом случае, с понижением температуры ширина гестирезиса должна уменьшаться, поскольку уменьшается подвижность ионов. А на графиках рис.7 мы видим обратную картину, с понижением температуры ширина гестирезиса увеличивается, что характерно только для структур S -I - S . Исходя из этих результатов, можно сделать вывод, что критическая температура перехода в сверхпроводящее состояниеисследуемых образцов составляет примерно 620°К. или 350°С.
Если эти образцы обладают сверхпроводимостью, то на них должны присутствовать эффекты Джозефсона. Методом деления образца на части были выделены участки, где толщина диэлектрика между металлами не превышала 20Å. При измерении выделенных образцов на характериографах, при подаче переменного напряжения с частотой 50 Гц. на экране наблюдался эллипс. Это вы видите на рис.8
Рис.8. Эллипс на переменномнапряжении.
Рис.9. Эллипс плюс импульсы генератора ступенек.
Как мне сказал один московский профессор: эллипс как эллипс ничего в нём интересного нет. Действительно он правильной геометрической формы и ничего интересного в самом эллипсе нет. Интересное состоит в другом, каким образом он получен на экране характериографа. Есть два способа получения эллипса: от одного источника сигнала через R -C цепочку или от двух источников сигнала. Первый вариант моделировался с помощью компьютерной программы. По мере приближения эллипса к вертикальной или горизонтальной оси эллипс вырождался в прямую линию. А как вы видите на рис.8 эллипс почти горизонтальный. Значит, эллипс получен с помощью двух источников сигнала. Если одним источником сигнала является характериограф, то вторым источником сигнала может быть только исследуемый образец. Если вы посмотрите на рис. 9 на другом характериографе, то при включении генератора ступенек на эллипсе наблюдаются импульсы генератора ступенек. Образец ведёт себя таким образом, что какой сигнал на него поступает, такой он и генерирует. Мне известно, что о низкочастотной генерации джозефсоновскими переходами, ничего неизвестно. Но это легко проверить тем, кто имеет возможность работы с этими переходами. Достаточно подключить один из сверхпроводников через ёмкость и на экране характериографа будете наблюдать и эллипс и импульсы и любой другой сигнал, который используется в характериографе.
Для исследования образцов на постоянном токе ёмкость удалялась. Образец подключался к характериографу, как к источнику постоянного тока. В результате, при нулевом напряжении на образце через него протекал постоянный ток. Это вы видите на рис.10. В сверхпроводимости такой ток называется постоянный сверхпроводящий джозефсоновский ток и обусловлен туннелированием куперовских пар при нарушении их фазовой когерентности.
Рис.10. Сверхпроводящий ток, при нулевом напряжении на образце.
Рис.11. Зависимость сверхпроводящего тока от магнитного поля.
Рис.12. Управление с верхпроводящим током.
Если это сверхпроводящий ток, то в магнитном поле он дожжен давать дифракционную картину. Эксперимент проводился с помощью постоянных магнитов, при этом менялось расстояние между магнитом и образцом. Ток измерялся в зависимости от расстояния между магнитом и образцом. Полученные результаты вы видите на рис.11. Наклон влево, согласно теории сверхпроводимости, связан с добавлением собственного магнитного поля к внешнему полю, что происходит при больших токах через переход. Хочу сразу же сказать, что при исследовании по отдельности каждого слоя, из которых состоит сандвич, ни одной из приведённых характеристик не наблюдалось. Поэтому, можно предположить, что образование куперовских пар происходит через взаимодействие электронов в основном слое, с частицами в другом слое. Возможно это экситонный механизм. А если это так, то с помощью дополнительного металлического электрода, существующего в сандвиче сверхпроводящим током легко управлять. При подаче на дополнительный электрод импульсов генератора ступенек на экране характериографа появлялось семейство выходных характеристик. Это вы видите на рис.12. Оно напоминает семейство выходных характеристик транзистора. Поэтому с помощью эффекта управления сверхпроводящим током можно создавать активные элементы для преобразования и усиления электрических сигналов. Приборы созданные на этом эффекте смогут работать при температурах от 0°К. до 620°К. и на частотах свыше 100ГГц. Таким образом, на рис.12 вы видите характеристики первого сверхпроводящего активного прибора для преобразования и усиления электрических сигналов.
А сейчас об исследовании поглощения и излучения СВЧ электромагнитных волн. Образец подключался к характериографу, как к источнику напряжения. Начальный участок джозефсоновского перехода вывидите на рис.13.
Рис13.Начальный участок ВАХ.
Рис.14.ВАХ. при воздействии СВЧ электромагнитных волн.
Рис.15. Структура основного слоя.
В начале участка наблюдается гестирезис, ширина которого зависит от магнитного поля. При наложении магнитного поля ширина гестирезиса увеличивается. Этот переход подвергался воздействию СВЧ. излучения, и результаты представлены на рис. 14. Как вы видите, в результате поглощения электромагнитных волн образовалась горизонтальная ступенька. Величина этой ступеньки в вольтах связана с частотой облучения, зарядом электрона и постоянной Планка. Предварительные измерения и расчёты постоянной Планка показывают, что её значение совпадает с табличным значением с точностью 0.02 процента. Для повышения точности нужны калиброванные измерительные приборы. А теперь об излучении электромагнитных волн. Если увеличивать ток, протекающий через образец, то над поверхностью образуются плазменные шарики красно-фиолетового цвета, что соответствует плазме воздуха. Это происходит, когда напряжённость излучаемых СВЧ. электромагнитных волн достигает значений достаточных для ионизации молекул воздуха. В результате образования плазменных шариков на поверхности образца образуется след, который слегка раскрывает структуруматериала основного слоя сандвича. Это вы видите на рис.15. Фотография сделана при очень большом увеличении, поэтому чёткость не очень хорошая.
А теперь обсудим полученные результаты. Мне приходилось встречаться с учёными и специалистами. Некоторые из них пытаются объяснить полученные результаты контактными явлениями, правда, не говорят какими. Поэтому поводу хочу сказать, похоже, они плохо представляют характеристики контактных явлений и тем более туннельных явлений в структурах S - I -S . Другие согласны, что все приведённые характеристики соответствуют структурам S - I -S , но для подтверждения сверхпроводимости необходимо измерить диамагнитную восприимчивость образцов, поскольку при переходе в сверхпроводящее состояние все материалы становятся сильными диамагнетиками. С этим я согласен. Но давайте подойдём к этому вопросу с другой стороны. Допустим, мы занимаемся исследованиями диамагнитных свойств материалов, не знаем тех результатов, которые приведены в этой работе и к нам попадают эти структуры. Мы обнаруживаем на них при комнатной температуре сильный диамагнетизм, как у сверхпроводников. Можем мы утверждать, что это сверхпроводимость? Конечно, нет, так как основное свойство сверхпроводимости, когда сопротивление проводника становится равным нулю. Если вы посмотрите на рис. 10, то там при нулевом напряжении на образце протекает ток. А это как раз и подтверждает, что сопротивление образца равно нулю. Кроме того, все джозефсоновские эффекты связаны только с туннелированием куперовских пар, а в исследуемых образцах мы наблюдаем практически все эффекты Джозефсона. Значит можно утверждать, что в исследуемых образцах существуют куперовские пары, а существование куперовских пар это основное условие возникновения сверхпроводимости, согласно теории БКШ. В процессе исследований обнаружены критическая температура и ток, а образцы в магнитном поле ведут себя так же, как и структуры сверхпроводник-изолитор-сверхпроводник. Потому, нет никаких сомнений, что металлические шарики, окружённые тонким слоем диэлектрика, находятся в состоянии сверхпроводимости при комнатной температуре и выше. А диамагнитные исследования образцов проведем, как только появится возможность. Но нет никакого сомнения, что диамагнитные свойства образцов будут такие же, как у обычных сверхпроводников, поскольку в природе не существует двух разных явлений, проявляющих одинаковые свойства. Спасибо за внимание. Буду, благодарен всем, кто сможет оказать поддержку и помощь в этой работе.
Литература:
1.Гинзбург В.Л., Киржниц Д.А. Проблема высокотемпературной сверхпроводимости- М.: Наука, 1977. – 400 с.
2.Буккель В. Сверхпроводимость. – М.: Мир, 1975.-364 с.
3.Солимар Л. Туннельный эффект в сверхпроводниках. – М.: Мир, 1974.- 428 с.
4.Дерунов В. Сайт
взято здеся - http://zoom.cnews.ru/rnd/news/top/sverhprovodimost_pri_komnatnoj_temperature
Сверхпроводимость при комнатной температуреФизики смогли впервые создать сверхпроводимость при комнатной температуре и объяснить суть этого явления. Сверхпроводимость продержалась в керамическом проводнике меньше секунды, но это достижение - огромный в развитии науки и техники. Физика Естественные науки
04.12.2014, ЧТ, 20:51, Мск
Международная команда физиков во главе с учеными из Института Макса Планка в Гамбурге смогли с помощью лазерных импульсов заставить отдельные атомы в кристаллической решетке на короткое время смещаться и тем самым поддерживать сверхпроводимость. Короткие инфракрасные лазерные импульсы впервые позволили "запустить" сверхпроводимость в керамическом проводнике при комнатной температуре.
Явление в эксперименте длится всего несколько миллионных долей микросекунды, но понимание принципа сверхпроводимости при комнатной температуре может помочь в создании новых типов сверхпроводников, которые совершат переворот в современной технике.Такие сверхпроводники решат множество современных проблем: позволят создать сверхмощные аккумуляторы для питания энергоемкой техники вроде лазеров или силовых приводов, электродвигатели и генераторы с КПД близким к 100%, новые медицинские приборы, крохотные, но мощные микроволновые излучатели и т.д.
Сверхпроводимость уже используется, например, в ЯМР-сканерах, ускорителях частиц, мощных реле на электростанциях. Однако современные сверхпроводники требуют криогенного охлаждения: металлические до температуры -273 градуса Цельсия, а более современные керамические -200 градусов Цельсия. Понятно, что это сильно ограничивает широкое использование сверхпроводимости, особенно в быту.
К сожалению, создать сверхпроводимость при комнатной температуре долгие годы не удавалось из-за специфических условий, при которых она возникает. Так, один из самых перспективных керамических сверхпроводников YBCO (оксид иттрия-бария-меди)имеет особую структуру: тонкие двойные слои оксида меди чередуются с более толстыми промежуточными слоями, которые содержат барий, медь и кислород. Сверхпроводимость в YBCO возникает при -180 градусов Цельсия в двойных слоях оксида меди, где электроны могут соединиться и формировать так называемые куперовские пары. Эти пары способны создавать "туннель" между разными слоями, то есть проходить через слои, как призраки сквозь стены. Этот квантовый эффект наблюдается только ниже определенной температуры.
В 2013 г. международная команда, работающая в Институте Макса Планка, обнаружила, что кратковременные импульсы ИК-лазера способны на очень короткое время провоцировать сверхпроводимость в YBCO при комнатной температуре. Природу этого явления понять не удавалось, помог лишь самый мощный в мире рентгеновский лазер LCLS (США),который позволяет "видеть" атомную структуру материала и сверхкороткие процессы. С его помощью ученые провели ряд сложных экспериментов и опубликовали результат своего открытия в издании Nature.
Как оказалось, инфракрасный лазерный импульс не только заставляет атомы колебаться, но и меняет их позицию в кристалле. В результате двойные слои диоксида меди становятся немного толще - на 2 пикометра или 0,01 диаметра атома. Это в свою очередь увеличивает квантовую связь между двойными слоями до такой степени, что кристалл становится сверхпроводящим при комнатной температуре в течение нескольких пикосекунд.
Сверхпроводимость при комнатной температуре: резонансное возбуждение атомов кислорода вызывает колебания (размытые контуры) между двойными слоями оксида меди (слой - голубой цвет, медь желтая, кислород красный). Лазерный импульс на короткое время выводит атомы из равновесия,расстояние между слоями уменьшается и возникает сверхпроводимость
Таким образом,ученые обнаружили потенциальный путь для создания сверхпроводников, работающих при комнатной температуре. Если теорию удастся превратить в коммерческую технологию (а в случае с нынешними низкотемпературными сверхпроводниками для этого понадобилось около 20 лет), то прогресс совершит огромный скачок. Бензиновые автомобильные моторы станут анахронизмом, время непрерывной работы смартфона будет исчисляться не часами, а месяцами, наступит расцвет электрических летательных аппаратов, левитирующих на магнитной подушке поездов и автобусов.
ПС. Ежели этоправда и реализуемо подобно керамическим линзам вставляемым прям везде теперь, то.. есть шанс.. ах, если это правда..
Сверхпроводимость — это одно из самых загадочных, замечательных и перспективных явлений. Сверхпроводящие материалы, не имеющие электрического сопротивления, могут проводить ток практически без потерь, и это явление уже используется в практических целях в некоторых областях, к примеру, в магнитах установок ядерной томографии или ускорителей частиц. Однако, существующие сверхпроводящие материалы для того, чтобы обрести свои свойства, должны быть охлаждены до крайне низких температур. Но эксперименты, проведенные учеными в течение этого и прошлого года, привели к получению некоторых неожиданных результатов, которые могут изменить положение, в котором находятся сейчас технологии использования сверхпроводников.
Международная группа ученых, возглавляемая учеными из института Структуры и динамики материи Макса Планка (Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter), работая с одним из самых перспективных материалов — высокотемпературным сверхпроводником окисью меди-бария-иттрия (YBa2Cu3O6+x, YBCO), обнаружила, что воздействие на этот керамический материал импульсов света инфракрасного лазера заставляет некоторые атомы этого материала кратковременно изменить свое положение в кристаллической решетке, увеличивая проявление эффекта сверхпроводимости.
Кристаллы соединения YBCO имеют весьма необычную структуру. Снаружи этих кристаллов присутствует слой окиси меди, покрывающий собой промежуточные слои, в которых содержатся барий, иттрий и кислород. Эффект сверхпроводимости при облучении светом лазера возникает именно в верхних слоях окиси меди, в которых происходит интенсивное формирование пар электронов, так называемых пар Купера. Эти пары могут перемещаться между слоями кристалла за счет эффекта туннелирования, и это указывает на квантовую природу наблюдаемых эффектов. И в обычных условиях кристаллы YBCO становятся сверхпроводниками только при температуре, ниже критической точки этого материала.
В экспериментах, проведенных в 2013 году, ученые обнаружили, что освещение кристалла YBCO импульсами мощного инфракрасного лазера заставляет материал кратковременно становиться сверхпроводником и при комнатной температуре. Очевидно, что лазерный свет оказывает влияние на сцепление между слоями материала, хотя механизм этого влияния остается пока еще не до конца ясным. И для выяснения всех подробностей происходящего ученые обратились к возможностям лазера LCLS, самого мощного на сегодняшний день рентгеновского лазера.
«Мы начали «бить» по материалу импульсами инфракрасного света, который возбудил некоторые из атомов, заставив их колебаться с достаточно сильной амплитудой»
— рассказывает Роман Манковский (Roman Mankowsky), ученый-физик из института Макса Планка, — «Затем мы использовали импульс рентгеновского лазера, следующий сразу за импульсом инфракрасного лазера, для измерения точного значения смещений, произошедших в кристаллической решетке».
Полученные результаты показали, что импульс инфракрасного света не только возбудил и заставил колебаться атомы, его воздействие привело к смещению из положения в кристаллической решетке. Это сделало на очень кроткое время меньшим расстояние между слоями оксида меди и другими слоями кристалла, что в свою очередь привело к увеличению проявления эффекта квантового сцепления между ними. В результате этого кристалл становится сверхпроводником при комнатной температуре, правда это его состояние способно держаться всего несколько пикосекунд времени.
«Полученные нами результаты позволят нам внести некоторые изменения и усовершенствовать существующую теорию высокотемпературных сверхпроводников. Кроме этого, наши данные окажут неоценимую помощь ученым-материаловедам, разрабатывающим новые высокотемпературные сверхпроводящие материалы, имеющие высокое значение критической температуры» — рассказывает Роман Манковский, — «И, в конечном счете, все это, я надеюсь, приведет к осуществлению мечты о сверхпроводящем материале, работающем при комнатной температуре, который совершенно не нуждается в охлаждении. А появление такого материала, в свою очередь, сможет обеспечить массу прорывов в великом множестве других областей, использующих в своих интересах явление сверхпроводимости».
Американские физики разобрались с поведением электронов в так называемой псевдощелевой фазе вещества, предшествующей состоянию сверхпроводимости.
Сверхпроводимостью называют полное исчезновение электрического сопротивления вещества постоянному электрическому току при температуре ниже критической. Огромная практическая ценность сверхпроводников заключается в отсутствии в них потерь электрической энергии при протекании тока. Но на пути их широкого использования стоит очень низкая величина критической температуры. Для большинства веществ она близка к абсолютному нулю. До 1986 года наивысшей температурой обладал сплав Nb 3 Ge, для которого сверхпроводимость наступала при температуре ниже 23 К (-250° ). Поэтому возникла важная научная задача: найти вещества, переходящие в сверхпроводящее состояние при более высокой температуре, желательно близкой к комнатной, что получило название высокотемпературной сверхпроводимости.
В 1986 году были открыты высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) на базе оксидов меди (купратов), и в течение нескольких лет критическая температура поднялась до примерно 120 К. Однако эти вещества обладают очень сложной электронной структурой, что чрезвычайно затрудняет понимание того, как в них происходит переход к сверхпроводящему состоянию, без чего невозможно разработка сверхпроводников, работающих при более высоких температурах. С тех пор уже почти 30 лет ведутся сложные эксперименты по изучению этого вопроса.
В частности, было обнаружено, что состоянию сверхпроводимости у ВТСП предшествует состояние, названное «псевдощелевой фазой». Этот термин связан с особенностью энергетического спектра электронов в веществе (так называется дискретный набор разрешенных уровней энергии электронов в атоме). Электроны с низкими значениями энергии расположены в валентной зоне, электроны с большей энергией, способные перемещаться по веществу, — в зоне проводимости. В полупроводниках и диэлектриках валентную зону и зону проводимости разделяет интервал запрещенных значений энергии, называемый «щель». Чтобы участвовать в создании тока, электрон должен получить энергию, чтобы перескочить через щель из валентной зоны в зону проводимости. Поэтому, чем больше ширина щели, тем сильнее изолирующие свойства материала.
Щель образуется и у сверхпроводников, но у нее другая природа. При возникновении сверхпроводимости электроны, близкие к уровню Ферми, образуют так называемые куперовские пары и оседают на уровне Ферми, и этот 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 обычном проводнике. Это явление получило название «псевдощель». Это состояние непонятной природы вызвало много вопросов у физиков. Поскольку состояние псевдощели предшествует и частично существует совместно со сверхпроводимостью (конкурирует с ней), ученые полагают, что исследование этого состояния поможет раскрыть тайны ВТСП. В последние годы этому вопросу посвящено много работ, одна из которых опубликована на днях в журнале «Science» .
Физики из Брукхейвенской национальной лаборатории и Корнельского университета, используя разработанный ими уникальный высокоточный сканирующий туннельный микроскоп, сумели проследить детали превращения купрата из диэлектрика в сверхпроводник, через стадию псевдощели. Их экспериментальная установка позволяла определять пространственное расположение и направление движения электронов в материале, благодаря чему удалось обнаружить два новых явления.
В исходном состоянии исследуемый купрат Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8+ δ представляет собой изолятор. Чтобы превратить его в ВТСП, к нему в качестве источника носителей заряда (дырок) химически добавляли атомы кислорода. Такой процесс называется допирование, дополнительные атомы обозначены в формуле как «+δ». Физики систематически в течение длительного времени сканировали материал при различных уровнях допирования, чтобы проследить, как изменяется поведение и расположение электронов при эволюции материала в сверхпроводящее состояние.
При повышении количества носителей заряда (уровня допирования) материал переходил из состояния диэлектрика в псевдощелевую фазу. При низкой плотности носителей заряда наблюдалась достаточно статичная картина. Возникало экзотическое периодическое статическое расположение некоторых электронов, получившее название «волны плотности» или «полосы». Эти волны похожи на полоски «замороженных» электронов. Волны плотности, как и движение электронов, ограничены определенными направлениями. При дальнейшем увеличении числа зарядов ученые обнаружили, что волны плотности исчезают, а электроны в материале обретают способность свободно двигаться в любом направлении. Причем это происходит при том же уровне допирования, что и возникновение чистой сверхпроводимости.
«Впервые эксперимент напрямую связал исчезновение волн плотности и связанных с ними наноразмерных дефектов кристаллической решетки с появлением электронов, текущих свободно во всех направлениях, необходимых для неограниченной сверхпроводимости, - сказал ведущий автор Симус Дэвис (Séamus Davis). - Эти новые измерения, наконец, показали нам, почему в таинственном псевдощелевом состоянии этого материала электроны перемещаются менее свободно».
Дэвис сравнивает наблюдения с полетом над замерзшей рекой, где можно увидеть статические фрагменты, образованные льдом, и в то же время обнаружить течение жидкой воды. Эти полеты совершаются снова и снова в течение весны, когда замороженный водный путь постепенно тает. В купрате вместо повышения температуры ученые повышали уровень допирования, чтобы «топить» волны плотности в определенной критической точке.
Это открытие подтверждает давнюю идею, что именно волны плотности ограничивают поток электронов и ухудшают максимальную сверхпроводимость в псевдощелевой фазе. «Статическое расположение электронов и связанные наноразмерные флуктуации нарушают свободный поток электронов - как лед на реке ухудшает поток жидкой воды», - говорит Дэвис.
Разумеется, получить ВТСП не так просто, как растопить лед, но это открытие дает подсказки. Если предотвратить образование статических полос, когда они возникают, в конечном итоге можно получить материалы, которые будут выступать в качестве сверхпроводника при более низкой плотности допирования и значительно более высокой температуре, считает Дэвис.
МОСКВА, 13 сен - РИА Новости. Отдельные зерна графита могут проявлять сверхпроводящие свойства при комнатной температуре после обработки водой и выпекания в печи, что говорит о возможности достижения сверхпроводимости в нормальных условиях на практике, заявляют немецкие физики в статье, опубликованной в журнале Advanced Materials .
"В целом, данные нашего эксперимента указывают на то, что сверхпроводимость при комнатной температуре осуществима, и что использованные нами методы могут проложить дорогу к новому поколению сверхпроводников, чье появление принесет пока сложно оценимую пользу для человечества," - заявил руководитель группы физиков Пабло Эскуинаци (Pablo Esquinazi) из Лейпцигского университета (Германия).
Эскуинаци и его коллеги исследовали физические свойства графита и других форм углерода. В ходе одного из экспериментов ученые засыпали графитовый порошок в пробирку с водой, размешали его и оставили в покое на 24 часа. После этого физики отфильтровали графит и высушили его в печи при температуре 100 градусов.
В результате этого ученые получили набор из гранул графита, обладающих крайне интересными физическими свойствами. Так, поверхность этих зерен обладает сверхпроводящими свойствами, которые сохраняются даже при температуре 300 градусов Кельвина, или 26 градусов Цельсия.
Это проявлялось в том, что внутри зерен появлялись характерные резкие фазовые переходы магнитного момента, существующие в классических высокотемпературных сверхпроводниках. Физикам так и не удалось проверить, обладает ли графит двумя другими основными признаками таких материалов: отсутствием сопротивления и так называемым эффектом Мейснера - полным вытеснением магнитного поля из тела проводника.
Тем не менее, открытие даже одного из эффектов позволяет предположить, что высокотемпературные сверхпроводники могут функционировать и при комнатной температуре.
К сожалению, зерна графита, полученные Эскуинаци и его коллегами, нельзя использовать в качестве "строительного материала" для сверхпроводников. Во-первых, сверхпроводящими свойствами обладает лишь 0,0001% от массы графита из-за того, что этот эффект наблюдается только на поверхности зерен. Во-вторых, эта форма графита чрезвычайно хрупкая, и физические свойства зерен теряются безвозвратно даже при малейших деформациях.
В своих последующих работах физики планируют изучить поверхность зерен и роль атомов водорода, которые остаются на их поверхности после "водной бани" и последующего просушивания. Кроме того, Эскуинаци и его коллеги проверят, обладают ли такие зерна нулевым сопротивлением, и возникает ли в них эффект Мейснера.
