Azərbaycanca
Беларускі
Dansk
Deutsch
Española
Français
Indonesia
Italiana
日本語
Қазақ
Lietuvos
Nederlands
Português
Русский
සිංහල
แบบไทย
Türkçe
Українська
中國人
United State
Afrikaans
Високотемпературні надпровідники (англ. High-temperature superconductivity, HTS) — це матеріали, які поводяться як надпровідники на незвично високих температурах. На початок 2020-х років це температура кипіння рідкого азоту. Температуру, за якої матеріал втрачає надпровідні властивості, називають критичною.
Історія
Перші надпровідники мали критичну температуру до 20 K. Тривалий час це вважалося температурною межею надпровідності. Проте в 1986 р. співробітники швейцарської лабораторії комп'ютерної фірми IBM Георг Беднорц та Александр Мюллер відкрили сплав, надпровідні властивості якого зберігаються і при 30 K. Трохи згодом були одержані матеріали, що мають температури надпровідності до 133 К за атмосферного тиску та 160 K під високим тиском. У 2015 році було встановлено новий рекорд надпровідності, 203 К, у рідкому сірководні під високим тиском. При цьому загальноприйнятої теорії, яка пояснювала б цей клас високотемпературної надпровідності, ще не створено.
Теоретичні пояснення
Для того, щоб електричний струм міг протікати речовиною без електричного опору, електрони провідності мають накопичитися у величезній кількості в одному й тому самому квантовому стані. Цьому запобігає принцип Паулі, оскільки електрон, маючи напівцілий спін, належить до ферміонів. Але якщо об'єднати електрони в пари, спін електронної пари буде цілим, тобто пара буде бозоном і принцип Паулі її вже не стосуватиметься. Різні теорії надпровідності розглядають різні способи формування таких електронних пар.
Застосування фононної теорії
Розглянутий у рамках теорії БКШ механізм переходу в надпровідний стан ґрунтується на міжелектронній взаємодії через теплові коливання кристалічної ґратки. Як показують теоретичні оцінки, для такого механізму надпровідності, називаного фононним, максимальна величина критичної температури не може перевищувати 40 К за атмосферного тиску, хоча теорія БКШ здатна пояснити високотемпературну надпровідність у водневмісних сполуках під високим тиском.
Застосування екситонної теорії
В основі теоретичної моделі високотемпературної надпровідності, розробленої академіком В. Л. Гінзбургом, лежить так званий екситонний механізм взаємодії електронів. В електронній системі існують особливі хвилі еелктронних збуджень — екситони. Подібно фононам, що описують теплові коливання ґратки, екситони є квазічастинками, не пов'язаними з перенесенням електричного заряду і маси; в фізиці атома екситону відповідає електронне збудження. Модельний зразок такого надпровідника являє собою металеву плівку в шарах діелектрика або напівпровідника. Електрони провідності, що рухаються в металі, відштовхують електрони діелектрика, тобто оточують себе хмарою надлишкового позитивного заряду, який і призводить до утворення електронної пари. Такий механізм кореляції електронів пророкує вельми високі значення критичної температури.
Основними досягненнями першого етапу можна вважати наступні результати:
- чітке і ясне усвідомлення того, що крім добре відомого електрон-фононного механізму надпровідності, обумовленого міжелектронним тяжінням за рахунок обміну фононами, можуть існувати й інші механізми, пов'язані з міжелектронною кулонівською взаємодією;
- доказ відсутності яких-небудь строгих, на рівні закону природи, обмежень на можливе значення критичної температури надпровідного переходу. Протилежне твердження було висунуто дуже авторитетними фахівцями в теорії надпровідності Андерсоном і Коеном і, безумовно, зробило негативний вплив на розвиток досліджень з проблеми ВТНП;
- докази того, що високі значення можуть бути отримані тільки в системах з сильними ефектами локального поля, тобто в системах з сильною взаємодією;
- виконаний детальний аналіз різних факторів, що є визначальними для фононного механізму надпровідності.
Подальший розвиток теорії
Інший можливий підхід описаний американським фізиком Літтлом. Він припустив, що в органічних речовинах особливої будови можлива надпровідність при кімнатних температурах. Основна ідея полягала в тому, щоб отримати своєрідну полімерну нитку з регулярно розташованими електронними фрагментами. Кореляція електронів, що рухаються уздовж ланцюжка, здійснюється за рахунок поляризації цих фрагментів, а не кристалічної ґратки. Оскільки маса електрона на декілька порядків менше маси будь-якого іона, поляризація електронних фрагментів може бути сильнішою, а критична температура — вищою, ніж при фононному механізмі.
Сама ідея високотемпературної надпровідності (ВТНП) в органічних сполуках була висунута ще в 1950 р. Лондоном і лише через 14 років Літтл і Гінзбург, незалежно один від одного, теоретично довели можливість ВТНП в неметалевих системах. Роботою Беднорца й Мюллера розпочався наступний етап розвитку ВТНП. Число наукових публікацій з проблеми ВТНП, що з'явилися після 1986 р., істотно перевищує повне число всіх попередніх публікацій з надпровідності, починаючи з 1911 р. Більше того, після відкриття надпровідності в купратних сполуках з ітрієм (YBCO) з ~ 90 К і ртуттю з ~ 135–160 К проблема ВТНП з суто наукової перетворилася на практично значущу, завдяки можливості вкрай важливих технічних застосувань. Ця обставина і стала, в основному, причиною потужного потоку фінансів і нових дослідників у цю область.
Новий етап розвитку проблеми ВТНП, крім самого факту експериментального виявлення відповідних систем і вже згадуваної масштабності досліджень, мав ряд інших відмінностей, у тому числі і в теоретичних підходах. Як вже зазначалося, досить давно стало ясно, що високі значення можуть мати тільки системи з сильною міжелектронною взаємодією. На першому етапі достатньої уваги вивченню таких ВТНП-систем не приділялося. Основна ж частина досліджень другого етапу пов'язана саме з вивченням ефектів сильної обмінно — кореляційної взаємодії та їх проявів як у звичайному, так і в надпровідному стані.
Велика частина теоретичних робіт спирається на модель Габбарда, в якій основну роль відіграє сильне кулонівське відштовхування електронів на одному центрі. Саме в рамках моделі Габбарда було запропоновано дві найбільш радикальні ідеї про природу ВТНП в купратах, засновані на моделі так званих резонансних валентних зв'язків. Фактично, ці ідеї значною мірою спираються на результати, отримані для одновимірних моделей взаємодіючих електронів. У них низькотемпературна поведінка електронів різко відрізняється від стандартної поведінки в тривимірних системах. Електрон, що має заряд і спін, перестає бути добре визначеним збудженням. Відбувається так званий поділ заряду і спіну. У такій моделі спін переноситься незарядженими збудженнями, а заряд — безспіновими збудженнями. Подібну систему називають [en].
Основна ідея про сутність ВТНП-систем, що розвивається Андерсоном, полягає в тому, що електронна система в таких сполуках являє собою саме латтінжерівську рідину як у нормальному, так і в надпровідному стані.
Відмінність ідеї, запропонованої Лафлін з співавторами, від підходу Андерсона полягає у використанні дробової статистики для опису низькоенергетичних збуджень в ВТНП — системах. Це означає, що відповідні збудження не є ані бозонами (як, наприклад, фонони), ані ферміонами (як самі електрони). У квантовій теорії поля для них використовується термін «аніони» (не плутати з хімічним аніоном!). Істотно при цьому, що аніонна теорія приводить до порушення симетрії щодо обернення часу, оскільки в системі фактично виникають спонтанні магнітні потоки. На жаль, експериментальні дані спростовують таку можливість. Теорія ВТНП-систем Андерсона також не викликає ентузіазму у більшої частини дослідників.
Значна частина теоретичних досліджень ВТНП-сполук на другому етапі, як, втім, і на першому, зводиться до досить стандартної процедури. Розглядається система квазічастинкових електронних збуджень, тільки замість фононів і екситонів, що призводять до міжелектронного тяжіння і спаровування, вводиться щось інше. Це можуть бути спінові флуктуації, виникнення «спінових мішків», специфіка зонної структури кристалу тощо. Відмінність другого етапу — це детальніше дослідження моделей, заснованих на існуванні сильного міжелектронного відштовхування.
Примітки
- Bednorz, J. G.; Müller, K. A. (1 червня 1986). . Zeitschrift für Physik B Condensed Matter (англ.). Т. 64, № 2. с. 189—193. doi:10.1007/BF01303701. ISSN 0722-3277. Архів оригіналу за 11 жовтня 2017. Процитовано 11 жовтня 2017.
- Schilling, A.; Cantoni, M.; Guo, J. D.; Ott, H. R. (6 травня 1993). Superconductivity above 130 K in the Hg–Ba–Ca–Cu–O system. Nature (англ.). Т. 363, № 6424. с. 56—58. doi:10.1038/363056a0. Процитовано 11 жовтня 2017.
- Gao, L.; Xue, Y. Y.; Chen, F.; Xiong, Q.; Meng, R. L.; Ramirez, D.; Chu, C. W.; Eggert, J. H.; Mao, H. K. (1 серпня 1994). Superconductivity up to 164 K in HgBa
2Ca
m-1Cu
mO
2m+2+δ (m=1, 2, and 3) under quasihydrostatic pressures. Physical Review B. Т. 50, № 6. с. 4260—4263. doi:10.1103/PhysRevB.50.4260. Процитовано 11 жовтня 2017. - Drozdov, A. P.; Eremets, M. I.; Troyan, I. A.; Ksenofontov, V.; Shylin, S. I. (3 вересня 2015). Conventional superconductivity at 203 kelvin at high pressures in the sulfur hydride system. Nature (англ.). Т. 525, № 7567. с. 73—76. doi:10.1038/nature14964. ISSN 0028-0836. Процитовано 11 жовтня 2017.
- Pietronero, Luciano; Boeri, Lilia; Cappelluti, Emmanuele; Ortenzi, Luciano (9 вересня 2017). . Quantum Studies: Mathematics and Foundations (англ.). с. 1—17. doi:10.1007/s40509-017-0128-8. ISSN 2196-5609. Архів оригіналу за 11 жовтня 2017. Процитовано 11 жовтня 2017.
Вікіпедія, Українська, Україна, книга, книги, бібліотека, стаття, читати, завантажити, безкоштовно, безкоштовно завантажити, mp3, відео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, малюнок, музика, пісня, фільм, книга, гра, ігри, мобільний, телефон, android, ios, apple, мобільний телефон, samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Інтернет
Visokotemperaturni nadprovidniki angl High temperature superconductivity HTS ce materiali yaki povodyatsya yak nadprovidniki na nezvichno visokih temperaturah Na pochatok 2020 h rokiv ce temperatura kipinnya ridkogo azotu Temperaturu za yakoyi material vtrachaye nadprovidni vlastivosti nazivayut kritichnoyu IstoriyaRechovini ta yihnya kritichna temperatura vidkriti z chasom 1900 2020 roki Visokotemperaturni nadprovidniki pochinayutsya blizko 77 K tretya zgori blakitna strilka sprava Pershi nadprovidniki mali kritichnu temperaturu do 20 K Trivalij chas ce vvazhalosya temperaturnoyu mezheyu nadprovidnosti Prote v 1986 r spivrobitniki shvejcarskoyi laboratoriyi komp yuternoyi firmi IBM Georg Bednorc ta Aleksandr Myuller vidkrili splav nadprovidni vlastivosti yakogo zberigayutsya i pri 30 K Trohi zgodom buli oderzhani materiali sho mayut temperaturi nadprovidnosti do 133 K za atmosfernogo tisku ta 160 K pid visokim tiskom U 2015 roci bulo vstanovleno novij rekord nadprovidnosti 203 K u ridkomu sirkovodni pid visokim tiskom Pri comu zagalnoprijnyatoyi teoriyi yaka poyasnyuvala b cej klas visokotemperaturnoyi nadprovidnosti she ne stvoreno Teoretichni poyasnennyaDokladnishe Nadprovidnist Teoriyi nadprovidnosti Dlya togo shob elektrichnij strum mig protikati rechovinoyu bez elektrichnogo oporu elektroni providnosti mayut nakopichitisya u velicheznij kilkosti v odnomu j tomu samomu kvantovomu stani Comu zapobigaye princip Pauli oskilki elektron mayuchi napivcilij spin nalezhit do fermioniv Ale yaksho ob yednati elektroni v pari spin elektronnoyi pari bude cilim tobto para bude bozonom i princip Pauli yiyi vzhe ne stosuvatimetsya Rizni teoriyi nadprovidnosti rozglyadayut rizni sposobi formuvannya takih elektronnih par Zastosuvannya fononnoyi teoriyi Rozglyanutij u ramkah teoriyi BKSh mehanizm perehodu v nadprovidnij stan gruntuyetsya na mizhelektronnij vzayemodiyi cherez teplovi kolivannya kristalichnoyi gratki Yak pokazuyut teoretichni ocinki dlya takogo mehanizmu nadprovidnosti nazivanogo fononnim maksimalna velichina kritichnoyi temperaturi ne mozhe perevishuvati 40 K za atmosfernogo tisku hocha teoriya BKSh zdatna poyasniti visokotemperaturnu nadprovidnist u vodnevmisnih spolukah pid visokim tiskom Zastosuvannya eksitonnoyi teoriyi V osnovi teoretichnoyi modeli visokotemperaturnoyi nadprovidnosti rozroblenoyi akademikom V L Ginzburgom lezhit tak zvanij eksitonnij mehanizm vzayemodiyi elektroniv V elektronnij sistemi isnuyut osoblivi hvili eelktronnih zbudzhen eksitoni Podibno fononam sho opisuyut teplovi kolivannya gratki eksitoni ye kvazichastinkami ne pov yazanimi z perenesennyam elektrichnogo zaryadu i masi v fizici atoma eksitonu vidpovidaye elektronne zbudzhennya Modelnij zrazok takogo nadprovidnika yavlyaye soboyu metalevu plivku v sharah dielektrika abo napivprovidnika Elektroni providnosti sho ruhayutsya v metali vidshtovhuyut elektroni dielektrika tobto otochuyut sebe hmaroyu nadlishkovogo pozitivnogo zaryadu yakij i prizvodit do utvorennya elektronnoyi pari Takij mehanizm korelyaciyi elektroniv prorokuye velmi visoki znachennya kritichnoyi temperaturi Osnovnimi dosyagnennyami pershogo etapu mozhna vvazhati nastupni rezultati chitke i yasne usvidomlennya togo sho krim dobre vidomogo elektron fononnogo mehanizmu nadprovidnosti obumovlenogo mizhelektronnim tyazhinnyam za rahunok obminu fononami mozhut isnuvati j inshi mehanizmi pov yazani z mizhelektronnoyu kulonivskoyu vzayemodiyeyu dokaz vidsutnosti yakih nebud strogih na rivni zakonu prirodi obmezhen na mozhlive znachennya kritichnoyi temperaturi nadprovidnogo perehodu Protilezhne tverdzhennya bulo visunuto duzhe avtoritetnimi fahivcyami v teoriyi nadprovidnosti Andersonom i Koenom i bezumovno zrobilo negativnij vpliv na rozvitok doslidzhen z problemi VTNP dokazi togo sho visoki znachennya mozhut buti otrimani tilki v sistemah z silnimi efektami lokalnogo polya tobto v sistemah z silnoyu vzayemodiyeyu vikonanij detalnij analiz riznih faktoriv sho ye viznachalnimi dlya fononnogo mehanizmu nadprovidnosti Podalshij rozvitok teoriyi Inshij mozhlivij pidhid opisanij amerikanskim fizikom Littlom Vin pripustiv sho v organichnih rechovinah osoblivoyi budovi mozhliva nadprovidnist pri kimnatnih temperaturah Osnovna ideya polyagala v tomu shob otrimati svoyeridnu polimernu nitku z regulyarno roztashovanimi elektronnimi fragmentami Korelyaciya elektroniv sho ruhayutsya uzdovzh lancyuzhka zdijsnyuyetsya za rahunok polyarizaciyi cih fragmentiv a ne kristalichnoyi gratki Oskilki masa elektrona na dekilka poryadkiv menshe masi bud yakogo iona polyarizaciya elektronnih fragmentiv mozhe buti silnishoyu a kritichna temperatura vishoyu nizh pri fononnomu mehanizmi Magnit yakij levituye nad oholodzhuvanim ridkim azotom visokotemperaturnim nadprovidnikom efekt Mejsnera Sama ideya visokotemperaturnoyi nadprovidnosti VTNP v organichnih spolukah bula visunuta she v 1950 r Londonom i lishe cherez 14 rokiv Littl i Ginzburg nezalezhno odin vid odnogo teoretichno doveli mozhlivist VTNP v nemetalevih sistemah Robotoyu Bednorca j Myullera rozpochavsya nastupnij etap rozvitku VTNP Chislo naukovih publikacij z problemi VTNP sho z yavilisya pislya 1986 r istotno perevishuye povne chislo vsih poperednih publikacij z nadprovidnosti pochinayuchi z 1911 r Bilshe togo pislya vidkrittya nadprovidnosti v kupratnih spolukah z itriyem YBCO z 90 K i rtuttyu z 135 160 K problema VTNP z suto naukovoyi peretvorilasya na praktichno znachushu zavdyaki mozhlivosti vkraj vazhlivih tehnichnih zastosuvan Cya obstavina i stala v osnovnomu prichinoyu potuzhnogo potoku finansiv i novih doslidnikiv u cyu oblast Novij etap rozvitku problemi VTNP krim samogo faktu eksperimentalnogo viyavlennya vidpovidnih sistem i vzhe zgaduvanoyi masshtabnosti doslidzhen mav ryad inshih vidminnostej u tomu chisli i v teoretichnih pidhodah Yak vzhe zaznachalosya dosit davno stalo yasno sho visoki znachennya mozhut mati tilki sistemi z silnoyu mizhelektronnoyu vzayemodiyeyu Na pershomu etapi dostatnoyi uvagi vivchennyu takih VTNP sistem ne pridilyalosya Osnovna zh chastina doslidzhen drugogo etapu pov yazana same z vivchennyam efektiv silnoyi obminno korelyacijnoyi vzayemodiyi ta yih proyaviv yak u zvichajnomu tak i v nadprovidnomu stani Velika chastina teoretichnih robit spirayetsya na model Gabbarda v yakij osnovnu rol vidigraye silne kulonivske vidshtovhuvannya elektroniv na odnomu centri Same v ramkah modeli Gabbarda bulo zaproponovano dvi najbilsh radikalni ideyi pro prirodu VTNP v kupratah zasnovani na modeli tak zvanih rezonansnih valentnih zv yazkiv Faktichno ci ideyi znachnoyu miroyu spirayutsya na rezultati otrimani dlya odnovimirnih modelej vzayemodiyuchih elektroniv U nih nizkotemperaturna povedinka elektroniv rizko vidriznyayetsya vid standartnoyi povedinki v trivimirnih sistemah Elektron sho maye zaryad i spin perestaye buti dobre viznachenim zbudzhennyam Vidbuvayetsya tak zvanij podil zaryadu i spinu U takij modeli spin perenositsya nezaryadzhenimi zbudzhennyami a zaryad bezspinovimi zbudzhennyami Podibnu sistemu nazivayut en Osnovna ideya pro sutnist VTNP sistem sho rozvivayetsya Andersonom polyagaye v tomu sho elektronna sistema v takih spolukah yavlyaye soboyu same lattinzherivsku ridinu yak u normalnomu tak i v nadprovidnomu stani Vidminnist ideyi zaproponovanoyi Laflin z spivavtorami vid pidhodu Andersona polyagaye u vikoristanni drobovoyi statistiki dlya opisu nizkoenergetichnih zbudzhen v VTNP sistemah Ce oznachaye sho vidpovidni zbudzhennya ne ye ani bozonami yak napriklad fononi ani fermionami yak sami elektroni U kvantovij teoriyi polya dlya nih vikoristovuyetsya termin anioni ne plutati z himichnim anionom Istotno pri comu sho anionna teoriya privodit do porushennya simetriyi shodo obernennya chasu oskilki v sistemi faktichno vinikayut spontanni magnitni potoki Na zhal eksperimentalni dani sprostovuyut taku mozhlivist Teoriya VTNP sistem Andersona takozh ne viklikaye entuziazmu u bilshoyi chastini doslidnikiv Znachna chastina teoretichnih doslidzhen VTNP spoluk na drugomu etapi yak vtim i na pershomu zvoditsya do dosit standartnoyi proceduri Rozglyadayetsya sistema kvazichastinkovih elektronnih zbudzhen tilki zamist fononiv i eksitoniv sho prizvodyat do mizhelektronnogo tyazhinnya i sparovuvannya vvoditsya shos inshe Ce mozhut buti spinovi fluktuaciyi viniknennya spinovih mishkiv specifika zonnoyi strukturi kristalu tosho Vidminnist drugogo etapu ce detalnishe doslidzhennya modelej zasnovanih na isnuvanni silnogo mizhelektronnogo vidshtovhuvannya PrimitkiBednorz J G Muller K A 1 chervnya 1986 Zeitschrift fur Physik B Condensed Matter angl T 64 2 s 189 193 doi 10 1007 BF01303701 ISSN 0722 3277 Arhiv originalu za 11 zhovtnya 2017 Procitovano 11 zhovtnya 2017 Schilling A Cantoni M Guo J D Ott H R 6 travnya 1993 Superconductivity above 130 K in the Hg Ba Ca Cu O system Nature angl T 363 6424 s 56 58 doi 10 1038 363056a0 Procitovano 11 zhovtnya 2017 Gao L Xue Y Y Chen F Xiong Q Meng R L Ramirez D Chu C W Eggert J H Mao H K 1 serpnya 1994 Superconductivity up to 164 K in HgBa2 Cam 1 Cum O2m 2 d m 1 2 and 3 under quasihydrostatic pressures Physical Review B T 50 6 s 4260 4263 doi 10 1103 PhysRevB 50 4260 Procitovano 11 zhovtnya 2017 Drozdov A P Eremets M I Troyan I A Ksenofontov V Shylin S I 3 veresnya 2015 Conventional superconductivity at 203 kelvin at high pressures in the sulfur hydride system Nature angl T 525 7567 s 73 76 doi 10 1038 nature14964 ISSN 0028 0836 Procitovano 11 zhovtnya 2017 Pietronero Luciano Boeri Lilia Cappelluti Emmanuele Ortenzi Luciano 9 veresnya 2017 Quantum Studies Mathematics and Foundations angl s 1 17 doi 10 1007 s40509 017 0128 8 ISSN 2196 5609 Arhiv originalu za 11 zhovtnya 2017 Procitovano 11 zhovtnya 2017