Вирішений два таємниці високотемпературної надпровідності в стакантах

Американські фізики з’ясували поведінку електронів у так званій фазі псевдосвіту перед державою надпровідності.

Надпровідність - це повна зникнення електростійкості речовини до постійного електричного струму при температурі нижче критичного. Велике практичне значення надпровідників полягає у відсутності втрат електричної енергії в потоці струму. Але на шляху їх широкого використання є дуже низьким значенням критичної температури. Для більшості речовин її близько до аб.




Всього нуль. До 1986 року найвища температура була Nb3Ge, для якої надпровідність відбувалася при температурі нижче 23 K (-250 °). Тому важливим науковим завданням виник: знайти речовини, які вводять надпровідний стан при більш високій температурі, бажано близько до кімнатної температури, яка була викликана підвищеною температурою надпровідності.



У 1986 році виявлено високотемпературні надпровідники на основі оксидів мідь (купівля) і протягом декількох років виявлено критичну температуру близько 120 км. Тим не менш, ці речовини мають дуже складну електронну структуру, що робить його надзвичайно важко зрозуміти, як вони переходять в надпровідний стан, без якого неможливо розвивати надпровідники, що працюють при більш високих температурах. З тих пір було проведено комплексні експерименти для вивчення цього питання майже 30 років.

Зокрема, було встановлено, що держава надпровідності в HTSP передує державі, що називається «фазою псевдо-світу». Цей термін пов'язаний з особливостями енергетичного спектру електронів в матерії (так званий дискретний набір дозволених рівнів енергії електронів в атомі). Електрони з низькими значеннями енергії розташовані в зоні вальценції, електрони з вищою енергією, здатні пересуватися по матерії, в зоні проведення. У напівпровідниках і діелектриках зона валентності і зоні проведення відокремлюється інтервалом заборонених значень енергії, що називається «гап». Для участі у створенні струму електрона повинна отримувати енергію, щоб стрибати через щілину з зони вальвації в зону проведення. Тому більша ширина зазору, сильніше ізоляційних властивостей матеріалу.

Сліт утворюється в надпровідниках, але має різну природу. Коли надпровідність виникає, електрони близькі до рівня Фермі утворюють так звані пари коопера і осідають на рівні Фермі, і цей рівень починає відокремити від рівнях одноелектронів. Рівень Фермі визначається критичною температурою.

Виявилося, що при температурі вище критичних, є держава з меншою кількістю дозволених рівнів біля рівня Фермі, ніж у звичайному провіднику. Це явище називається «псевдоскалі». Цей стан неперевершеної природи викликало багато питань для фізиків. Оскільки псевдо-літній стан передує і частково існує разом з надпровідністю (у зв’язку з ним), вчені вважають, що дослідження цієї держави допоможе розблокувати секрети ГТС. В останні роки багато робіт були присвячені цьому випуску, одна з яких була опублікована нещодавно в журналі Science. Фізиканти з Національного лабораторію Brookhaven і Cornell University, використовуючи унікальний високоточний скануючий тунельний мікроскоп, розроблений ними, змогли простежити деталі трансформації кубика з діелектрика в надпровідник, через стадію псевдосвітлі. Їх експериментальне налаштування дозволило визначити просторове розташування та напрямок руху електронів у матеріалі, завдяки яким було виявлено два нові явища.

У початковому стані досліджено кубифікацію Bi2Sr2CaCu2O8+δ – ізолятор. Щоб перетворити його в VTSP, кисневі атоми були хімічно додані до неї як джерело зарядних носіїв ( свердловин). Цей процес називається допінг, додаткові атоми позначені в формулі як + δ. Фізіологи систематично сканують матеріал протягом тривалого часу при різних рівнях допінгу, щоб відслідковувати, як поведінка і розташування змін електронів, оскільки матеріал перетворюється в надпровідний стан.





При збільшенні кількості зарядних носіїв (рівень дозування), матеріал, що надходить від діелектричної держави до фази псевдосвіту. З низькою щільністю зарядних носіїв спостерігається досить статична картина. З’явилася екзотична періодична статична композиція деяких електронів, що називається «податкові хвилі» або «смужки». Ці хвилі люблять смуги електронів «фроцен». Хвилі щільності, як рух електронів, обмежені в певних напрямках. З подальшим збільшенням кількості зарядів вчені виявили, що хвилі густини зникають, а електрони в матеріалі отримують можливість вільно переміщатися в будь-якому напрямку. І це відбувається на одному рівні допінгу як поява чистої надпровідності.

«За перший раз, експеримент безпосередньо пов'язаний з зникненням хвиль густини і пов'язаних нанорозмірних дефектів кристала до появи електронів, що вільно пливуть в усіх напрямках, необхідних для необмеженої надпровідності», - сказав автор Seamus Davis. Ці нові вимірювання, нарешті, показали нам, чому електрони рухаються менш вільно в таємничому псевдо-слітному стані цього матеріалу.

Девіс любить спостереження, щоб літати над замороженою річкою, де можна побачити статичні фрагменти, що утворюються льодом, і одночасно виявити потік рідкої води. Ці рейси робляться знову і знову під час весни, коли заморожені водні дороги поступово розтоплюють. У склянці, замість підвищення температури, вчені збільшили рівень допінгу до хвилі густини «мийки» на певній критичній точці.

Це відкриття підтверджує довгострокову ідею, що хвилі густини обмежують потік електронів і деградують максимальну надпровідність в фазі псевдосвітліту. «Статичний розташування електронів і пов’язаних нанорозмірних флуктуацій порушують вільний потік електронів – як лід на річці деградує потік рідини», – розповідає Девіс.

Звичайно, отримання HTS не так легко, як плавлення льоду, але це відкриття забезпечує відключення. Якщо ви не перешкоджаєте утворенню статичних смуг, коли вони відбуваються, ви зможете отримати матеріали, які будуть діяти як суперпровідник при меншій щільності допінгу і значно вище температури, говорить Девіс.

Джерело: Наука, Національна лабораторія Brookhaven

Рис. 1. Спрощена схема смуги для провідників, напівпровідників і діелектриків (en.wikipedia.org).

Рис. 2. Фасадна схема стану ГТС, в залежності від його температури і рівня допінгу (щільність свердловини). Пункт - температура, при якій з'являється псевдо-гап - площа нижче лінії. Доброподібна область є регіоном надпровідності, її межею є безперервна лінія – критична температура. Область 1 відповідає перекриттям псевдоліту і надпровідних станів. На фото вище показано статичні смуги, які зникають в область 2, де відбувається чистий надпровідність. Біла зона є нормальним металевим станом.





Джерело: nkj.ru