Experimentarea confirmării superconductivității unui sesquito este amânată • Yuri Yerin • Știință științifică despre "Elemente" • Fizică

Experimentarea confirmării superconductivității unui sesquito este amânată

Fig. 1. Diagrama de fază a stării supraconductoarelor de tip 1, 2 și 1, arătând cum starea superconductorului se schimbă odată cu schimbarea temperaturii și cu inducerea unui câmp magnetic extern. Starea Meissner corespunde fazei supraconductoare, când liniile câmpului magnetic nu pot pătrunde în substanță. Starea amestecată sau a vârtejului înseamnă coexistența superconductivității și a filamentelor subțiri microscopice normale, care nu sunt superconductoare, întinse de-a lungul liniilor de câmp magnetic. Astfel de fire sunt numite vortexuri abrikosov, sau vortexuri cuantice. Starea intermediară este inerentă numai în supraconductorii de tipul 1.5. De fapt, este similar cu starea mixtă de superconductori de tipul II, dar diferă de ea în aranjarea vîrtejurilor din substanță. (a se vedea detaliile din text). Figura Yuri Erin

Se știe că câmpul magnetic distruge superconductivitatea. În funcție de modul în care se desfășoară acest proces, toate substanțele superconductoare sunt în mod obișnuit împărțite în superconductori de tipul 1 și 2. În 2005, a fost prezisă existența unui tip 1.5 de superconductivitate și sa sugerat că cel mai probabil candidat pentru titlul unui tip 1.5 de supraconductor este diborura de magneziu (MgB2).După 4 ani, un grup de oameni de știință condus de Viktor Moschalkov a publicat o lucrare experimentală care a raportat observarea unei supraconductibilități de unu și jumătate în diboridul de magneziu. La Conferința Internațională ICSM-2010 privind Supraconductivitatea și Magnetismul, care a avut loc recent în Antalya, Moschalkov a povestit despre descoperirea de către grupul său de superconductivitate de tip 1.5. După raport, oamenii de știință prezenți au susținut argumentele care au sugerat că rezultatele experimentelor sale nu pot fi considerate ca o dovadă a prezenței MgB2 superconductivitatea de tipul 1.5.

Acum un an, "Elements" au confirmat confirmarea experimentală în cristalele singulare MgB.2 o superconductivitate de o jumătate și jumătate, a cărei existență a fost prezisă de teoreticieni acum câțiva ani. Descoperirea a fost realizată de o echipă internațională de oameni de știință condusă de Viktor Moshchalkov de la Universitatea din Leuven din Belgia. Rezultatele cercetării au apărut pentru prima dată în Arhiva pretipărilor electronice și apoi în jurnal Reviste de examinare fizică. Deși articolul a fost publicat ca Sugestiile editorilor, adică de interes științific considerabil în opinia editorilor revistei,Reacția față de aceasta din partea specialiștilor din domeniul fizicii materiei condensate și, în special, a supraconductivității, a fost urmată de una foarte sceptică.

A avut loc la 25 și 30 aprilie, în Antalya, Conferința Internațională de Supraconductibilitate și magnetism ICSM-2010 (la site-ul conferinței, de asemenea, rezumate căptușite), cu o prezentare în plen pe trei sferturi supraconductibilitate a jucat unul dintre descoperitorii sale, Victor Moshchalkov. De fapt, după discursul său, au fost exprimate principalele plângeri și comentarii. Contraargumente rezonabile din Moscovco nu au urmat. În plus, în general, a recunoscut validitatea acestei critici. Prin urmare, se poate argumenta că amânarea confirmării experimentale a existenței unui tip 1.5 de superconductivitate în diboridul de magneziu este amânată.

Înainte de a spune de ce rezultatele experimentelor din grupul Moschalkov nu pot fi considerate ca o dovadă a prezenței în MgB2 o superconductivitate de o jumătate și jumătate, să ne amintim pe scurt ce superconductivitate este de tipul 1 și 2 și ce este superconductivitatea în general?

Prima și a doua superconductivitate

O substanță devine superconductoare atunci când temperatura ei scade sub o anumită valoare caracteristică doar pentru ea (numită temperatura critică, Tc).Fenomenul supraconductivității este caracterizat prin rezistența electrică zero a unei substanțe și diamagnetismul său ideal, care se manifestă prin împingerea și nepătrânarea câmpului magnetic în material. Pentru a fi foarte precis, câmpul magnetic pătrunde încă în supraconductor. Dar adâncimea acestei pătrunderi este foarte mică și este de maxim 100 nm. Într-un astfel de strat subțire, sunt excitate curenții neambalați, care ajută supraconductorul să protejeze câmpul magnetic extern și să împiedice pătrunderea acestuia mai adânc în material. Acesta este motivul pentru diamagnetismul ideal sau efectul Meissner-Oxenfeld. Starea diamagnetismului ideal al unui superconductor este de asemenea numită starea Meissner, iar curenții de ecranare sunt numiți curenți Meissner.

Dacă fixăm temperatura și începem să creștem "forța" câmpului magnetic, atunci pentru o anumită valoare a inducției sale Bc (câmpul critic) supraconductivitatea încetează brusc, deoarece curenții Meissner nu mai pot proteja superconductorul de invazia câmpului extern. Drept urmare, substanța trece de la starea superconductoare la cea normală (figura 1).Superconductorii care se comportă în acest fel se numesc supraconductori de primul tip.

În supraconductorii de tipul al doilea, distrugerea supraconductivității se realizează în etape (figura 1). Atâta timp cât câmpul magnetic nu depășește Bc1 (câmpul critic inferior), supraconductorul este un diamagnetic ideal, adică este în starea Meissner. Când inducerea câmpului "a depășit" Bc1, devine avantajos din punct de vedere energetic ca un superconductor să admită un câmp în el însuși sub formă de "filamente" microscopice (dimensiuni caracteristice de ordinul de 100 nm – 1 μm), alungite de-a lungul liniilor de forță ale câmpului exterior (figura 2). Cu cât este mai mare inducția câmpului, cu atât mai multe fire vor fi în supraconductor. Cu o mărire mare, aceste formațiuni sunt vortexuri, ale căror miezuri nu sunt superconductoare (normale), iar în jurul lor circulă curenți supraconductori, care protejează regiunea normală a vortexului. Vortexul nu pătrunde în superconductorul celui de-al doilea tip, nu la întâmplare, ci formează o latură omogenă de vârtej triunghiular.

Fig. 2. Câmpul magnetic dintr-un superconductor de tip 2 pătrunde prin vîrfuri cuantice sau vortexuri Abrikosov, care sunt regiuni normale microscopice (evidențiate în albastru), înconjurat de curenți supraconductori de circulație. Spațiul dintre vartejuri este supraconductor. Ecranul curenților Meissner curge prin el. Figura din site-ul nauka.relis.ru

În plus, vortexurile sunt obiecte cuantice, deoarece conțin o linie externă de câmp magnetic – cuantumul fluxului magnetic Ф0 = h / 2e = 2,07 · 10-15 Tm2. Adesea se numesc vârtejurile de abrikosov – numele de om de știință Alexei Abrikosov, care și-a prezis existența în 1957. El a subliniat de asemenea că vîrtejurile ar trebui să fie comandate sub forma unei laturi triunghiulare. În acest sens, configurația triunghiulară a vârtejuri supraconductori a avut un alt nume: (. Vezi galerie imagini Abrikosov Grile de laborator online, Universitatea din Oslo supraconductori) zăbrele Abrikosov.

În mod formal, se poate spune că supraconductorii de tipul 1 și 2 se disting prin interacțiunea dintre vartejuri. Vortexul pătrunde în supraconductorii de tip 1 atunci când inducerea câmpului extern devine mai mare Bc. Dar nu a observat vârtejuri, datorită faptului că acestea sunt la orice distanță de doar trase (mai aproape, mai puternic), ci pentru că, de îndată ce acestea apar, încep să „fuzioneze“ într-o singură unitate, formând astfel o zonă normală nonsuperconducting.În supraconductorii de tipul celui de-al doilea, interacțiunea dintre vartejuri este exclusiv repulsivă, ceea ce duce la formarea unei rețele de vârtejuri. Dispare doar când câmpul de inducție devine mai mare. Bc2. Apoi, vânturile devin atât de multe încât nucleele lor normale se suprapun. Deci, există o zonă normală.

Supraconductivitate de 1,5 metri

În 2005, Yegor Babayev și Martin Speight au prezis teoretic existența unui superconductor de tip 1.5, în care interacțiunea vortexurilor diferă de superconductorii de tip 1 și 2 și seamănă cu comportamentul forțelor moleculare. Cu alte cuvinte, vortexul la distanțe strânse ar trebui să se respingă unul pe celălalt, și la distanțe lungi să se atragă reciproc. Ca rezultat, este posibilă formarea unor structuri vortex mai complexe și mai neomogene (comparativ cu laturile abrikosovice). De exemplu, formarea asociațiilor (clusterelor) a două sau mai multe varteme din apropiere sau, așa cum le-au numit Babaev și Speight, teoreticienii menționați mai sus, "molecule" vortex.

După 4 ani, un grup de oameni de știință condus de Viktor Moshchalkova a raportat că este valabil în monocristalele MgB.2 pătrunderea câmpului magnetic are loc aproximativ așa cum a prezis Yegor Babayev și Martin Speight. Experimentele au stabilit că, în timp ce inducerea unui câmp magnetic extern nu depășește Bc1, supraconductorul este în starea Meissner, adică nu lasă liniile de forță în sine. Mai mult, în timpul inducției unui câmp de 0,0001 T, vortexurile intră în supraconductor, formând nu o latură triunghiulară, ci o rețea de păianjen (figura 3a). O creștere netedă a inducției câmpului magnetic până la 0.0005 T conduce la transformarea unei rețele de vârtejuri în benzi alternante cu densități înalte și joase ale vârtejului, adică chiar grupările menționate mai sus (figura 3b). Dacă, pe de altă parte, câmpul extern este întărit, atunci se va produce o altă transformare și va apărea rețeaua triunghiulară a vortexurilor: diborura de magneziu se comportă deja ca un superconductor al celui de-al doilea tip.

Fig. 3. (o) Grila de păianjen în MgB2 la o temperatură de 4,2 K într-un câmp magnetic extern cu o inducție de 0,0001 T. (b) Latticea vortex de diborură de magneziu, care se află la aceeași temperatură, dar într-un câmp de 0,0005 T. Imagini din articol Victor Moshchalkov et al. Supraconductivitate de tip 1.5 Reviste de examinare fizică, 102, 117001 (2009)

De ce este imposibil să se afirme că a fost observată superconductivitatea celui de-al cincilea fel?

Astfel, penetrarea unui câmp magnetic într-un superconductor de tip 1.5 sa dovedit a fi chiar mai dificilă decât pentru un superconductor de tip 2 (Figura 1). La o anumită temperatură, un supraconductor de tip one-and-a-half, cu o creștere a inducției câmpului magnetic, trece succesiv într-o stare Meissner (când nu există vîrfuri în el). Apoi, el "devine" într-un fel de stare intermediară, în care vortexurile pot forma "molecule" vortice datorită interacțiunii care seamănă cu forțele intermoleculare. În plus, amplificarea în câmp duce superconductorul la o stare mixtă sau vortex, în care se formează o latură omogenă abrikosoviană (ca la un superconductor de tip 2). În cele din urmă, câmpul magnetic distruge în cele din urmă superconductivitatea. Deci, ar trebui să fie "pe hârtie", dar nu era deloc cazul grupului Moschalkov. Da, au observat o distribuție neuniformă a vortexurilor, care pot fi interpretate ca atracție / respingere. Da, au văzut clustere de vortexuri. Dar este necesar să se acorde atenție în ce interval de inducții de câmp magnetic a avut loc această stare intermediară: de la 0.0001 T la 0.0005 T la o temperatură de 4.2 K. Teoretic, acest interval este pentru MgB2 trebuie să fie deasupra stării Meissner (vezi partea de jos a figurii 1). În experimentele lui Moschalkov, intervalul este "profund" în starea Meissner, deoarece domeniul critic inferior, care limitează MgB pentru cristale singulare2 Potrivit diferitelor estimări experimentale, starea Meissner variază de la aproximativ 0,003 la 0,01 T pentru aceeași temperatură de 4,2 K. Simplu, câmpul critic inferior este un ordin de mărime mai puternic decât câmpurile pe care Moschalkov a avut-o!

Cu toate acestea, starea Meissner se caracterizează prin faptul că nu există vortexuri într-un supraconductor. De unde au venit de atunci? Faptul este că o astfel de gradare a stărilor de superconductivitate este oarecum idealizată. În realitate, centrele de fixare există în mod inevitabil într-un superconductor – defecte sau puncte slabe, în care un câmp magnetic pătrunde sub formă de vârtejuri. Cel mai probabil aceasta este exact ceea ce a observat echipa Moschalkov – distribuția aleatorie a vortexurilor care "s-au târât" în unicul cristal supraconductor prin centrele sale de fixare.

Cu toate acestea, nu trebuie să se concluzioneze că superconductivitatea de tipul 1.5 nu poate exista deloc. Nimeni nu a pus încă la îndoială predicțiile teoreticienilor.În urma articolului lui Babaev și a spațiului, au apărut și alte lucrări teoretice care vorbeau despre posibilitatea formării "moleculelor" foarte vortex în unele supraconductoare – distribuția neomogenă a vartejurilor.

Majoritatea oamenilor de știință sunt de acord că este necesar să se caute superconductivitatea de tipul 1.5 în supraconductorii "fier" nou descoperit (a se vedea notele.) Un nou tip de supraconductori de temperatură înaltă a fost descoperit, Elements, 12.05.2008 și a fost găsită o nouă familie de superconductori care conțin fier " Elemente ", 31.10.2008). Și ar trebui spus că experimente de acest fel au fost deja efectuate, rezultatele lor au fost publicate (PDF, 415 Kb) și chiar raportate la conferința ICSM-2010 (de exemplu, un raport al lui Lev Vinnikov de la Institutul de Fizică a Solidului de Stat al Academiei de Științe din Rusia). Cu toate acestea, este încă devreme să considerăm aceste experimente ca fiind dovada supraconductivității de tipul 1.5. Rămâne să așteptăm evoluții ulterioare și următoarele publicații.

Yuri Yerin


Like this post? Please share to your friends:
Lasă un răspuns

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: