Stronțiu Rutenate se poate dovedi a fi un superconductor de tip 1.5 • Yuri Erin • Știința Științelor despre "Elemente" • Fizica

Stranțiul rutenat poate fi un superconductor de tipul 1.5

Fig. 1. Structura vortexului în secțiune (structura vortex). Este un nucleu normal cu o dimensiune de aproximativ două lungimi de coerență în jurul căreia curenții superconductori ne-amortizanți se rotesc cu o densitate deJs, care acoperă regiunea ordinii adâncimii de penetrare a Londrei λ. Cifra arată, de asemenea, cât de rapid se schimbă numărul de electroni supraconductori (numărul de superelectroni) pe măsură ce se apropie miezul vortexului (diagramă cu dungi mai joase) și modul în care crește intensitatea câmpului magneticH pe măsură ce vă mutați în centrul vortexului (top chart). Se arată că adâncimea caracteristică a penetrării câmpului magnetic este l. Imagine de la www.msm.cam.ac.uk

În funcție de reacția la acțiunea unui câmp magnetic extern, substanțele superconductoare sunt împărțite în superconductori de tipul 1 și 2. În 2004, sa sugerat că MgB2 se poate comporta într-un câmp magnetic într-un mod special, din cauza a ceea ce a primit numele unui superconductor de tip 1.5. Cu toate acestea, nu a fost obținută confirmarea experimentală a existenței unei astfel de supraconductibilități, iar diborura de magneziu a rămas până acum singurul candidat pentru supraconductori de tip 1.5.O echipă de oameni de știință din Statele Unite și Suedia a demonstrat teoretic că o jumătate de tip de superconductivitate poate să apară în ruthena stronțiului Sr2RUO4.

Pe măsură ce cunoștințele oamenilor de știință despre fenomenul supraconductivității acumulate și evoluate, au fost propuse noi modalități de clasificare a substanțelor care au acest efect. Una dintre primele scheme, conform cărora toate materialele supraconductoare au fost separate, a luat în considerare mecanismul de reacție a supraconductorului la un câmp magnetic extern. Faptul este că starea supraconductoare poate fi distrusă, nu numai încălzirea materialului deasupra temperaturii critice Tcci plasarea într-un câmp magnetic cu inducție peste valoarea critică Bc (înainte de aceasta, un superconductor este un diamagnetic ideal, vezi efectul Meissner, adică, nu se lasă într-un câmp magnetic).

Cu toate acestea, după cum arată calculele teoretice efectuate în 1957 de Alexei Abrikosov și confirmate în experimentele din 1967 de către un grup de cercetători germani, cu un anumit raport de parametri care caracterizează statul supraconductor, distrugerea acestuia are loc într-un mod mai complicat.Acești parametri definitivi sunt lungimea de coerență ξ și adâncimea de penetrare a câmpului magnetic λ.

Pentru a înțelege ce lungime de coerență este, ia în considerare fenomenul supraconductivității la nivel microscopic. Conform teoriei general acceptate a BCS, apariția superconductivității se datorează unirii electronilor de conducere în așa-numitele perechi Cooper. În general, electronii sunt particule încărcate și, prin urmare, trebuie să respingă, dar la temperaturi sub critice aceste particule încep să schimbe cuantele mișcării vibraționale a ionilor din rețeaua cristalină a unei substanțe – fononi. Această interacțiune, numită electron-phonon, are caracterul de atracție și mai mult decât compensă repulsia electrostatică existentă. Cuplarea în perechi permite ca electronii de conducere să se comporte sincron când se aplică un câmp electric (curentul este pornit) și, prin urmare, fără o pierdere de energie, să se deplaseze prin rețeaua cristalină a substanței. Deci, unul dintre semnele de superconductivitate apare – rezistența zero, sau, echivalent, conductivitatea infinită.

Acum revenim la definiția lungimii coerenței.Această valoare, oarecum simplificată, poate fi interpretată ca o dimensiune particulară a perechii Cooper. Pentru supraconductori diferite, această valoare ia valori diferite – de la câteva nanometre la mai multe micrometri la o temperatură zero absolută. Cu o temperatură în creștere, lungimea de coerență pentru un anumit supraconductor crește în mod monoton, luând o valoare infinit de mare la Tc.

Așa cum am menționat mai sus, în plus față de rezistența zero, încă un atribut al superconductivității este diamagnetismul ideal. Se pare că această "respingere" absolută a câmpului magnetic este realizată datorită ecranării sale prin intermediul unor curenți necondiționați care circulă pe suprafața supraconductorului. Grosimea stratului în care pătrund aceste curenți circulanți în interiorul supraconductorului este adâncimea de penetrare a câmpului magnetic λ. Ca lungimea de coerență, această caracteristică este unică pentru fiecare substanță superconductoare, variind de la câteva zeci de nanometri până la valori de ordinul unui micrometru la o temperatură zero absolută.

Acum putem reveni la criteriul de divizare a supraconductorilor.Abrikosov a calculat că dacă un superconductor are un raport al adâncimii de penetrare a câmpului magnetic la o lungime de coerență mai mică de 1 / √2, atunci distrugerea supraconductivității sub acțiunea unui câmp magnetic extern are loc aproape imediat după ce inducția câmpului a depășit Bc. Un superconductor cu astfel de caracteristici se numește un superconductor de tip 1.

Fig. 2. Prima imagine a rețelei vortex. Zonele neagră corespund cu vortexurile. Imagine de la articolul U. Essmann, H. Trauble, Physics Letters 24A, 526 (1967)

Dacă raportul λ / ξ al unui superconductor este mai mare de 1 / √2, atunci procesul de distrugere a superconductivității devine mai complex. În timp ce inducția câmpului magnetic nu depășește valoarea critică inferioară Bc1, proba superconductoare nu permite liniile de forță (diamagnetism ideal). Cu toate acestea, un câmp mai puternic pătrunde în material sub formă de linii de vortex, cunoscute sub numele de vortexuri Abrikosov sau pur și simplu vortex (fig.1). Fiecare vortex este un miez cilindric normal (non-superconductor), alungit de-a lungul liniilor câmpului magnetic și înconjurat de curenți superconductori circulanți.Când se pătrunde într-un superconductor, se resping reciproc (mai aproape, mai puternic) și formează o structură stabilă pe suprafața sa – o latură triunghiulară a vârtejului (figura 2).

La o temperatură fixă ​​și o creștere ulterioară a câmpului magnetic, numărul acestor vârfuri devine mai mare, ceea ce duce la o reducere a distanței dintre ele. Când inducția magnetică atinge valoarea Bc2, densitatea suprafeței vortexurilor devine atât de mare încât nucleele lor normale se suprapun una cu alta, distrugând în cele din urmă superconductivitatea din probă. Materialul cu o astfel de reacție la un câmp magnetic este numit un superconductor de tip 2.

Rețineți că uneori comportamentul unui superconductor de tip 1 într-un câmp magnetic este mai mare Bc de asemenea, descrise prin intermediul structurilor vortex. Se consideră condițional faptul că atunci când câmpul depășește valoarea critică Bccare penetrează un superconductor de tip 1, vortexul se atrage unul pe celălalt (cel mai apropiat, cel mai puternic) și formează regiunile normale care acoperă complet suprafața materialului supraconductor.

Deci, să rezumăm rezultatul intermediar: în supraconductorii de tip I într-un câmp magnetic deasupra valorii critice Bc materialul se mișcă sunt atrase între ei, în timp ce cu cât sunt mai apropiați unul de celălalt, cu atât este mai puternică această interacțiune. Datorită acestei atracții, un astfel de supraconductor devine aproape imediat într-o stare normală. În supraconductorii de tip 2, penetrarea câmpului magnetic sub formă de vârtejuri are loc atunci când inducția depășește pragul câmpului critic inferior Bc1. mulțumesc repulsie între vîrtejuri, care devine mai puternică, cu cât sunt mai apropiate aceste formațiuni, se formează o latură triunghiulară de vârtej pe suprafața superconductorului. Pe măsură ce inducerea unui câmp extern crește la o temperatură fixă, crește numărul de vârfuri penetrante. Dacă inducția depășește pragul câmpului critic superior Bc2, vânturile devin atât de numeroase încât miezurile lor normale se suprapun, transferând astfel materialul într-o stare normală.

Supraconductivitate de 1,5 metri

În 2001, o echipă de oameni de știință japonezi a descoperit supraconductivitatea în MgB2. Această descoperire a atras atenția specialiștilor implicați în studiul fizicii materiei condensate. Motivele pentru creșterea interesului față de starea superconductoare a acestei substanțe se datorează nu numai formulei sale chimice simple șinu numai că temperatura critică este destul de ridicată și se ridică la 39 K (multe supraconductoare cu înălțime mare Tc sunt compuși chimici foarte complexi), dar și în particularitățile structurii superconductivității în ea. Numeroase experimente efectuate de grupuri independente de oameni de știință au arătat că superconductivitatea în această substanță și temperatura ridicată a acesteia sunt datorate prezenței a două "grade" de perechi Cooper, interacțiunea dintre care oferă o creștere semnificativă a temperaturii critice. Astfel de superconductori sunt numiți în literatură două zone.

Prezența a două "sortițe" de perechi Cooper a determinat oamenii de știință să "reanalizeze" teoriile cunoscute ale diferitelor fenomene pentru astfel de superconductori în speranța că vor găsi un efect curios care nu ar avea loc în supraconductorii obișnuiți cu un singur tip de perechi Cooper. Într-adevăr, în 2004, Yegor Babayev și colegul său, Martin Speight, au descoperit că mecanismul câmpului magnetic pe un supraconductor cu două zone, în special MgB2, chiar mai complicat decât supraconductorii de tip 2 (Egor Babaev, Martin Speight, 2004. Supraconductivitatea Semi-Meissner în supraconductori multicomponenți).

În lucrarea lor, au prezis existența unei rețele neuronale de vârtej într-un superconductor la anumite intervale de inducție a unui câmp magnetic extern, care se poate manifesta ca formarea clusterelor vortex, clusterilor densi de vârtejuri pe o suprafață limitată sau pur și simplu distribuția neuniformă a vârtejurilor. Conform calculelor acestor oameni de știință, toate aceste structuri de vârtejuri se formează datorită dependenței nemonotonice a forței de interacțiune dintre vartejuri și distanța dintre ele. În cursul studiilor teoretice ulterioare, sa dovedit că această forță în comportamentul său este un analog aparte al forțelor intermoleculare care acționează între atomi. Pur și simplu, vortexurile din supraconductorii cu două benzi atrag pe distanțe mari (ca și în supraconductorii de tip 1) și resping la cele mici (ca în supraconductorii de tip 2). Datorită acestei naturi a forței de interacțiune, pot apărea structuri neobișnuite ale rețelei de vârtejuri.

În 2009, un grup de experți belgieni condus de Viktor Moshchalkova publicat într-unul dintre cele mai prestigioase reviste fizice Reviste de examinare fizică , unde a confirmat experimental existența unei distribuții neuniforme a vârtejurilor în MgB2, așa cum a prezis Yegor Babayev și Martin Speight. Autorii acestui articol au numit un superconductor cu un răspuns similar la un câmp magnetic, un superconductor de tipul 1.5 (a se vedea, în mod experimental, existența superconductivității unui gen de sesquito, Elements, 12.03.2009).

Din motive de corectitudine, trebuie spus că această lucrare a provocat o reacție ambiguă între specialiști (vezi Confirmarea experimentală a supraconductivității unui gen jumătate este amânată, Elements, 10 iunie 2010). Omitând multe detalii, observăm că principalul motiv al acestei reacții a fost că până acum nimeni, cu excepția acestui grup, a obținut dovezi experimentale pentru existența unei rețele eterogene de vârfuri în MgB2 în forma în care a văzut grupul lui Viktor Moschalkova.

În cele din urmă, litigiile s-au mutat în câmpul teoretic (vezi Superconductivitatea de tipul 1.5: nici doi, nici unul și jumătate, Elements, 11.11.2010). În perioada 2009-2012 au fost publicate mai multe lucrări în care s-au făcut argumente atât pentru a confirma existența superconductivității celui de-al cincilea fel, cât și pentru a confirma imposibilitatea existenței sale.Dezbaterile deosebit de aprinse au avut loc între un grup de teoreticieni condus de Egor Babayev, descoperitorul superconductivității de tip 1.5 și o echipă de oameni de știință în persoana lui Vladimir Kogan și Yorg Shmalyan (vezi: Egor Babaev, Mihail Silaev, 2012. Comentariu la "Ginzburg-Landau teoria supraconductorilor cu două benzi: absența superconductivității de tip 1.5 "și VG Kogan, Jörg Schmalian, 2012. Răspuns la" Comentariu asupra teoriei Ginzburg-Landau a supraconductorilor cu două benzi: absența superconductivității de tip 1.5 ".

Speranța că existența acestui tip de superconductivitate va fi confirmată a apărut după descoperirea supraconductorilor "de fier" (vezi: Un nou tip de supraconductori de temperatură înaltă a fost descoperit, "Elements", 12.05.2008 și o nouă familie de superconductori care conțin fier, a fost găsit "Elements", 31.10 .2008), care, după cum demonstrează numeroasele experimente, au două – și unele chiar trei (!) – "grade" de perechi Cooper. Cu toate acestea, parametrii acestor supraconductori pe bază de fier s-au dovedit a fi de așa natură încât, în ciuda multitudinii lor, supracubductivitatea de tipul celui de-al cincilea, probabil, nu poate fi realizată în nici un fel. Astfel, din moment ce prezicerea supraconductorilor de tipul 1.5, numai diborura de magneziu a rămas singurul concurent pentru acest titlu.

Stronțiu rutenat – cel de-al doilea candidat pentru supraconductori de tipul 1.5

Și acum, la 8 ani de la publicarea de pionierat cu privire la posibila existență a unui fel de superconductivitate de tipul 1.5, într-una din ultimele ediții ale revistei Vizualizare fizică B A apărut un articol teoretic, conform căruia "singurătatea" diboridului de magneziu ca un candidat pentru supraconductori de tip 1.5 poate "dilua" compusul numit ruthena stronțioasă Sr2RUO4.

Trebuie să faceți imediat o rezervare că Sr2RUO4 – într-un sens, un supraconductor unic. După cum vă amintiți, la începutul acestei note au fost menționate diverse modalități de clasificare a supraconductoarelor. Unul dintre ele, așa cum am menționat deja, este o reacție la un câmp magnetic extern. O alta, mai bine cunoscuta metoda de divizare a superconductorilor este diferentierea lor prin temperatura critica (vezi, de exemplu, tabelul din vestiare.) Sursa superconductivitatii interfetei la temperaturi inalte sa dovedit a fi un strat atomic de oxid de cupru, Elements, 13 noiembrie 2009). În cele din urmă, există un alt tip de clasificare, care constă în împărțirea supraconductorilor în funcție de structura unei perechi Cooper, care, se poate spune, "inspiră" chiar fenomenul supraconductivității.

Cuplurile Cooper sunt obiecte cuantice ale căror proprietăți sunt descrise printr-o caracteristică fizică specială – funcția de undă (pătratul modulului acestei funcții arată probabilitatea de a detecta acest obiect într-o anumită parte a spațiului; cu unele întinderi, putețispuneți că această funcție este similară cu dependența coordonatelor în timp pentru un obiect clasic). Pentru o lungă perioadă de timp de la descoperirea superconductivității, se știa că o pereche Cooper este o uniune de electroni cu spinuri îndreptate opus. Materialele cu acest tip de cuplare cu electroni se numesc spin-singlet sSupraconductori de undă. Adăugarea "valului" apare datorită faptului că, așa cum am menționat deja, sunt descrise perechile Cooper val funcția și prefixul "s"înseamnă că impulsul orbital orbital (impulsul unghiular) este zero, adică ei, pur și simplu, nu se rotesc în jurul centrului lor de masă.

După ce au fost descoperite supraconductoare cu temperatură înaltă pe bază de cupru (HTSC), în 1986, studiile experimentale au arătat că, deși electronii din aceste substanțe se împerechează, având spinuri îndreptate opus, perechile Cooper încă diferă de cele ale supraconductoarelor cunoscute anterior. Această diferență se datorează faptului că perechile de electroni din HTSC se rotesc, iar momentul lor orbital în unități speciale este 2. HTS pe bază de cupru au fost numite neobișnuite (în literatura științifică există un cuvânt englez de succes "neconvențional") spin-singlet dSupraconductori de undă. Simbol "d"indică faptul că momentul orbital al perechilor Cooper este 2. Cu alte cuvinte, pe lângă rotația proprie a electronului (spin), perechea Cooper are și o rotație în jurul centrului de masă (momentul orbital).

În 1994, superconductivitatea a fost descoperită în ruthena stronțiului. În ciuda faptului că temperatura critică este foarte scăzută, aproximativ 1,5 K, această descoperire a atras atenția specialiștilor din mai multe motive. În primul rând, deoarece această substanță a avut o structură de cristal similară cu HTSC și nu conține cupru "obligatoriu", ca în cazul tuturor HTS cunoscute în acel moment. Comparând caracteristicile fizice ale stărilor normale și superconductoare ale lui Sr2RUO4 și HTSC de cupru, oamenii de știință speră să clarifice însăși natura superconductivității la temperaturi înalte.

Cu toate acestea, în continuare se așteptau și detalii mai interesante. La un an de la descoperirea stării supraconductoare a rutenatului de stronțiu, un grup de teoreticieni a emis ipoteza că superconductivitatea în Sr2RUO4 nu este singlet spin. Potrivit presupunerii acestor oameni de știință, în rutenatul stronțiului, rotirile într-o pereche Cooper sunt îndreptate într-o singură direcție, plus perechile Cooper au ele însele un impuls unghiular.

Experimentele ulterioare au mărturisit în favoarea acestei presupuneri. Ca urmare, acest tip de supracodicitate neobișnuită a primit numele spin-triplet p– Supraconductivitatea de undă (simbolul "p"spune că momentul orbital al perechii Cooper este egal cu unul.) În prezent, nu există nici o dovadă că un număr mare de superconductori au un tip similar de superconductivitate, de fapt, datorită acestei unicități, ruthena de stronțiu este încă explorată activ.

HTSC-urile pe bază de fier descoperite în 2008 nu au fost menționate aici, astfel încât cititorul poate avea o întrebare rezonabilă: cum să clasificăm aceste supraconductoare noi "de fier"? Rezultatele experimentelor recente indică faptul că ambele tipuri de perechi Cooper pot fi considerate supraconductoare spin-singlet separate fără rotație a perechilor Cooper. S-ar părea că totul este un trivial, supraconductorii cu două zone sunt doar un "amestec" de spin-singlet bine-cunoscut sSupraconductori de undă. În realitate, structura perechilor Cooper în supraconductori de "fier" sa dovedit a fi mai vicleană.Conform datelor experimentale, fazele funcțiilor de undă (cantități complexe) în supraconductoarele "fier" sunt deplasate de către π. Din cauza acestei schimbări de fază, funcțiile valurilor din fiecare clasă au semne opuse. Din acest motiv, aceste supraconductoare sunt numite s ±val.

O altă trăsătură curioasă a lui Sr2RUO4 ca superconductor este cea a doua benzi, după cum reiese din rezultatele experimentelor recente. Desigur, după obținerea unor astfel de date, oamenii de știință au toate motivele să presupună că rutenatul de stronțiu este un candidat potențial pentru titlul unui superconductor de tip 1.5, în care pot exista diferite tipuri de neomogenități ale rețelei de vârtejuri.

Primele studii detaliate ale distribuției de vortexuri în acest supraconductor au fost realizate în anul 2005 (V. O. Dolocan și colab., 2005. Observarea coalescenței superconductorului Spin-Triplet Sr Vortex în supraconductorul anisotropic Spin-Triplet2RUO4). Apoi experimentatorii au stabilit faptul că așa-numita coalescență a rețelei de vârtejuri. Cu alte cuvinte, vortexurile nu au format o latură triunghiulară în proba superconductoare, respingând una de cealaltă, așa cum se întâmplă într-un superconductor de al doilea tip. În schimb, au început să se îmbină în domenii mari, iar mărimea acestor domenii a crescut cu o creștere a câmpului magnetic (figura 3).

Fig. 3. Grilă de vârf într-un singur cristal de ruthenat de stronțiu, obținut într-un câmp magnetic extern de 0,0002 T (și), 0,0006 T (b) și 0,0007 T (cu). Zonele luminoase corespund formatiilor de vârtej (zonele în care câmpul magnetic a pătruns). Imagine din articolul V. O. Dolocan et al. Spin-Triplet Superconductor Sr Observarea Coalescenței Vortexului în Anisotrop2RUO4 (2005)

Rezultatele experimentelor au însemnat că în ruthena de stronțiu superconductor a existat o anumită atracție între vartejuri. De unde provine această atracție și de ce are loc în Sr2RUO4, pentru experimentatori a rămas un mister.

Un grup de teoreticieni condus de Yegor Babayev, autorii articolului discutat aici, susțin că coalescența observată a vortexurilor poate fi ușor explicată dacă încercăm să descriem proprietățile superconductoare ale ruthenei stronțiene într-un model teoretic special dezvoltat exclusiv pentru acest supraconductor, care ia în considerare caracterul său din două zone. Trebuie remarcat faptul că, cu unele modificări, această teorie a fost folosită pentru a prezice și a fundamenta superconductivitatea celui de-al cincilea fel.

Deci, pe baza acestui model teoretic pentru Sr2RUO4, o echipă de oameni de știință a efectuat o simulare numerică a apariției unei rețele cu vârfuri cu parametri corespunzători caracteristicilor stării supraconductoare a ruthenei stronțiului.Sa constatat că, cu parametrii dat, teoria produce la nivelul calitativ același comportament al vîrtejurilor, care a fost obținut în experimentele efectuate anterior (figura 4).

Fig. 4. Distribuția concentrației (în unități relative) a fiecărui "soi" (în stânga – în primul rând, în dreapta – al doilea) perechi Cooper într-un ruthenat de stronțiu superconductor cu două benzi. Zonele roșii corespund celui mai mare număr de perechi de electroni, albastru închis – zone în care numărul lor tinde la zero. Aceste grafice arată evoluția laturii vârtejului: de la începutul formării grupului de vârtejuri (o și b) de 7 vortexuri înainte de apariția sa imediată (c și d). Imagine din articol în discuție Vizualizare fizică B

Imaginile din Figura 4 indică clar și clar atracția dintre vartejuri și, ca rezultat, coalescența lor. La rândul său, posibilitatea formării unor astfel de grupări vortex poate fi interpretată ca fiind prezența superconductivității de tipul 1.5 în acest compus. Această concluzie este rezultatul principal al acestui articol.

Desigur, rezultatul obținut nu pretinde finalitatea, după cum scriu autorii înșiși, sugerând studii suplimentare în această direcție.Cu toate acestea, nu poate fi negat faptul că datele experimentale sunt bine descrise de teorie, care, chiar și cu unele simplificări, a prezis deja anterior posibilitatea existenței superconductivității de tip 1.5.

Sursa lui: Julien Garaud, Daniel F. Agterberg, Egor Babaev. Coalescența vortexului și superconductivitatea de tip 1.5 în Sr2RUO4 // Phys. Rev. B 86, 060513 (R) (2012).

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: :???: :?: :!: