Высокотемперату́рная сверхпроводи́мость (ВТСП, Высокотемпературные сверхпроводники или Высокие-T _c ) — сверхпроводимость при относительно больших температурах. Исторически граничной величиной является температура в 30 К, однако ряд авторов под ВТСП подразумевает сверхпроводники с критической температурой выше точки кипения азота (77 К или −196 °C).

Описание

Явление сверхпроводимости заключается в полной утрате материалом электрического сопротивления при охлаждении ниже характерной для данного материала критической температуры. Особое значение высокотемпературной сверхпроводимости заключается в возможности практического использования без сильного охлаждения или с более дешёвыми и удобными охладителями (жидкими: водородом, азотом, метаном), чем необходимый для классических сверхпроводников жидкий гелий под давлением. ^{[ источник не указан 1401 день ]}

К 2020 году наиболее высокотемпературными сверхпроводниками при атмосферном давлении являются купраты — керамики (смешанные оксиды) .

Главной целью исследований являются ВТСП-материалы, работающие как минимум при температурах, широко распространённых на Земле (порядка −30 °C), как максимум — при комнатной температуре. Их создание привело бы к революции в энергетике и электронике , где значительной проблемой являются потери на сопротивление проводника.

Нормальное (и сверхпроводящие) состояния показывают много общих особенностей между различными составами купратов; многие из этих свойств не могут быть объяснены в рамках теории БКШ . Чётко сформированной теории сверхпроводимости в оксидных ВТСП в настоящее время не существует; однако, проблема привела ко множеству интересных экспериментальных и теоретических результатов.

Свойства

Ограниченность практического применения керамических ВТСП обусловлена тем, что магнитное поле, создаваемое протекающим по ВТСП током, при большой величине приводит к разрушению собственной слоистой структуры проводника и, следовательно, необратимой утрате сверхпроводящих свойств. При этом для сверхпроводящих изделий (как ВТСП, так и классических) достаточно такого нарушения в одной единственной точке, так как возникший дефект мгновенно становится участком с большим сопротивлением, на котором выделяется тепло, что вызывает последовательный нагрев соседних участков, то есть лавинообразный выход из сверхпроводящего состояния всего проводника.

Двойниковая структура и обратимая пластичность высокотемпературных сверхпроводников существенно влияет на их сверхпроводящие характеристики .

История

Первыми, явление высокотемпературной сверхпроводимости в соединении La _2-x Ba _x CuO ₄ с критической температурой 35 К, открыли сотрудники научного подразделения корпорации IBM Карл Мюллер и Георг Беднорц в 1986 году ; за это открытие в 1987 году им была присуждена Нобелевская премия . Смешанные керамики такого типа ( перовскиты AMO3) в это же время активно изучались в СССР .

В 1987 году был открыт сверхпроводник YBCO (оксид иттрия-бария-меди), с критической температурой 92 К. Это был первый сверхпроводник, критическая температура которого выше температуры кипения жидкого азота (77 К).

На 2015 год рекордное значение критической температуры T _c 203 K было достигнуто в соединении серы и водорода, помещённой под давление 150 ГПа (1,5 млн атмосфер) .

В 2018 году рекорд высокотемпературной сверхпроводимости побит сразу дважды:

• при сжатии лантана LaH ₁₀ до 170 ГПа (1,7 млн атмосфер) получили T _c = −13 °С (260 К).
• по утверждению индийских учёных, при охлаждении наноструктурированного серебра на золотой подложке им удалось получить T _c = 236 К (-37°С) — при нормальном давлении, однако их статья пока не прошла процесс peer-review и результат нельзя считать окончательно подтверждённым.

Также, в 2018 году в компьютерных моделях была предсказана сверхпроводимость сложных гидридов , представляющих собой «легированный» металлический водород при близких к комнатной температурах и давлениях порядка 200 ГПа . На основе этой теоретической разработки в 2019—2020 гг. получена сверхпроводимость в гидридах лантана и иттрия при температурах 245−260 K и давлениях порядка 1 млн атмосфер, например, LaH _10±x становится сверхпроводником при охлаждении до 250 K под давлением 188 ГПа , у YH₆ сверхпроводящий переход происходит при температуре 227 K и давлении 237 ГПа, у YH ₉ — при 243 K и 201 ГПа, у ThH ₁₀ — при 161 K и 174 ГПа, у ThH ₉ — 146 K и 170 ГПа, YH . Эти значения в среднем на 30 K меньше предсказанных в моделях, что требует дальнейшего изучения и корректировки моделей. В частности, предсказанная сверхпроводимость соединения Li₂MgH₁₆ при давлении 250 ГПа и температуре 473 K может оказаться также слишком оптимистичной .

В 2020-х перспективными считаются ВТСП на основе (соединения палладия ), которые занимают промежуточное положение мажду купратами и никелатами и у которых, как считается, идеальная электронная конфигурация для высокотемпературной сверхпроводимости .

В 2023 году корейские учёные сообщили, что им удалось создать сверхпроводник, работающий при температуре 400 K (127 °C) и стандартном атмосферном давлении. Сверхпроводник имеет модифицированную структуру на основе свинцово - апатитового материала и получил обозначение LK-99 .

Интерметаллиды

В 2001 году был открыт сплав Mg B ₂ ( диборид магния ) с рекордной для интерметаллидов температурой перехода в сверхпроводящее состояние Т _с = 40 К. Кристаллическая структура этого вещества представляет собой чередующиеся слои бора и слои магния. Слоистость приводит к анизотропии физических свойств, то есть величины электрической проводимости, оптического спектра поглощения, прочности и т. д. различны в плоскости слоёв и в направлении перпендикулярном слоям. Это двухзонное соединение стало первым известным науке сверхпроводником, обладающим сразу двумя сверхпроводящими щелями (двухщелевая сверхпроводимость), что было предсказано теоретически и подтверждено экспериментально. В дырочных квазидвумерных зонах бора (σ-зонах) при переходе в сверхпроводящее состояние в спектре квазичастиц образуется щель Δ _σ (зона запрещённых энергий для одиночных электронов и дырок) со значениями примерно (10-11) мэВ при максимальных Т _с . В трёхмерных зонах магния (π-зонах) также образуется сверхпроводящая щель Δ _π с амплитудой примерно (1,5 — 3) мэВ. Таким образом, в сверхпроводящем MgB ₂ сосуществуют два сверхпроводящих конденсата: изотропный трёхмерный (от π-зон магния) и двумерный дырочный (локализованный в слоях бора).

Внесение примесей других атомов в MgB ₂ , то есть легирование , приводит к понижению критической температуры перехода Т _с . Судя по всему, это соединение имеет оптимизированные для сверхпроводимости характеристики от природы и не поддаётся искусственному «улучшению». При понижении Т _с от 40 К до 10 К величина малой щели Δ _π меняется слабо, а значение большой щели Δ _σ понижается вместе с критической температурой, экспериментаторы отмечают линейную связь между Т _с и Δ _σ . Характеристическое отношение теории БКШ 2Δ _σ /k _B Т _с по оценкам ведущих российских экспериментаторов находится в диапазоне 5-7, что говорит о сильном электрон-фононном взаимодействии в слоях бора и приближает MgB ₂ к купратным ВТСП.

Интерес к практическим применениям диборида магния вызван возможностью использовать данный сверхпроводник при охлаждении жидким водородом вместо дорогостоящего жидкого гелия . Развитие технологий синтеза диборида магния позволило создать первые сверхпроводящие МРТ на основе MgB ₂ в 2006 году.

Сверхпроводники на основе железа

В 2008 году произошло открытие нового класса сверхпроводящих соединений с высокими значениями критической температуры T _c — слоистых соединений на основе железа (Fe) и элементов V группы ( пниктидов ) либо Se , так называемых ферропниктидов или селенидов железа . Впервые было обнаружено сверхпроводящее состояние у соединений, содержащих атомы Fe. Кристаллическая структура всех железосодержащих сверхпроводников (уже известно 6 семейств) представляет собой чередующиеся слои, в которых атомы железа окружены тетраэдром из атомов As или Se . На данный момент рекордсменом по значению T _c является соединение GdOFeAs (Gd-1111), допированное фтором, который замещает кислород. Его T _c достигает 55 К.

Все железосодержащие сверхпроводники обладают многозонной структурой и квазидвумерны (проявляют анизотропию свойств в направлении поперёк плоскостей). При переходе в сверхпроводящее состояние в каждой зоне открывается собственная щель в квазичастичном спектре, что приводит к появлению как минимум двух сверхпроводящих конденсатов и многощелевой сверхпроводимости, подобной случаю Mg B ₂ ( диборида магния ). Характеристическое отношение теории БКШ 2Δ _{большая} /k _B Т _с по оценкам российских экспериментаторов находится в диапазоне 4,6—6.

Органические сверхпроводники

В разделе не хватает ссылок на источники (см. рекомендации по поиску ). Информация должна быть проверяема , иначе она может быть удалена. Вы можете статью, добавив ссылки на авторитетные источники в виде сносок . ( 4 августа 2023 )

В конце 1960-х — начале 1970-х годов были большие надежды на синтез органических комплексов с переносом заряда (КПЗ) — например, комплексов -TTF ( - ). Однако, несмотря на синтез ряда перспективных соединений, оказалось, что сверхпроводимость в этих комплексах неустойчива даже при небольших плотностях тока ^{[ сколько? ]} .

См. также

• Оксид иттрия-бария-меди

Примечания

Ссылки

	в Викиновостях

• // Химический факультет МГУ
• /вебархив/

Литература

• Максимов Е. Г. // Успехи физических наук , 2000, т. 170, № 10, c. 1033—1061.
• Садовский М. В. // Успехи физических наук , 2001, т. 171, № 5, c. 539—564.
• Аксенов В. Л. // Успехи физических наук , 2002, т. 172, № 6, c. 701—705.
• Пономарев Я. Г. // Успехи физических наук , 2002, т. 172, № 6, c. 705—711.
• Копаев Ю. В. // Успехи физических наук , 2002, т. 172, № 6, c. 712—715.
• Черноплеков Н. А. // Успехи физических наук , 2002, т. 172, № 6, c. 716—722.
• Белявский В. И. , Копаев Ю. В. // Успехи физических наук , 2004, т. 174, № 4, c. 457—465.
• Мицен К. В. , Иваненко О. М. // Успехи физических наук , 2004, т. 174, № 5, c. 545—563.
• Елесин В. Ф. , Капаев В. В. , Копаев Ю. В. // Успехи физических наук , 2004, т. 174, № 9, c. 1017—1022.
• Максимов Е. Г. // Успехи физических наук , 2004, т. 174, № 9, c. 1026—1027.
• Гинзбург В. Л. // Успехи физических наук , 2005, т. 175, № 2, c. 187—190.
• В. Л. Гинзбург, Д. А. Киржниц // Успехи физических наук , т. 152, с. 575—582 (1987).
• Белявский В. И. , Копаев Ю. В. // Успехи физических наук , 2005, т. 175, № 2, c. 191—196.
• Еремец М. И., Дроздов А. П. // Успехи физических наук , 2016, т. 186, № 10, c. 1257—1263.
• Воронов В. К. , Подоплелов А. В. Физика на переломе тысячелетий: конденсированное состояние, 2-е изд., М.: ЛКИ, 2012, 336 стр., ISBN 978-5-382-01365-7
• Кордюк А. А. // , 2014, т. 40, № 4, c. 375—388.
• Бойко В. С., Гарбер Р. И., Косевич А. М. Обратимая пластичность кристаллов. — М. : Наука, 1991. — 280 с.
• Слейт А. У., Мессмер Р. П., Мэрфи Р. Б. и др. Высокотемпературные сверхпроводники. — М. : Мир , 1988. — 400 с. — ISBN 5-03-001248-6 .
• Габович А. Открытие высокотемпературной сверхпроводимости : журнал // Наука и жизнь. — 1982. — № 5. — С. 16—19.

Для улучшения этой статьи желательно : Обновить статью, актуализировать данные. Проставить сноски , внести более точные указания на источники. После исправления проблемы исключите её из списка. Удалите шаблон, если устранены все недостатки.