Nadprzewodnictwo - zjawisko, które ciągle nas zaskakuje! Andrzej Wiśniewski Nadprzewodnictwo - zjawisko, które ciągle nas zaskakuje!
Odkrycie nadprzewodnictwa Nadprzewodnictwo ….. Odkrycie nadprzewodnictwa 26.X.1911 Heike Kamerlingh Onnes: – 10 lipca 1908 – skroplenie helu – dlaczego Hg: aspekt naukowy czy zerowe przewodnictwo w 0 K (przewidywania Kelvina), aspekt praktyczny dodatkowy pomiar temperatury. – 8 kwietnia 1911 – „Kwik nagenoeg nul” (rtęć (opór rtęci) praktycznie zero), tego samego dnia w trakcie obniżania temperatury ciekłego helu do 1.8 K zaobserwowano także przejście helu do fazy nadciekłej!
Nadprzewodnictwo R = 0, B = 0 dla T < TC przejście stan normalny stan nadprzewodzący jest przejściem fazowym II rodzaju skok ciepła właściwego głębokość wnikania pola magnetycznego l, długość koherencji
NADPRZEWODNICTWO PIERWIASTKÓW 29 (pod ciśnieniem normalnym) + 25 (pod ciśnieniem) = 54 (z 92 pierwiastków) kolor żółty kolor zielony C. Buzea, K. Robbie Supercond. Sci. Technol. 18 (2005) R1-R8
Nadprzewodnictwo pierwiastków Nb: TC = 9.25 K (najwyższa TC pierwiastka) Li: TC = 20 K pod p = 50 GPa Ca pod p = 216 GPa, początek spadku oporu w 29 K Si: TC = 8.5 K pod p = 12 GPa, Ge: TC = 5.4 K pod p = 11.5 GPa O: TC = 0.6 K pod p = 120 GPa, Fe: TC = 2.0 K pod p = 21 GPa nadprzewodnictwo B pod ciśnieniem M.I. Eremets et al. Science 293, 272 (2001) próbka ~ 20 mm, elektrody pomiarowe ~2 mm p 160 GPa, TC = 6 K, TC = 11.2 K pod p 250 GPa (!) Święty Graal: metaliczny H: p 400 GPa, TC = TR) (500 GPa = 5 Mbar ciśnienie w środku Ziemi, pmax w kowadłach diamentowych 560 GPa A.L. Ruoff, H. Luo, Recent Trends in High Pressure Research, ed. A.K. Singh, IBH, Oxford, 1992)
Nadprzewodzące stopy i związki międzymetaliczne NbN: Tc=16 K związki międzymetaliczne Nb3Ge: Tc=23 K CERN: NbTi
Zastosowanie nadprzewodnikowych w CERN (LHC) 7
Nadprzewodzące fullereny
Cytowana 8 063 razy
kBTc = 1.13wDexp(-1/ VN(EF)) Nobel 1987: "for their important break-through in the discovery of superconductivity in ceramic materials" – to nie było przypadkowe odkrycie! Zgodnie z teorią BCS: kBTc = 1.13wDexp(-1/ VN(EF)) wD– częstość Debye’a V > 0 – miara oddziaływania e– - fonon N(EF) – gęstość stanów na poziomie Fermiego (miara liczby e–, które mogą tworzyć pary Coopera) Idea Alexa Mullera – w ceramicznych materiałach tlenkowych (z reguły to izolatory!) o strukturze perowskitu można oczekiwać dużej wartości VN(EF) czyli wysokiej Tc (BaPb1-xBixO3: Tc = 14 K (A.W. Slight et al. 1975) ) 2 lata nieudanych prób (od 1983 r.) z La-Ni-O W końcu 1985 r. Bednorz zwraca uwagę na perowskit La4BaCu5O13 (prace grupy Raveau z 1984 i 1985 r., metaliczne przewodnictwo) 27 stycznia 1986 Bednorz zaobserwował zanik oporu przy ok. 11 K W kwietniu zostaje wysłany artykuł do Z. Phys. B (ukazuje się we wrześniu 1986). 4 grudnia 1986 (na konferencji MRS) grupa Chu z Huston i Tanaki z Tokio potwierdzają wyniki Mullera i Bednorza.
Cytowana 4 611 razy To także nie było przypadkowe odkrycie! Paul Chu badał wpływ ciśnienia na nadprzewodnictwo, w La-Ba-Cu-O stwierdził wzrost Tc do ok. 40 K Efekt ciśnienia chemicznego: La → Y (r3+: 1.16 → 1.01 Å), w YBa2Cu3O7- x Tc → 90 K Condensed Matter: Electronic Properties, Etc. • Superconductivity at 93 K in a new mixed-phase Yb-Ba-Cu-O compound system at ambient pressure M. K. Wu, J. R. Ashburn, C. J. Torng, P. H. Hor, R. L. Meng, L. Gao, Z. J. Huang, Y. Q. Wang, C. W. Chu p. 908-910 [View Page Images , PDF (367 kB), or Buy this Article ]
square lattice Sr Ba Sr : La2-xSrxCuO4 , Tc = 30 40 K (grudzień 1986, Univ. of Tokyo, Bell Lab.)
Rodzina nadprzewodników bizmutowych (rok 1988) Także w 1988: nadprzewodniki talowe TlBa2Can-1CunO2n+4+x: Tc = 90, 120, 128 K dla n = 1, 2, 3. Tc maleje dla n > 3,
Rok 1993: nadprzewodniki rtęciowe HgBa2Can-1CunO2n+2+x Najwyższa Tc = 94, 126, 136 K dla n = 1, 2, 3. Tc maleje dla n > 3. Pod ciśnieniem 30 GPa Tc wzrasta do 160 K. (Tc rośnie z toksycznością związku???)
Co wiemy, a czego nie wiemy o miedzianach…. Znamy ponad 50 NWT miedzianów, mają one budowę warstwową → duża anizotropia podstawowych parametrów → konieczne badania monokryształów. W większości nośnikami są dziury związane z orbitalami tlenowymi, pary Coopera (singletowe) tworzą się w pł. CuO2, mały efekt izotopowy, symetria f. fal. typu d. Istnieją miedziany, w których nośnikami są elektrony np. La2-xCexCuO4 (Tc ≈ 30 K) Rozmiary par Coopera są małe (ξ ≈ 2 – 30 Å, ξc << ξab), duże Hc2 ≈ 100 T. NWT: płaszczyzny CuO2 i „rezerwuar” ładunku np. łańcuchy Cu-O w YBCO, płaszczyzny BiO, TlO, HgO. Konieczny jest przekaz ładunku (odpowiednia koncentracja dziur/elektronów w płaszczyznach CuO2). Związki wyjściowe to AFM izolatory (w przypadku pniktydków: AFM „słabe” metale) Tc zależy od zawartości O (Sr), dla każdego NWT istnieje optymalne „domieszkowanie”. Najwyższe Tc mają NWT o n = 3 płaszczyznach CuO2, Tc spada dla n > 3 (trudności z przekazem ładunku do wewnętrznych płaszczyzn CuO2) Wyższe Tc gdy płaszczyzny CuO2 bardziej „płaskie”. Najbardziej prawdopodobne zastosowania: YBa2Cu3O7-x i Bi2Sr2Ca2Cu3O10-x Mechanizm: fonony nie mają zasadniczego znaczenia, ale mogą odgrywać pewną rolę, czy „klejem” są fale gęstości spinowej? Jak podnieść Tc dla n > 3? Dlaczego wyższe Tc mają NWT, w których nośnikami są dziury?
Aktualne zdjęcie rodzinne ←
Właściwości nadprzewodzące FeTe1-xSex T.J. Liu et al. Nature Materials 9, 716 (2010)
Nadprzewodnictwo ….. Nadprzewodnictwo 1972 – John Bardeen, Leon N. Cooper, John R. Schrieffer 1973 – Ivar Giaever, Brian David Josephson 1987 – J. Georg Bednorz, K. Alexander Müller 2003 – Alexei A. Abrikosov, Vitaly L. Ginzburg 20…. – za wyjaśnienie mechanizmu NWT 20…. – za otrzymanie pierwszego nadprzewodnika o Tc > 300 K