En superleders kritiske temperatur kan forøges ved hjælp af et magnetfelt • Yuri Erin • Videnskabsnyheder om "Elements" • Fysik

En superleders kritiske temperatur kan forøges ved hjælp af et magnetfelt.

Fig. 1. Forbedring af superledningsevne ved hjælp af et parallelt magnetfelt i en ultratyn amorf blyfilm. Absolut (venstre skala) og relative (skala til højrea) stigning i kritisk temperaturTc i forhold til Tc0 = 3.814 K for en film i fravær af et magnetfelt. Filmtykkelsen er 21,1 Å. Abscisse akse udsat magnetfelt induktion. Figur fra den diskuterede artikel i Naturfysik

Superledningsevne er en kvantetilstand af materie, som ud over eksterne tegn, cirkaTilstedeværelsen af ​​modstand og absolut immunitet over for et magnetfelt er karakteriseret ved dannelsen af ​​par af ledningselektroner synkroniseret med hinanden. På grund af egenskaberne ved elektronparets struktur og egenskaber reducerer et magnetfelt med induktion over et vist niveau den kritiske temperatur af en superleder, det vil sige den temperatur, under hvilken fænomenet superledningsevne realiseres. Et team af amerikanske forskere, der udfører eksperimenter med ultra-tynde (ca. 10-9 m) amorfe blyfilm, viste, at et stærkt magnetfelt, tværtimod, øger deres kritiske temperatur.Det opnåede resultat modsiger den generelt accepterede teori om superledningsevne.

Årsagen til superledningsevne, det vil sige forekomsten af ​​et stof med uendeligt høj ledningsevne og ideel diamagnetisme (ekstrudering af et eksternt magnetfelt) er dannelsen deraf af et par ledningselektroner, som derefter opfører sig på en synkroniseret måde. En sådan enhed tillader elektroner at strømme uden friktion gennem materialets krystalgitter og glat "afvise angreb" af magnetfeltlinjerne.

Ifølge den generelt accepterede mikroskopiske teori om superledningsevne (også kendt som Bardeen-Cooper-Schrieffer-teorien eller i forkortet form, BCS) forekommer dannelsen af ​​elektronpar, når temperaturen af ​​et stof bliver mindre end en bestemt værdi individ for et givet materiale – den kritiske temperatur Tc. Ved temperaturer under Tc elektroner, gennem udveksling af fononer, tiltrækker hinanden og danner et par, ofte kaldet Cooper ved navn af den amerikanske teoretiske fysiker Leon Cooper, der forudset dette fænomen. Nu er denne attraktion kendt som elektron-fonon interaktionen; ved temperaturer under den kritiske bliver det stærkereend Coulomb-afstødningen af ​​disse lige ladede partikler.

Det er vigtigt at bemærke her, at i BCS-teorien er dannelsen af ​​Cooper-par kun mulig fra elektroner med modsatrettede impulser og spins. Tværtimod, i de såkaldte "usædvanlige" superledere, hvis superledende egenskaber ikke forklares af BCS-teorien, kan retningerne af elektronspinene i Cooper-par falde sammen.

Definitionen af ​​superledningsevne gør det muligt for os at forstå, hvordan det kan ødelægges. Den første måde er at opvarme superlederen til en temperatur over den kritiske. Det andet er at styrke magnetfeltet, så det superledende materiale ikke længere kan afvise kraftens linjer. På mikroskopisk niveau forklares ødelæggelsen af ​​Cooper-par ved varme for et fald i bindingsenergien af ​​elektroner i et Cooper-par. I tilfælde af en stigning i magnetfeltet forklares ødelæggelsen af ​​par af elektroner af to effekter – paramagnetisk og orbitalt. Den paramagnetiske effekt er magnetfeltets ønske om at justere elektronernes omdrejninger i retning af deres feltlinjer. Da ryggen er i et Cooper-par,Som det allerede er sagt, har de en antiparallel retning, så når et stærkt magnetfelt retter sig mod den "forkerte" orientering af et af parets elektroner, er det for energisynspunkt ikke nyttigt at fortsætte dets eksistens (Pauli-princippet fungerer). Den orbitale effekt er, at da en elektronpuls i et par er rettet modsat, vil en multidirectionel Lorentz-kraft virke på hver elektron, som vil strække partiklerne i et Cooper-par som en streng, hvis ender trækkes i forskellige retninger.

Fra alle ovenstående kan vi tegne følgende konklusion: I BCS-teorien er der ingen mekanisme, der ville gøre Cooper par stærkere i et magnetfelt og derved øge den kritiske temperatur i en superleder. For at være retfærdig er det værd at bemærke, at der er forbindelser baseret på uran, som i stærke magnetfelter genopretter superledningsevne tabt tidligere i et svagere felt (se Eksotisk superledningsevne opdaget i et stærkt magnetfelt, Elements, 30. august 2005). Disse superledere tilhører dog kategorien "usædvanlig" allerede nævnt, for hvilken BCS-teorien ikke kan anvendes.Hvordan magnetfeltet stimulerer genoplivningen af ​​superledningsevne i disse stoffer er endnu ikke klar for forskere.

I den henseende offentliggjort i tidsskriftet Naturfysik Resultaterne af eksperimenterne fra en gruppe amerikanske forskere synes overraskende og meget uventede. Forfatterne af dette værk rapporterer en forøgelse af den kritiske temperatur af ultratynde (tykkelse ca. 10 Å, 1 Å = 10-10 m) blyfilm med stigende magnetfeltinduktion, hvis linjer er orienteret parallelt med overfladen af ​​de undersøgte prøver. Originalen af ​​de opnåede resultater skyldes først og fremmest, at bly er en af ​​de "almindelige" superledere, for hvilke BCS-teorien virker perfekt. Derfor, med en stigning i magnetfeltinduktionen, bør den kritiske temperatur falde i overensstemmelse med en kvadratisk lov.

Først et par ord om eksperimentets metode. For det første fandt undersøgelsen af ​​dette fænomen sted inden for magnetfeltinduktioner fra 0 til 8 Tesla (T). For det andet førte en ændring i retningen af ​​magnetfeltet fra parallelt med filmene til den vinkelrette en til det faktum, at den kritiske temperatur af prøverne forventedes at falde. For det tredje var blyfilm amorfe.Med andre ord var der ikke noget krystalgitter i materialet, og arrangementet af atomer var af uordeneret natur. Undervejs er det også værd at bemærke, at i sådanne næsten todimensionale (eller som de siger kvasi-todimensionale) blykonfigurationer, er dens kritiske temperatur afhængig af tykkelsen tydeligt og kan være flere gange mindre end den kritiske temperatur for massive prøver af et givet stof, hvilket er ca. 7,2 K.

I fig. 1 præsenterer måske det primære resultat af eksperimentel forskning af artiklens forfattere. Det præsenterer data om stigningen i DTc kritisk temperatur på en amorf ledfilm med en tykkelse på 21,1 Å, afhængigt af det parallelle magnetfelt, der påføres det.

Interessant nok er dette forhold klart ikke-monotonisk. Maksimal forstørrelse Tc observeret, når magnetfeltinduktionen er ca. 5 T. For at forstå, hvor stor denne superledende bly er, lad os sige at i massive prøver, hvis temperatur er tæt på absolut nul, forsvinder superledningsevnen i felter med induktion over kun 0,08 T.

Ved første øjekast ser det ud til, at stigningen ikke er så signifikant, kun med 8% eller med 302 millikelvin i absolutte enheder (se figur 1), men selve forekomsten af ​​denne vækst og for hvilke enorme værdier af magnetisk felter den observerede effekt er realiseret i en superleder, for hvilket magnetfeltet, som det er kendt, er en "fjende".

Desuden blev forfatterne i deres studier interesserede i spørgsmålet om, hvordan den kritiske temperatur af kvasi-todimensionale prøver udvikler sig, hvis deres tykkelse ændres. Svaret er givet i fig. 2, hvor eksperimentelle data, der viser en stigning, er visualiseret. Tc til et sæt af otte film af forskellig tykkelse.

Fig. 2. Vækstafhængighed ΔTc den kritiske temperatur af kvasi-todimensionale amorfe blyfilm på deres tykkelse (er vist i grafen) i et parallelt magnetfelt. Til den tyndeste film (røde firkanter) Den kritiske temperatur i fravær af et magnetfelt er Tc0 = 0,486 K, for den tykkeste (lilla trekanter), som allerede kan fortolkes som en massiv tredimensionel prøve, Tc0 = 6,44 K. Figur fra den diskuterede artikel i Naturfysik

Som i grafen i figur 1 har denne afhængighed også sine egne egenskaber. Det viser sig, at den maksimale forøgelse af den kritiske temperatur ikke realiseres for den tyndeste film, som det synes at være, men for en prøve med en mellemtykkelse på 21,1 Å (data for denne film blev vist i figur 1). I almindelighed falder næsten alle afhængigheder på det kvalitative niveau: den kritiske temperatur stiger til en bestemt værdi af magnetfeltet, så følger maksimumet, så den monotone nedgang.

Hvad der kunne være årsagerne til fænomenet, for forfatterne af publikationen forbliver et mysterium. Forskere i deres artikel fremlægger flere hypoteser, men argumenterne er heuristiske og kan ikke kvalificere sig til en endelig forklaring. Desuden er det, som forskerne bemærker, nødvendigt at måle effektstørrelsen mere omhyggeligt afhængigt af tykkelsen af ​​prøverne, tilstedeværelsen af ​​magnetiske urenheder og andre materialegenskaber, som kan påvirke stigningen i den kritiske temperatur.

Kilde: H. Jeffrey Gardner, Ashwani Kumar, Liuqi Yu, Peng Xiong, Maitri P. Warusawithana, LuyangWang, Oskar Vafek, Darrell G. Schlom. Forbedring af superledere Naturfysik. 2011. V. 7. P. 895-900.

Yuri Yerin


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

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