Vruća supravodljivost

Jeftini eksperimenti Dolaskom materijala koji prelaze u supravodljivo stanje čak i pri temperaturi tekućeg dušika, eksperiment sa supravodičem koji pluta u magnetskom polju postao je dostupan čak i u školskim uvjetima.

Lebdeći rotor Nexans je razvio beskontaktni magnetski ležaj za električne motore velike snage koji se temelji na visokotemperaturnim superprevodnicima. Takve motore planira se staviti na ratne brodove.

U YBaCuO postoje dva atoma barija, tri atoma bakra i oko sedam atoma kisika po atomu itrijuma, pa se naziva struktura 1-2-3. Odgovara dvije vrlo slične slojevite pseudoperovskitne rešetke sa stanicama u obliku gotovo pravokutnih paralelepipeda

U članku o supravodljivosti (PM br. 8'2011) primijećeno je da je među čistim metalima najveća kritična temperatura niobija - 9, 25 K. 1973. godine, John Gavaler, istraživač u istraživačkim laboratorijama Westinghousea, otkrio je da tanki filmovi niobijevih spojeva s germanijem, GeNb3 postaju superprovodnici na 23, 2 K. Tijekom sljedećih 13 godina, ovaj rekord nikada nije srušen. Sve ostale intermetalne strukture uz sudjelovanje niobija zahtijevaju više hlađenja za prijelaz u supravodljivo stanje. Međutim, istodobno, 1973. godine dogodio se još jedan događaj koji je obećavao, kao što je sada jasno, vrlo zanimljive mogućnosti. David Johnston sa kalifornijskog sveučilišta u San Diegu primijetio je da litijev titanat, litijev oksid i titan postaje superprevodnik na vrlo uglednoj kritičnoj temperaturi od 13, 7 K. Dvije godine kasnije, zaposlenik DuPonta, Arthur Slate, otkrio je ovaj prijelaz na nešto višoj temperaturi za oksid barij, bizmut i olovo. To je bio razlog zastoja jer nitko nije očekivao da će se na osnovi metalnih oksida stvoriti obećavajući superprovodni materijali.

Zürich senzacija

A onda je, kao što se često događa, intervenirao sretan incident. Claude Michel i njegovi kolege sa Sveučilišta u Kani u Normandiji pokazali su 1981. da su sintetizirali spoj lantana, barija, bakra i kisika s kristalnom strukturom perovskita pri temperaturama od 300 do -100 ° C, što pokazuje električnu vodljivost metalnog tipa. Francuski fizičari nisu se pokušali teže ohladiti, jer ih je zanimalo samo korištenje ove tvari za potrebe kemijske katalize visoke temperature. Krajem 1985. Johannes Georg Bednorz i Karl Alex Müller, zaposlenici istraživačkog centra IBM-ove korporacije u Zürichu, primijetili su njihov članak već nekoliko godina tražeći superprovodnike na bazi metalnih oksida, uključujući perovskite. Sintetizirali su različite verzije iste tvari, različite u relativnim koncentracijama barija i lantana, u nadi da će „izvući“ dodatne elektrone iz bakarnih iona kako bi povećali gustoću mobilnih nosača naboja. Proračun je bio da će dobiveni kristali pri vrlo niskim temperaturama pokazati nestandardna električna svojstva i, možda, čak, superprovodljivost.

A priroda je znanstvenike nagradila za njihovu hrabrost. U siječnju 1986. Bednorts i Muller već su imali supravodiče s kritičnom temperaturom od oko 35 K. Otprilike tri mjeseca držali su tajnu otkrića, ponavljajući eksperimentalne eksperimente više puta. Štoviše, već su mjesečno poslali članak Zeitschrift fur Physik s nepretencioznim naslovom "Moguća visokotemperaturna superprevodljivost u sustavu Ba-La-Cu-O", do njegove objave nikada nisu izvijestili o svojim senzacionalnim rezultatima i nisu ih podijelili ni sa zaposlenicima. ostali istraživački centri IBM-a. Razlog je bio sasvim uobičajen - strah da će netko duplicirati svoje eksperimente i objaviti rezultate pred otkrivačima. Odabrali su Zeitschrift fur Physik, a ne prestižnija i čitljivija Priroda, Znanost ili Fizička recenzijska pisma samo zato što je urednik ovog časopisa pristao hitno tiskati članak bez prethodnog pregleda. Rad na pet stranica pojavio se u rujanskom izdanju i godinu dana kasnije donio je svojim autorima Nobelovu nagradu za fiziku.

Nevidljiva publikacija

Čudno je da u početku malo ljudi primijeti poruku Bednoretca i Muellera. Stručnjaci za supravodljivost rijetko su čitali Zeitschrift krzno Physik, pa čak ni cijela fizička zajednica dugo nije uživala takav prestiž kao početkom 20. stoljeća, kada su na njemu tiskani Einstein, Schrödinger, Heisenberg, Pauli, Born i drugi titani. Međutim, početkom studenog članak je upao u oči profesora sa sveučilišta Houston, Paul Chu-a, studenta poznatog tvorca materijala za supravodobno provođenje, Bernda Matthiasa. Chu grupa ne samo da je u rekordnom vremenu ponovila eksperimente Zurichovih kolega, već je i povećala kritičnu temperaturu spoja za 10 stupnjeva, komprimirajući ga pod visokim tlakom.

Kako slonovi spavaju?

Houstonski fizičari još nisu znali da imaju konkurente. Iste jeseni 1986. godine, Koichi Kitazawa sa Sveučilišta u Tokiju dokazao je da se superprevodnik u Zürichu stvara slojevima bakarnih iona, od kojih je svaki smješten u središtu snažno deformiranog oktaedra od šest atoma kisika. U prostoru između tih slojeva nalaze se atomi lantana i barijeva koji također tvore uređenu rešetku. Ova kristalna struktura s kemijskom formulom La1.8Ba0.2CuO4 spada u kategoriju takozvanih slojevitih pseudoperovskita. Chu i Kitazawa predstavili su 4. prosinca svoje rezultate u Bostonu na godišnjoj konferenciji Društva za istraživanje materijala. Ta su izvješća započela pravu utrku za visokotemperaturnim superprevodnicima.

Fizički detektiv

Paul Chu je sugerirao da kompresija povećava kritičnu temperaturu smanjujući udaljenost između oktaedra s kisikom. Vrativši se iz Bostona, odlučio je testirati tu ideju i sintetizirao je strukturno sličan spoj u kojem je barij zamijenjen kemijski sličnim, ali lakšim stroncijem. Hipoteza je bila opravdana: nova tvar bez kompresije pretvorila se u superprovodnik pri 39 K (isti je rezultat neovisno dobiven u Zürichu). Tada su se fizičari u Houstonu, pridruženi kolegama sa Sveučilišta u Alabami, odlučili poigrati s kemijskim analozima lantana, osobito s itrijem. Krajem siječnja 1987. sintetirali su spoj itrijuma, barija, bakra i kisika s kritičnom temperaturom od 93 K. Ovo je prvi materijal koji je izgubio električni otpor na temperaturi većoj od vrelišta tekućeg dušika (77 K).

A onda se dogodila gotovo detektivska priča. Chu se, poput Bednorets-a i Müllera, bojao da će tijekom anonimne recenzije netko reproducirati njegove rezultate i učiniti ih prvima koji će ih objaviti pod svojim imenom. Sintetiranjem materijala nije bilo teško sinteriranjem početnih komponenti u električnoj peći, ako je poznata njihova koncentracija i ti podaci moraju biti uključeni u članak. Chu je tražio od urednika časopisa Physical Review Letters iznimku da ga potpiše u tisku bez da ga pošalje recenzentima, ali je odbijen. Potom je krenuo na trik: u rukopisu koji je poslan uredniku zamijenio je itrijum (kemijski simbol Y) s itterbijem (Yb), a također je malo korigirao težinske omjere sastojaka. Ispravljajući članak već prihvaćen za objavu, Chu je ispravio ove „pogreške pri upisu“, a ona se pojavila već bez grešaka.

Kako je ubrzo postalo jasno, mjere opreza nisu bile suvišne. Gotovo odmah nakon objavljivanja djela Chua i njegovih kolega, nekoliko znanstvenih timova izvijestilo je o eksperimentima s itterbijskim spojevima, koji također postaju superprovodnici, iako na nižim temperaturama. Navodno je došlo do vrlo curenja informacija kojih se šef autorskog tima bojao, ali njegovi počinitelji ostali su nepoznati. Kad je ova priča izašla u javnost, Chu je optužen da svjesno dezinformira i krši znanstvenu etiku, čak i s dobrim namjerama. No postupno su se emocije stišavale i većina se znanstvenika složila da je Chu postupio ispravno.

Struktura novog supravodiča otkrivena je vrlo brzo, i to odjednom u nekoliko laboratorija. Ti su podaci prvi puta objavljeni 18. ožujka 1987. na konferenciji Američkog fizičkog društva održanoj u njujorškom hotelu Hilton. Zbog ogromnog broja izvještaja i užasnog uzbuđenja gotovo 4.000 sudionika, ovaj sastanak je u znanstvenom folkloru sačuvan kao "fizički Woodstock", Woodstock of Physics (u suradnji s legendarnim festivalom u državi New York, koji je u kolovozu 1969. okupio pola milijuna obožavatelja rock glazbe). Nakon toga su visokotemperaturni superprevodnici stekli svjetsku slavu, a u SAD-u i mnogim zemljama također su velikodušno financirali.

Nakon Woodstocka

Kakvi su rezultati? S jedne strane - impresivno. Napravljeno je mnogo superprevodnika koji sadrže vrlo zanimljive aditive osnovnim ravninskim strukturama bakra i kisika (oni se nazivaju i superprovodnicima iz porodice oksidnih kuprata, ili jednostavno kupreti, jer svi sadrže anione bakra, na latinskom jeziku Cuprum). Tako je 1988. grupa Paul Grant iz IBM-ovog istraživačkog centra u Almadenu izvijestila o supravodičnom vodiču CaBaCuO s kritičnom temperaturom od 125 K. Pet godina kasnije pokazalo se da je sintetički spoj HgBa2Ca2Cu3Ox (gdje je x malo veći od 8), stvorio znanstvena skupina koju je vodio Eugene Antipov s Moskovskog državnog sveučilišta, prelazi u supravodobno stanje pri 135 K, a s jakom sveobuhvatnom kompresijom - gotovo pri 160 K. Do sada, ta tvar drži rekord maksimalne kritične temperature pri normalnom tlaku.

U našem stoljeću se popis visokotemperaturnih supravodiča kvalitativno proširio. U ožujku 2001., japanski fizičari iznenadili su kolege porukom da je poznati poznati jednostavni intermetalni spoj magnezijev diborid MgB2 postao superprevodnik sa 39 K. A pet godina kasnije iz Zemlje izlazećeg sunca stigle su još zanimljivije informacije. Djelatnici tokijskog tehnološkog instituta, pod vodstvom Hideo Hosono, prvi su otkrili supravodljivost pri normalnom tlaku u tvari koja sadrži željezo. Kritična temperatura spoja LaOFeP bila je oskudna, svega oko 5 K, ali otkriće je bilo neočekivano, jer čisto željezo prelazi u supravodobno stanje samo pod visokim tlakom blizu apsolutne nule. Ubrzo je otkriveno još nekoliko supravodiča s sudjelovanjem željeza i arsena - partnera fosfora u petoj skupini periodičke tablice. Posljednjih se godina popis supravodiča koji sadrže željezo proširio na tvari s potpuno neočekivanim sastavom, od kojih neke uopće ne sadrže kisik - posebno spojevi željeza i selena dopirani kalijem, cezijom ili talijem (njihove kritične temperature mogu prelaziti 30 K).

Nejasni razlozi

Još prije deset godina fizičari nisu imali manje ili više općenito prihvaćena objašnjenja visoke temperaturne supravodljivosti. Bilo je jasno da se Cooper-ovi elektronski parovi na neki način formiraju i u novim materijalima koji lebde u vanjskom električnom polju a da ih ne razbacuju ioni kristalne rešetke. Zbog njihovog rođenja u spektru stanja elektrona provodljivosti pojavljuje se prazan pojas, takozvani energetski jaz, čija je širina jednaka polovici energije vezanja para (drugim riječima, energija vezivanja za jedan elektron). Što je širi taj jaz, veća je i kritična temperatura. Ali za uparivanje elektrona mora se stvoriti učinkovita privlačnost, čiji se razlozi nisu mogli pronaći. Podsjetimo da su "normalni" superprovodnici dobro opisani BCS teorijom, u kojoj privlačenje nastaje zbog polarizacije kristalne rešetke, što stvara zone lokalnog viška pozitivne gustoće naboja (ili, u kvantnom smislu, zbog interakcije elektrona i fonona). Međutim, tada se vjerovalo da u običnim metalima i njihovim legurama ta interakcija ne može biti prejaka, zbog čega se Cooperovi parovi uništavaju toplinskim vibracijama rešetki na temperaturama ne većim od 30 K. Sve do otkrića Bednoreta i Muellera svi su eksperimentalni podaci potvrdili taj zaključak.

Istina, fizičari su pretpostavili da za višekomponentne spojeve posebne kristalne strukture interakcija elektrona i fonona može biti jača, a kritične temperature veće. Svojevremeno su se teoretičari nadali da će ova hipoteza otvoriti put razumijevanju supravodljivosti pseudoperovskita. Međutim, ovi materijali ne pokazuju gotovo nikakav izotopski učinak (ovisnost kritične temperature o masi rešetkastih atoma), koji se sigurno mora očitovati u mehanizmu elektrona-fonona za pojavu Cooper-ovih parova. Ova okolnost ukazuje na to da se elektroni visokotemperaturnih supravodiča najvjerojatnije privlače na neki drugi način.

Nestandardna superprovodljivost

Sada priroda "nestandardne" supravodljivosti postupno postaje jasnija. "Zagonetka magnezijevog diborida riješena je vrlo jednostavno", rekao je profesor Andrei Chubukov, profesor sa Sveučilišta u Wisconsinu, koji se dugi niz godina bavi teorijom visokotemperaturne superprovodljivosti. - Cooper parovi tamo se formiraju isključivo zahvaljujući interakciji elektrona i fonona. Zbog specifičnosti kristalne strukture i elektronskih spektra, posebno je jak, otuda i povećana kritična temperatura. Dakle, ovdje vidimo trijumf klasične teorije BCS-a koji, kako se ispostavilo, uopće nije ograničen stropom od 30 K. Magnezijev diborid zanimljiv je u drugim aspektima (na primjer, nema jedan, već dva energetska jaza), već u pogledu mehanizma supravodljivosti on nije ništa posebno. To se čak ne bi smjelo klasificirati kao "pravi" visokotemperaturni superprovodnik, jer se njihovi parovi uopće ne javljaju zbog izmjene fonona.

Cuprati i supravodiči koji sadrže željezo još su jedna stvar. Navodno se Cooperovi parovi tamo formiraju zbog izravnih interakcija između elektrona provodljivosti. Kako to može biti budući da se elektroni odbijaju prema Coulombovom zakonu? Činjenica je da ako se promatra Kulomova interakcija, onda na velikim daljinama počinje oscilirati. Zbog takvih oscilacija može čak i privremeno promijeniti znak u nekim dijelovima prostora, odnosno prijeći od odbojnosti do privlačnosti. Zbog toga elektroni s određenim vrijednostima orbitalnog zamaha stječu sposobnost da se privlače jedni drugima i ujedinjuju u Cooper parove. U kupratima se na taj način ponašaju elektroni s orbitalnim momentom jednakim dva - takozvani d-valovi, a u onima koji sadrže željezo (kao u uobičajenim superprevodnicima) - elektroni s nultim orbitalnim zamahom.

Ali to nije sve. Za pojavu supravodljivosti potrebno je imati takve elektrone (sirovine za Cooper-ove parove) u dovoljnim količinama. Postoji svaki razlog da vjerujemo da je njihov izgled olakšan malom fluktuacijom centrifuge. Taj učinak djeluje samo u određenom rasponu koncentracija nečistoća. Stoga bakarni oksidi postaju superprovodnici samo ako su legirani potrebnim aditivima i u pravim količinama. U čistom obliku, bez nečistoće, to su izolatori. "

Članak je objavljen u časopisu Popular Mechanics (br. 4, travanj 2012). Sviđa li vam se članak?

Najzanimljivije vijesti iz svijeta znanosti: svježa otkrića, fotografije i nevjerojatne činjenice u vašem mailu. U redu Slažem se s pravilima web stranice Hvala. Poslali smo potvrdu na vašu e-poštu.

Preporučeno

Prostatitis: neizbježna uplata za dob ili obična bolest?
2019
Zbirka zabluda: Šišmiši su slijepi
2019
Najveće curenje podataka dogodilo se u Sberbank
2019